1. 引言
新工科建设是国家为满足新一轮科技革命与产业变革对人才新的需求而推出的重大战略行动。新工科背景下的人才培养需要以产业需求为导向，不断拓展知识的深度与广度，并具备包括复杂工程问题解决、团队协作、研究开发及创新等方面在内的关键能力[1]。在此背景下，高校人才培养模式也需从传统知识本位，以教师为中心的模式转型为以学生为本，灵活动态生成的新型模式。
项目驱动式教学模式就是典型的一种以学生为本的新型教学模式[2] [3]。基于项目的教学模式是利用项目中存在的问题或任务，去引导学生通过主动的查阅相关文献，主动地学习去解决这些问题，学生在完成项目的过程中获得知识和技能。与传统的教学模式相比，该模式更能够激发学生的学习积极性，因此该教学模式也在各高校的课程教学中得到了应用，并取得了一定的教学效果。然而，目前项目式教学模式在实际课程教学应用中也存在一定的问题。典型的包括：1) 学生在面对这些项目时容易无从下手；同时需要从过去习惯的被动接受知识，转向主动地探索，学生普遍会缺乏方向感和存在较大压力；2) 容易由于能力差异等原因导致小组成员参与不均，参与意愿较低。小组成员认知负荷超载是其中主要的原因。
教学组织形式上，进入后疫情时期，众多高校逐步从传统的线下教学转向采用线上线下混合式教学[4]，未来也将成为高校教学的主要形态。但目前线上线下混合式教学更多地仍是传统线下教学的一种单纯补充或延伸，缺乏真正意义上的深度融合与优势互补。如何更有效地设计实施混合式教学未来还有待更多探索[5] [6]。
微机类课程(如微机原理及应用、嵌入式系统设计等，此处以“微机原理及应用”为例)是电气类特别是仪器类专业实践性较强的核心专业基础课，同时也具有综合性强的特点。课程不仅包括硬件设计、软件设计，更重要的是课程内容经常和模拟电路、数字电路、自动控制、机械等课程内容综合起来应用在实际的项目设计中。此外这类课程在专业的课程设置上也起承上启下的作用，因此该类课程的良好掌握对相关专业人才的培养具有重要意义。
上述背景下，本文基于建构主义理念，结合线上线下混合探索一种基于宏微框架式项目教学模式。为更好地克服传统项目教学所存在的问题，本文以宏微两个层次的项目为载体，并采用差异化框架式项目教学这一模式。通过项目实现任务情境的创设，而差异化框架则提供个性化支架。
2. 宏微框架式项目教学模式设计
建构主义作为一种学习理论，揭示了知识建构需要在特定的社会文化背景下，学习者通过借助他人的帮助，运用特定的学习材料和方法，以意义的构建方式获取新的知识[7]。项目式教学模式就是建构主义情境学习的一种形式。通过在项目这一具体情景中学习，对知识形成深层理解，进而知识迁移，并在建构过程中实现能力生成。知识能够迁移，以及建构过程能够能力生成，特别是创新能力，复杂工程问题解决能力等能力的生成，都需要学习者所获得的知识是结构化，整合的，灵活的。这需要教师是学习情景设计者，是支架提供者；学生是情景体验、探究者[8]。
在建构主义理念基础上，我们针对微机类课程通过线上线下混合教学设计和实施宏微框架式项目教学模式。教师发布不同层次的项目，并通过差异化项目框架提供不同层次的支架；学生在教师提供的框架支持下完成宏微层次的项目，在这过程中通过主动探究，学习成员协作，学习反思等学习活动完成课程知识建构，以及能力生成。这其中，教师与学生之间的互动与协作，特别是协作较为关键。协作是教师线上为学生创设任务情境或问题情境，通过线上及线下提供差异化项目框架作为学习支架。
该教学模式包括以下几个主要环节：
1) 宏微层次任务情境设定
为避免学生对课程概念，原理等内容停留在教条式、浅层，以及碎片化的掌握，需要将所需掌握的知识点内嵌于具有一定复杂度的工程问题情境或综合性的任务情境中。复杂工程问题或综合任务情境的设定，既是建构主义理念中创造“最近发展区”的最佳途径，同时也为学生提供了探究的内驱力。在复杂问题或情景中学习和思考，围绕当前问题获取、处理知识，同时激活已有知识，通过分析和综合形成问题的解决方案，并通过方案的验证，反思和调整知识结构。这种“为解决而学习”获得的知识，才是深层，结构化，整合的，以及可迁移的。
选择合适的任务情境对于后续学生项目式学习模式的效果具有重要意义。此处任务情境包括宏观层次的课程总任务情境，和微观层次地对应各章节的子任务或问题情境。宏观项目主要解决课程内容掌握的碎片化问题，以及复杂工程问题的解决。然而单一的宏观项目，特别是跨越数个教学周期的项目，容易造成知识覆盖系统性不足，以及长周期任务下学生兴趣损耗和疲劳感等问题。由此此处引入了聚焦特定章节知识点的微观项目。
