基于工程教育專業認證的土木工程專業流體力學課程教學模式探討

黨曉菲

（洛陽理工學院 河南洛陽 471023）

一、引言

工程教育專業認證是撬動工程專業教學改革的一個杠桿，意義在于推動專業教學改革，提高專業人才培養質量。我國工程教育認證自2016年加入《華盛頓協議》后，不斷從傳統的課程導向教育理念向先進的成果導向的教育理念轉變[1]。成果導向教育（Outcome-Based Education，簡稱OBE）的三個關鍵：產出導向、學生中心和持續改進，明確了專業怎么改，老師怎么教，學生怎么學，老師教得怎么樣，學生學得怎么樣，從教學設計、教學實施和教學評價三個方面出發形成了一套完整的理論體系和實踐模式，成為當今工程教育認證的核心理念和主流方向。

流體力學是土木工程專業的一門專業基礎課，前修課程一般為高等數學、大學物理、理論力學等，除了延續前修課程理論性強和邏輯推理嚴謹之外，同時是一門應用力學，也注重工程應用，影響后續專業課程學習，其知識體系在土木工程領域有著廣泛的應用。因此，除了培養學生的邏輯思維能力外，該課還要注重對學生自主學習能力、創新思維能力和工程實踐能力的引領。北京理工大學的張敏弟等通過調研國內外高校流體力學課程體系下的OBE教學模式，厘清預期學習成果(I LOS，Intended learning outcomes），結合國內專業特色和辦學條件，建設適合國內高校工科生的流體力學課程體系。湖南工學院易玉枚等基于工程教育專業認證理念從舉例教學法、啟發式教學法、案例教學法、結合力學歷史背景、增強專業契合度等教學方法和模式對安全工程專業進行教學改革。

雖然國內外對于流體力學課程工程認證方向做了較多努力，但仍然存在以下問題：

1.較其他力學課程，流體力學的原理和公式推導較為抽象，晦澀難懂，內容具有一定難度，雖然會受到部分學生的青睞，但大多數學生容易對該課程望而生畏，產生畏難情緒，學習積極性不高；2.教材為工科通用教材，沒有結合土木工程專業特點；3.傳統教學方法缺乏對學生發現、分析、解決問題能力及創新能力的塑造和培養等；4.OBE理念課程體系改革中的培養目標與培養要求的關系、培養要求與課程體系的關系、畢業要求與教學要求的關系，這三種關系在學校的培養方案中均體現較少。

本文基于工程教育專業認證理念，對土木工程專業流體力學課程教學模式進行了探討，根據流體力學的特點，結合土木工程專業特色，針對課程面對的關鍵問題，從OBE理念核心要素“產出導向-學生中心-持續跟進”出發，對課程體系、教學方法、量化考核和評價體系等方面進行探索，為土木工程專業認證相關課程大綱修訂及課程改革提供參考。

二、基于產出導向的課程體系改革

課程是為專業培養人才服務的，以畢業生品質為培養目標，逆向設計教學目標和課程目標，強調知識、能力、素質的全面協調發展，知識是基礎，能力和素質是知識追求的目標，能力是知識外化的表現，素質是知識內化的結果[2]。OBE的教學設計是反向設計，設計的起點是培養需求，根據培養需求確定培養目標、根據培養目標確定畢業要求、根據畢業要求確定課程體系、根據課程體系確定教學目標、根據教學目標確定教學內容，需求既是教學設計的起點，又是教學實施的終點，保證人才培養與人才需求的無縫對接，適用于土木工程專業應用型人才培養。

表1 基于產出導向的課程體系改革

課程教學產出要求優化教學模塊，完善實驗設計，學生學習產出要求掌握各知識點之間的內在邏輯關系，形成知識串聯，提高科研素養，將理論知識與應用相結合，對應的課程目標要求學生掌握流體力學的基本原理，具備面對實際工程問題分析推理的能力，并建立模型求解的能力。因此，在教學環節的設計上，我們一般在學習了數學、力學和基本熱學知識之后才開始學習課程流體力學，而且都安排在大學三年級，為進一步學習高等流體力學等后續高級理論與應用等專業知識、研究生入學考試和從事專業工作打下堅實的基礎，實現專業教育產出，達到畢業要求。同時，學生可自主選擇公共選修課、專業選修課，根據個人興趣和就業去向自主選擇畢業設計題目和指導教師等。優秀學生可以選擇到境外高校進行交換培養，滿足了學生的個性學業需求。

（一）優化教學模塊，形成知識串聯

國內外多所大學土木工程專業的教學大綱將流體力學作為專業基礎課，開設了流體力學，將流體力學知識分解成兩部分：基本理論與應用和與流體力學配套的實驗課[3]。基礎理論先從緒論引入流體力學的相關基本概念，再依次學習靜力學、運動學、動力學和層流、紊流及其能量損失，知識點串聯較為緊密，應用知識包括孔口和管嘴出流、管路流動、堰流、滲流、量綱分析和相似原理等。強化學習的過程一般為理論學習，習題，討論和實驗，理論分析、數值模擬和實驗測試相結合，通過習題鞏固知識點，用流體力學語言和思維對實際工程或生活問題進行解釋和展開討論，按照學術論文規范形式撰寫總結報告。

