基于OBE-CDIO理念的智慧水務領域課程混合式教學改革研究

劉 非 陳 袁紹春 劉 臻

1.重慶交通大學河海學院 重慶 400074;2.重慶交通大學環境水利工程重慶市工程實驗室 重慶 400074

新工科建設是國家為主動應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰,培養具有較強工程實踐能力的新興領域科技人才、布局未來戰略必爭領域人才培養、服務國家戰略和區域創新發展需求而提出[1-2]。

對傳統工科專業的課程教學進行改革研究有利于推動和落實新工科人才培養[3]。智慧水務是智慧城市理念在水務行業的延伸,是未來城市水務現代化發展的新目標,通過物聯網、云計算、移動互聯網等新興技術與水務信息系統的結合,全面感知和整合城市取、供、用、排水和水環境基礎信息,構建智慧水務云數據中心,提高水資源管理利用效率、加強水環境監督與保護、緩解城市內澇、促進城市生態環境可持續發展[4]。目前,我國智慧水務的發展還處于初期探索階段,成功的案例不多,亟須一大批具有工程實踐能力和創新思維的專業技術人才[5-6]。

由于智慧水務屬于土木、水利、環境、計算機等多學科交叉領域,相關課程理論涉及面較廣、技術更新迭代速度快,對實踐能力有較高要求,教師在教學過程中若只注重理論講解,而忽視了聯系實際和知識應用,學生容易感覺知識落不到實處、學習難度大,影響教學目標的達成和人才培養質量。傳統教學模式已較難適應新形勢下工程教育理念對高素質應用型人才的培養要求。因此,針對智慧水務領域相關課程的教學方法進行改革研究已迫在眉睫,對提升新工科背景下該領域人才培養質量、加快我國水務行業智慧化建設有積極意義和深遠影響。

工程類專業教育的核心理念OBE(Outcome-Based Education),即成果導向教育,倡導“學生為中心,成果為導向,持續改進”,已被廣泛認同并實踐于各領域人才培養中。CDIO(Conceive Design Implement Operate)理念,以任務驅動為載體,讓學生在實踐中升華對理論知識的理解,激發學習主動性,提升工程實踐能力[7]。

本文基于新工科背景下的人才培養,以智慧水務領域課程“城市雨洪模擬技術”為例,探索融入OBE-CDIO理念的教學改革實踐創新,在對現有課程教學問題分析的基礎上,詳細闡述了優化課程教學目標、創新混合式教學方案、設計以提升復雜工程問題解決能力為目標的實踐任務和優化調整課程評價機制,為提升智慧水務專業領域課程教學效果和人才培養質量提供借鑒。

1 課程教學問題分析

“城市雨洪模擬技術”在我校給排水科學與工程專業2018版人才培養方案中屬于專業基礎必修課程。通過本課程學習,使學生了解城市內澇成因,理解暴雨徑流模型原理,系統掌握模型模擬技術,能夠開展城市內澇模擬分析,具備從事智慧水務領域城市內澇風險評估和排水管網排水能力分析診斷工作。本課程注重理論知識的理解和實際工程應用,而現行的教學模式在適應新工科發展要求和培養學生創新實踐能力方面存在諸多不足,主要包括:

(1)教學目標在設計時,未充分體現培養學生解決復雜工程問題能力的工程教育理念和新工科建設要求。隨著計算機技術和數值求解技術的快速發展,雨洪模型集成的功能模塊和其背后的原理越來越復雜,而氣候變化和城市化的加速推進,使得雨洪災害的成因也越發多變,場景的概化和模型應用的難度變得更高,往往需要借助多種理論和工程經驗對問題背景進行分析,從而尋找解決方法和建立技術路徑,學生在面對實際工程問題時往往感到較為迷茫,甚至無從下手,極大降低了其學習動力。

(2)教學模式仍然按照傳統教學思維進行設計和實施,教師被置于教學活動的中心,學生為客體,不符合OBE工程教育理念?，F階段,教師在課堂上講授理論知識,結合學習通等線上平臺提供學習資源和發布課后測驗,較為注重對內澇原因和相關知識背景的剖析和對模型原理等理論的講解。學生普遍感受是處于被動學習中,尚未形成可有效激發學生熱情、讓學生成為學習主體并能主動求知探索的教學模式。