宏观层次任务情境以实际或接近实际的综合性工程案例为载体。以本课程某代表性案例为例，该案例为设计一种长时间保持恒定温度的水箱控制设备。提供有水箱/容器，水，加热管，降温风扇，水泵。要求实现对该水箱进行按用户设定的温度值进行控制，以及液位控制。该综合案例的选择依据是：(1) 真实情境，有诸多约束。该案例是一典型真实工程测控任务，难度相对合适；关键是有诸多设计约束，包括：技术性约束，如控制精度、实时性、可靠性、低功耗；非技术性约束，如成本、尺寸、相关行业安全规范、可持续性、可维护、人机友好等。这些约束的引入，需要学生在实现系统功能的同时，实现功能、技术性约束、非技术性约束三者的平衡，因此能更好培养学生系统性工程思维，以及复杂工程问题解决能力。(2) 综合性，需要相关先验知识。学生需要整合多维度知识，甚至跨学科整合，需要综合应用前期课程学过的传感器，模拟/数字电路，以及控制理论，机械等内容；(3) 易整合，可分解，开放性。该任务情境在课程开始时提供给学生，根据课程章节将系统划分为不同子任务或问题情境，并贯穿整个课程。学生也可在此基础上后期进行拓展，比如加入水质检测、云平台远程监控等功能。这种整体-局部-整体的情境设定，既符合学生对专业课程内容由浅入深、层层递进的认知规律，也为复杂工程问题在教学上提供了解决范式。
2) 任务差异化框架设定
互动与协作用来促进学生新旧知识建立联系，将不同维度的信息进行综合，以此拓宽学生的思维深度和广度。这种互动与协作，既是建构主义理念下实现知识重组和建构的最佳途径，也是促进学生高阶思维[9]的关键环节。此处结合线上线下教学，通过提出并采用框架式项目教学更好实现互动与协作。对教师而言，互动是学生学习过程中对问题解决起引导、支持，和反馈作用；而协作是教师线上为学生创设任务情境或问题情境，线上及线下提供学习支架。
如表1所示，根据学生前期基础不同，可将学生分成基础组，进阶组和高阶组。不同组提供不同的框架。基础组框架是每章设定封闭性任务，即明确的子任务基础功能，限定明确的参数。提供最大程度的程序框架、子程序框架和部分代码等，并少量的技术性约束指标，如仅达到最基本的精度；进阶组框架是每章设定半开放性任务，即允许在子任务基础功能的基础上进行部分自由发挥。提供主程序、子程序框架，和多项技术性约束指标，如精度、响应时间等；高阶组框架是每章设定开放性任务，即在子任务基础功能实现的基础上进行自由发挥，鼓励创新和新功能。仅提供主程序框架，以及有技术性约束指标和非技术性指标。
Table 1. Project framework settings for the teaching model
表1. 教学模式的项目框架设定
框架 |
基础组 |
进阶组 |
高阶组 |
任务 |
封闭性任务 |
半封半开放性任务 |
开放性任务 |
工具框架 |
● 任务程序框架 ● 子程序部分代码 ● 非本章内容子程序 |
● 任务程序框架 ● 子程序框架 ● 非本章内容子程序 |
● 任务程序框架 ● 部分非本章内容子程序 |
约束设计 |
部分技术性约束 |
技术性约束 |
● 技术性约束 ● 非技术性约束 |
3) 评测
对学习任务或过程进行评测是探究式教学模式的重要支架。评测既是教师实时调整后续教学内容和活动的依据，同时也是促进学生学习认知过程中反思与调整，以及进一步探究的驱动力。因此这种评测也是提高学生元认知[10]能力的一种手段。
课程评测采用评价和测试，过程和最终相结合。过程评测包括过程测试(即章节内容的掌握程度，包括线上作业15%，和线上测试10%)，和过程评价(即子任务完成程度10%，讨论与协作等表现5%)，最终评测包括期末笔试测试50%和总项目最终评价10%。其中评价部分采用等级制评分，并量化到最终成绩。
3. 宏微框架式项目教学模式的实施
3.1. 线上课前任务情境分解与设定
以选定的综合性工程案例为对象，根据课程每章内容和教学目标，结合总的任务要求，进行任务分解，通过线上课程平台发布各章对应的子任务和微项目任务，形成每章课前的任务或问题情境。
如图1所示，每章节内容分散并内嵌至工程案例中各个模块，并以子任务形式发布至教学平台。例如中断系统这一章节。课前设定对应的情境：恒定温度的水箱控制设备里用户需要将控温范围等设置信息输入，水箱液位控制泵需要有手动实时控制功能。发布该章节的子任务及问题：调研常用的输入器件有哪些，分别有什么原理？回顾按键检测原理及实现方法，思考如何改善检测效率，实现CPU实时检测按键？编程实现按键的实时检测。与发布的子任务及问题相配套的，还包括基础性知识点视频，参考资料，某组对应的框架，以及该章对应的微项目任务竞赛抢答器。
Figure 1. Macro-micro hierarchical decomposition of project task
图1. 宏微双层次项目任务情境分解
