基于認知矩陣的“船舶動力裝置原理”教學方法評估

劉少俊,王 會,楊宗明，馮國增

(1.江蘇科技大學 能源與動力工程學院,江蘇 鎮江 212003；2.江蘇科技大學 外國語學院，江蘇 鎮江 212003)

基于認知矩陣的“船舶動力裝置原理”教學方法評估

劉少俊1,王 會2,楊宗明1，馮國增1

(1.江蘇科技大學 能源與動力工程學院,江蘇 鎮江 212003；2.江蘇科技大學 外國語學院，江蘇 鎮江 212003)

針對船舶動力裝置原理課程中原有教學模式的問題，引入基于問題的學習，案例教學與專題研究等新的教學方法，并與原有的多媒體教學，網絡教學，課外閱讀進行結合。采用認知矩陣對于這些方法進行評估，明確教學方法應使學生達到的認知層次。結合課程考核，對教學方法的效果進行評估，評估結果表明學生在上述教學法要求的認知層次均得到了良好的訓練，證明了應用認知矩陣進行評估的科學性。

認知矩陣；教學方法評估；船舶動力裝置原理

“船舶動力裝置原理”是一門面向涉船專業學生的多學時專業必修課。課程圍繞船舶動力裝置的組成、性能和原理，使學生掌握船舶動力裝置的基本概念，各設備的性能特點，能夠計算船舶軸系扭轉振動，可依據船機槳配合的特性進行主機選型，為以后的實際工作打下堅實的基礎。

在實際教學過程中原有的課程教學存在以下問題。

1)學時相對較少，課程難度較大。動力裝置設備龐大，結構復雜，系統繁多，學校授課學時相對有限，學生很難在短暫的時間內全面掌握船舶動力裝置的結構、原理、特性和系統的有關知識，造成課程學習難度大。

2)教學手段傳統，缺乏實踐設計。課程的主要教學形式是通過PPT講解，傳授船舶動力裝置課程的基礎知識。而船舶動力裝置本身是立體的，學生從PPT得到的是靜態平面圖像，只能依賴空間想象得到相關實物的反映，無法真正理解船舶動力裝置的實際結構和工作情況。

3)考核形式單一，缺乏過程控制。傳統考核形式以卷面成績為主，輔以課堂考勤與課后作業，卷面成績不能全面反映學生對課程內容的掌握程度，課堂考勤占用寶貴的課堂學時，課后作業以識記性題目為主，不利于學生創新性思維的培養。

4)缺乏論文指導，課程與畢業設計脫節。對于本科畢業生來講，要求能夠用規范的格式與清晰的條理撰寫論文，這一教育往往集中在2個月的畢業設計中，時間緊張，學生很難兼顧論文內容與科學規范的論文寫作。這就要求專業課程要在這方面對學生進行訓練，而專業課程往往不能為畢業設計打下基礎，造成兩者的脫節。

以上問題要求重新審視舊的教學方案，以應用型高級工程技術人才培養為目標，構建新的教學模式[1]。在借鑒國外先進教育理念的基礎上，通過引入一些新的教學方法，與原有的成熟教學方法相結合，初步構建了課程新的教學模式。然而這些教學方法的訓練目的，以及實際達到的訓練效果如何，需要進一步的觀察與評估。因此，本文應用認知矩陣，對于教學方法期望達到的認知層次與實際達到的認知層次進行了評估，以期為進一步的教學改革與調整奠定基礎。

1 認知矩陣的建立與發展

1956年Bloom等[2]提出認知過程的6個維度，即識記、理解、應用、分析、綜合與評估。Bloom模型在很大程度上幫助了教育工作者克服認知過程的復雜性，設計課程來訓練和發展思維技能。然而，受到當時的局限性，Bloom模型的很多標準橫跨數個層次，不能嚴格地應用于測試評估。為了彌補這一缺憾，有學者于2002年針對閱讀(reading)、寫作(writing)、數學(mathematics)、科學(science)及社會學(social studies)5個學科提出了知識深度(depth of knowledge)的概念及相關判據，知識深度有4個層次，由低到高分別為回憶與復述，技能與概念，思考與推理及擴展性思維[3]。該模式提出后，國內學者借鑒用于學業評估與課程標準的一致性分析[4]。Karin K. Hess等[5]則將其與Bloom模型相結合，構成了嚴格的認知矩陣(cognitive rigor matrix)，用于課程編制與實施。