（二）完善實驗設計，提高科研素養

實驗實現了從感性認識到本質探索的飛躍，幫助學生建立科學的世界觀和方法論，依托流體力學實驗室，配合《流體力學》課程理論教學設置的實踐教學環節，通過講解、演示和親手操作實驗等，運用理論知識解決實際問題，根據常用概念和公式，如水頭測試、計量方法、雷諾數和流體狀態的關系、能量損失測量方法等，通過學生自己動手操作，認真觀察，完成伯努利方程實驗、雷諾實驗、沿程阻力系數測定實驗、局部阻力系數測定實驗，鞏固課堂教學中對能量方程、沿程阻力、局部阻力的認識。理論教學和實驗教學是相輔相成的，理論教學注重知識的傳承，是“授之以魚”，而實驗教學則注重基本技能的培養和訓練，是“授之以漁”，從而培養學生理論聯系實際的能力，以及嚴謹的科學思維能力和創新精神。

三、基于學生中心的教學方法改革

OBE理念教學實施的關鍵是學生中心。傳統教學模式以教師為中心，教學內容主要取決于教什么、教學方法主要取決于怎么教、教學評價主要取決于教得怎么樣，而學生中心表示教學內容主要取決于學什么、教學方法主要取決于怎么學、教學評價主要取決于學得怎么樣[4]。基于學生中心的教學方法改革應增強互動性，增加師生溝通與交流，強調教師的主導和學生的主體地位，注重發展性、開放性和延伸性的混合式教學法，更好地疏通課堂和課程內外的緊密型，通過學生對知識的理解和掌握情況的即時反饋及時調整教學方式和改進教學方法。關注學生內在感知、主觀能動性和學習效能的提高，引導學生根據認知特點和流體力學的思維特點，理解流體力學的授課內容。

提高學生的學習興趣和自信心，一是可以從學生的已學知識切入，著眼于增強學生學習自我效能感和結果期望，重點突出各知識點的先后、因果、理論和應用等內在聯系和邏輯關系，不斷更新并固化知識結構，二是結合學生個體式和小組互動式，可以讓學生互相選擇，成立小組，抵消畏難情緒；三是采用啟發式、互動式教學以問題為導向活躍學生的思維；四是根據知識和認知特點，分別采用不同的教學方法，如對于黏性等基本概念，多采用舉例教學，由學生身邊熟悉的自然現象進行切入，深入淺出，激發學生主動探索的興趣；對于伯努利原理等基本原理，多采用問題導向的啟發式教學，通過播放視頻、提出問題、啟發思考、加深理解，引導啟發學生利用已知探索未知，增強邏輯思維能力，培養學生學生發現、分析及解決問題的能力，使學生透過枯燥的數學物理公式頓悟流體力學的魅力，對于抽象的理論，可以結合歷史背景，講述理論形成的過程，與科學家前輩們一起探索提高工程素養。另外，課程思政融入課堂，強化育人功能，如帆船利用伯努利原理逆風而行，可以啟發學生乘風破浪，不畏艱難，通過國內典型工程案例介紹增強學生文化自信和民族自豪感，通過提煉流體力學理論演變過程中的思維方式培養學生哲學邏輯思維，通過挖掘國內外科學偉人的矢志報國情懷和探索精神培養學生的科學素養，將做人的基本道理、社會主義核心價值觀及實現民族復興的理想和責任融入教學，培養其正確的價值觀及職業責任感、使命感[5]。

四、基于持續跟進的課程考核和教學評價體系改革

OBE理念教學評價的關鍵是持續改進，即持續改進培養目標，讓它始終符合培養需求；持續改進培養要求，讓它始終符合培養目標；持續改進課程體系，讓它始終符合畢業要求。學校和專業建立的教育質量保障體系，要很好地體現這“三個改進、三個符合”，將建立宏觀而抽象的人才培養目標轉化為構建和優化為量化可行的教學目標，對教學全過程進行質量監控，最終形成完成度評價，注重以評促建，以評促改，通過反饋的信息進行改進教學環節，實現教育閉環。

為實現持續跟進的教育閉環，有效達成課程目標，我們可以建立如表2所示量化考核機制和評價體系。量化考核包括平時表現、實驗考核和期末考試，平時表現細分為課堂問卷、隨堂練習、課后作業、主題討論和搶答環節，實驗考核以實驗報告為主，期末考試采取開卷筆試形式，考核滿分為100分，每項考核施行百分制，根據各個環節所占比重進行累加，所得分值即為量化考核分。評價體系包括學生量化考核成績分析、學生評教、教師互評和專家督導。成績分析以報告形式呈現，依據成績的分布與標準差，分析考核方式對學生的區分度，分析成績分布的原因，研討自身授課方法、考核方式與學生課堂表現等因素，重點分析試卷效能，是否實現教學目標。學生評教和教師互評采用調查問卷形式，開展對課程目標完成度的調查分析，獲取同專業教師的評教結果。專家督導采用督導聽課和專家咨詢法，總結經驗教訓和改進教學模式。

表2 量化考核機制和評價體系

五、結束語

工程教育專業認證旨在提升專業建設水平，如何結合學科優勢發展專業特色，結合專業特色發展學科，使學生掌握流體力學的思維特點，理解流體力學的授課內容，是筆者一直探索的方向。本文基于工程教育專業認證理念，對土木工程專業流體力學課程教學模式進行了探討，根據流體力學的特點，結合土木工程專業特色，針對教學模式改革存在的關鍵問題，從OBE理念核心要素“產出導向-學生中心-持續跟進”出發，對課程體系、教學方法、量化考核和評價體系等方面進行探索，為土木工程專業認證相關課程大綱修訂及課程改革提供參考，進一步提升專業建設水平和人才培養質量。