上述内容中，基础性知识点掌握需要学生线上平台完成。学生针对需要完成的任务或问题，根据提供的框架通过线下课堂以及线下课后逐步完成。线上讨论区，教师主要提供学生问题解答和思路引导，学生与学生完成讨论与协作。
总体思路上，学生通过“问题–探究形成方案或设计–验证–调整优化–新的问题”这种探究完成本次任务，在这过程中教师根据章节进程动态提供不同框架或学习支架。
3.2. 线下课中解决问题与细化
线下课堂针对该章任务及问题情境解决为主线，主要进行课程章节重难点内容讲解。讲解内容、侧重点和节奏基本是课前评测结果驱动，动态调整及生成的。
线下课堂另一个环节是以学习小组为主的研讨。内容依据章节进程而定。根据章节进程分别安排问题研讨、方案、实现细节研讨，前者针对问题情境中的问题和课堂中的问题。比如针对调研常用的输入器件什么原理等；后者是对学生方案或设计细化、优化和实现研讨，比如学生根据课前预习及课堂听课完成的利用中断实现按键检测程序的研讨。最后也包括研讨内容的汇报，教师点评和生生互评。
3.3. 线下课后优化与实现
课后学生根据课前、课中所形成的本章知识构建，对软硬件设计进行优化、细化，并在所开发的系统最小板基础上进行硬件、软件的实践验证或实现。
章节微小项目，例如中断章节是竞赛抢答器的设计，主要集中在章节后期进程中以学习小组形式完成。该微小项目在进一步提高学生实践能力和创新能力的基础上，完成本章知识的迁移。
宏微框架式项目教学模式在章节内的具体实施如图2所示。
Figure 2. Implementation of the macro-micro framework for the project-based teaching model
图2. 宏微框架式项目教学模式实施
3.4. 存在的问题
相比传统教学模式，本教学模式的实施带来的问题或挑战主要有：
1) 教师工作量增加。教师前期需要宏微项目设计、学生分组、框架内容设定，以及后期需要对学生项目完成情况的评测等。
2) 大班教学的适配。大班教学会带来诸如组数多、学生差异大、差异化框架实现困难等问题。
针对这些问题，模式实施时可以采取的措施包括：
1) 模板化和标准化。即将不同宏微项目分别为不同层次组别建立模板库，内容包括任务说明，主程序和子程序框架，技术与非技术约束清单。与此对应，分别建立评测和分档标准，包括功能完整度，技术约束达成度分档标准(如根据达到的延迟时间大小划分不同等级)，以及非技术约束达成度分档标准(需要设立可量测指标)。
通过上述将框架内容模板化，以及评测标准化，可以实现一次准备，多轮复用的效果，大大减少教师工作量，同时也减少了评测的随意性。
2) 针对大班教学则可以采用分层自治的方式。也即教师可以挑选部分高阶组学生经适当培训后形成课程助教，由这些高阶学生指导基础或进阶组学生的方案及基础内容的设计指导，教师则聚焦诸如方案可行性，创新性，设计中难点等关键问题。此外对于各组的评测也可以采用生生互评等方式实现。
4. 成效与展望
对所提出的教学模式也进行了课程实施，并对效果进行了包括期末成绩、问卷调查以及后续相关表现进行了监测。期末成绩显示，实施后学生在综合性分析、设计编程等题上有着相对更明显的提升；问卷调查则显示大部分学生有更强的自主学习意识、兴趣，实践等能力不同程度地有所提高。这可以反映在后续学生参加和课程内容相关的包括电子设计竞赛在内的学科竞赛上，近年来平均每年能有5~10支队伍获得省级以上奖项。
实践证明，这种采用任务及问题情境为导向，以完成综合性工程项目为主线，章节微项目为辅线，学生探究教师提供差异化框架式支架的模式是有效的。差异化框架的引入，使得不同基础的学生均有方向感，也有参与的意愿；但是在诸如寻找哪种更合适的综合性项目，项目框架中的具体内容和策略如何能针对学生个体差异进行更有效调整匹配等方面还需后期进一步探索。值得指出的是，本文是以微机类课程为例进行讨论分析的，但是该模式也同样适用于相关课程。
基金项目
浙江理工大学，基于CDIO-微课教学模式的单片微机课程教学模式改革及实施，浙江理工大学信息科学与工程学院2024年度院级教育教学改革资助项目，jgyjxx202404，罗剑波；
浙江省教育厅，浙江省“双万计划”省级一流课程微机原理及应用，省部级，XMJWCb2022092，罗剑波；
浙江省教育厅，浙江省“双万计划”省级一流课程微机原理及应用A，省部级，2020sylhh001，罗剑波；
浙江省教育厅，浙江省普通本科高校“十四五”教学改革项目“新工科背景下测控专业特色型创新人才培养改革与实践，jg20220193，郭亮；
浙江理工大学，2025年浙江理工大学“基于知识图谱的AI课程《传感器原理及应用》，郭亮。
NOTES
*通讯作者。