Karin K. Hess等人的認知矩陣組成見表1。該矩陣將Webb模型的4個層次與Bloom模型的6個目標疊加，構成了6×4矩陣，矩陣中的非零元素不等價，因而可以用于評估課程要求所處的認知層次。

2 教學方法訓練的認知層次

從表1發現，位于左上角的要素B1W1層次最低，然后大致沿對角線要求逐漸提高，右下角對應認知的最高層次B6W4。因此從教學方法設計上來講首先要明確希望學生達到的認知層次，在詳細分析了學生特點之后，認為學生的基本素質包含知識、能力、文化、視野4個方面，圍繞著學生基本素質的提升，課程探討了多種教學方法，教學方法訓練的認知層次見表2。

表2 教學方法期望達到的認知層次

1)多媒體教學。多媒體教學的核心是多媒體內容，本課程的多媒體包含以下內容，Flash動畫，視頻，演示程序等，這些材料的作用是幫助學生理解基本事實、觀點、原理和概念，對應矩陣中的B1W1層次。

2)課外閱讀。本課程給學生安排大量的補充材料,這些補充材料主要分為以下2類。

①船舶公約類，包含2004年《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》；《MARPOL公約及78-97議定書》；《73/78防污公約綜合文本(2002)》附則I，附則II，附則IV，附則VI；《SOLAS2009綜合文本》。這些公約與“船舶管路系統”的教學內容密切相關，了解這些公約對理解教學內容，掌握系統的設計原理與設計方法具有重要的促進作用。

②網絡資源，編制了《如何利用MAN 公司網站進行柴油機主要參數和輔機容量數據計算》，引導學生登錄專業公司網站學習柴油機選型；依據 ABB公司的Azipod演示軟件，通過軟件的操作，幫助學生理解船舶電力推進系統的構成，原理，控制方式及優點；針對“船機槳工況配合特性”的難點向同學介紹了“Marine Propeller Calculator”，通過這一小軟件使學生理解轉速與航速的對應關系，理解可調距槳的工作原理；最后，通過CAD模型庫，進一步使學生理解不同螺旋槳的相關參數，并提供針對螺旋槳進行分析計算的便捷途徑，免去了曲面建模這一繁瑣過程，使學生能夠將精力集中于槳特性本身。

在提供補充材料的同時，鼓勵學生主動上網搜索相關信息，如產品介紹和學術機構的網頁等，鍛煉學生的主動學習能力和資料收集能力。

這一過程的認知要求對應矩陣的B3W2層次，屬于運用資源尋找信息。

3)網絡教學。通過申請教學微博，微信與開放式網盤，在網上交流答疑，拓展了教學空間，鞏固了教學內容，使課程教學效果得到提升。將教學資源放在網盤上，在微信、微博上設置下載鏈接，在課程教學期內提供給學生參考查閱。學生可以下載課程教學資料和課外閱讀擴展性材料。網絡教學的核心是開放，學生可以依據已有的資源開展討論，展開與主題相關的頭腦風暴，對應認知矩陣的B5W1層次。

4)以問題為基礎的學習。以船舶動力管路系統為例，船舶動力管路系統研究的是為主機服務的燃油管系、滑油管系、冷卻管系、壓縮空氣管系及排氣管系。主機的布置、性能及參數決定了上述系統的構成、位置、結構、連接。以MAN B&W 6S42MC為例，學生需要運用網絡資源收集此機型的關鍵參數， 課堂上學生閱讀主機的規格說明書，標出與動力管路系統設計相關的重要參數。然后依據這些參數，按照船舶規范的要求確定系統類型、設備構成及設備選型。這一過程的認知要求對應矩陣的B5W3層次，屬于思考與推理的綜合。

5)案例教學。以船-機-槳工況配合特性為例，選取頂推船的工程實例，按照主機能力儲備計算螺旋槳設計轉矩，并基于轉矩討論齒輪箱選型。該算例詳細展示了船-機-槳的選型流程，同時介紹了工程設計通常的考慮因素。此外該算例還需要比較不同主機對齒輪箱，以及螺旋槳選型的影響。通過該算例，學生可以全面了解工程設計在這一問題上的總體思路，為將來解決類似問題打下基礎。這一過程的認知要求對應矩陣的B5W4層次，屬于擴展性思維的綜合。

6)專題研究。通過專題研究，培養學生進行規范寫作與科學引文的習慣，編制了《百度文庫使用說明》《圖書館CNKI數據庫使用說明》等視頻教程，與《使用谷歌學術做參考文獻》等文字教程，引導學生利用網絡科學、規范、嚴謹的撰寫科技論文，為畢業設計奠定基礎。專題研究在給定題目的條件下，需要學生收集、分析、評估資料得出結論，相當于畢業設計的預演，對應矩陣的B6W4層次，屬于最高層次的要求。

在Bloom模型的理解層與分析層，若缺乏適宜的教學方法的訓練，有可能導致學生分析與理解能力不足。

3 教學方法實施效果評估

在教改實施期內課程教學對象以鎮江校區熱能與動力工程專業學生為主(熱動-鎮)，兼顧張家港校區熱能與動力工程(熱動-張)，船舶與海洋工程(船舶-張)等專業的學生，用于評估不同教學方法針對不同對象的教學效果。“內河船舶推進裝置分析”專題研究中不同教學對象的成績對比見圖1。

圖1 專題研究優秀人數情況統計

在本專題中，優秀的標準為論文撰寫規范、分析科學合理。從對比中發現，針對相同題目，鎮江校區的學生綜合素質較好，絕對人數幾乎為張家港校區學生人數的總和。對同一校區的學生來講，專業背景也起到一定作用，張家港校區熱動背景的學生優秀率明顯優于船海背景的學生，高出近5%。這就要求在以后的教學內容與教學方法設計上要重點考慮學生層次與背景的差異，合理拔高或降低要求。

鎮江校區熱動專業的卷面成績分析見圖2。

圖2 熱動專業卷面成績分析

按照Bloom的模型，簡答題歸于識記型、判斷與選擇題歸于理解型、論述題為分析型、計算題為綜合型，從失分比率發現，學生的整體認知層次位于識記型，理解型與分析型題目失分較為嚴重，應該是下一步提高學生認知層次的關鍵。同時如前所述，在教學方法設計上缺乏對理解與分析層次的訓練，因而代表理解型的判斷與選擇題，代表分析型的論述題失分較為嚴重，占據了圖2的前3位，這從一個側面證明了應用認知矩陣評估教學方法的科學性。

4 結束語

對課程的6種教學方法所要求達到的認知層次評估表明，多媒體教學位于識記層，課外閱讀位于應用層，網絡教學，PBL學習及案例教學均位于綜合層，而專題研究則位于最高層——評估層。6種教學方法的實施結果表明，學生在上述認知層次均得到了很好的訓練，而理解層與分析層由于

缺乏對應的教學方法，學生表現出明顯的不足，體現在理解型與分析型題目失分較為嚴重。這從一個側面證明了應用認知矩陣評估教學方法的科學性。

[1] 溫華兵,楊興林,劉煒,等.輪機工程專業創新人才培養模式及其實訓平臺建設[J].船海工程.2014,43(1):28-31.

[2] BLOOM B S, ENGLEHART M D, FURST E J, et al. Taxonomy of educational objectives, handbook I: The cognitive domain[M]. New York: David McKay，1956

[3] WEBB N L. Depth-of-knowledge levels for four content areas[M]. Language Arts，2002.

[4] 曹小旭,張慶霞.基于標準的小學語文學業水平考試試卷質量分析：學業評價與課程標準一致性的視角[J].教育測量與評價:理論版，2011,10(7):57-60.

[5] HESS K K, JONES B S, CARLOCK D, et al. Cognitive rigor: blending the strengths of Bloom’s taxonomy and webb’s depth of knowledge to enhance classroom-level processes[M]. National Center for the Improvement of Education Assessment, NH，2009.

Evaluation of Teaching Method for Principle of Ship Power Plant Based on Cognitive Rigor Matrix

LIU Shao-juna, WANG Huib, YANG Zong-minga, FENG Guo-zenga

(a.School of Energy and Power Engineering;b.School of Foreign Languages, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

For the problems of the original teaching mode in the course of principle of ship power plant, new teaching methods such as problem based learning, case study and topic research were introduced, combined with the previous methods like multimedia teaching, online teaching and outside reading. The cognitive rigor matrix was used to evaluate these methods and different cognitive levels of teaching methods were clarified. The effectivity of methods was also evaluated.The evaluation results showed that students were well trained on aforementioned cognitive levels. So the method of congitive rigor matrix is scientific.

cognitive rigor matrix; evaluation of teaching method; principle of ship power plant

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.029

2016-04-12

國家自然科學基金項目(51306079)，江蘇省“十二五”成人教育重點課題(121106)

劉少俊(1981—)，男，博士，副教授

G642.3

A

1671-7953(2016)06-0127-05

修回日期：2016-04-28

研究方向:船舶動力裝置污染物脫除

E-mail:liushaojun205@163.com