(3)課程任務難以發揮幫助學生跨越從理論知識學習到能解決復雜工程問題的作用。雖然在課程講授過程中和章節結束時都設置有測驗任務,但均為以考查知識點理解和掌握為主,且所涉及知識點和考查目標較為分散,注重對單一知識點的理解,缺少以實際工程為背景的實踐任務牽引,難以有效培養學生對知識的整合運用能力和對復雜工程問題的解決能力。

(4)評價考核方式單一。當前對學生學習效果的考查采用綜合平時成績和期末考試成績的方式,缺少對學習過程的評價,教師無法根據學生學習過程中的反饋調整和優化教學模式,進而不利于教師對學生學習效果和教學質量的持續改進。

由此可見,在教學模式上,該課程尚需借鑒OBE-CDIO理念,探索和構建適應新工科需求的教學目標設計、混合式教學模式、實踐環節內容和評價反饋機制。

2 基于OBE-CDIO理念的課程教學模式建設

2.1 基于OBE理念重構教學目標

合理制定教學目標是進行課程改革的重要前提,OBE教育理念強調以學生為中心、以產出為導向,按照新工科建設要求,并結合本校本專業最新人才培養方案和畢業要求,反向設計課程目標。“城市雨洪模擬技術”課程在2018版專業人才培養方案中支撐畢業要求指標點為設計開發解決方案、使用現代工具,是一門注重將理論轉化為實踐的專業基礎課程。因此,該課程的教學目標包含:

(1)課程教學目標一:深刻理解城市內澇成因及其在國民經濟社會中造成的危害,能夠結合給排水工程專業相關理論,對實際雨洪管控問題進行合理概化和初步分析。

(2)課程教學目標二:了解暴雨徑流模擬的重要性,對常見的雨洪模型軟件有基本認識;掌握SWMM(Storm Water Management Model)模型的原理。

(3)課程教學目標三:熟練掌握SWMM建模方法,具有數據處理、模型構建、參數分析和結果評價的能力。

(4)課程教學目標四:能夠針對實際雨洪災害工程問題進行數值實驗的方案設計,利用SWMM模型進行模擬分析,初步具有解決復雜工程問題的能力。

2.2 混合式教學模式建立

綜合考慮本門課程特點,建立線上線下相結合的教學模式,推動落實OBE工程教育理念,調動學生的學習熱情,激發學習潛能,讓學生成為課堂學習和知識傳遞的主體,提升其知識運用能力?；谏弦还澲兴⒌恼n程目標,該課程教學改革方案包括:

(1)完善線上學習資源。對教師而言,線上教學既有實施靈活、形式多樣等優點,也存在無法較好直接了解學生學習狀態的缺點,學生的學習積極性也需要教師提供豐富多樣的學習資源來激發和維持。同時,學生的學習效果需要別樣的考核評價方式。根據知識特點,對教學內容的線上線下部分進行合理分配,豐富線上學習資源,包括課件、微課視頻、在線測試習題等,并根據學生學習情況適時推送和互動落實。

(2)線上教學。作為對傳統線下教學的補充,教師課前在線上平臺發布即將講授的課程內容和與理論部分對應的測試習題,學生可根據自身學習情況,靈活選擇學習資源進行預習。課中或課后將微課視頻、延伸閱讀資料、測試習題等學習資源推送給學生,供其進行碎片化學習,進一步鞏固學習成果。教師通過線上教學平臺的數據統計功能、線上社交軟件等,與學生保持溝通,針對教學過程中和學生自主學習中遇到的各類問題予以解答,及時掌握學生學習情況,優化教學模式。

(3)線下教學。作為課程理論知識傳授的主戰場,教師設計互動性強、與線上教學資源形成交融互補的線下教學資源和教學方式。教師在課程講授中適時發布在線討論或測試題,組織學生對重點內容和習題的解題思路進行討論,加深學生對知識多層面和多角度的理解。引導推動實踐任務的順利開展,學生以分組協作的方式完成實踐任務,強化對知識的運用,提升解決復雜工程問題的能力。

2.3 基于CDIO理念的工程實踐能力培養

CDIO理念突出理論知識掌握與實踐能力培養相結合,依托具有實際工程背景的實踐任務,讓學生成為知識學習和解決問題的主體,在學與做的過程中理解和運用知識,逐步養成和提升工程師素養,加強團隊合作意識。為此,在CDIO理念指引下,以給排水專業及智慧水務分支中雨洪管控工程問題為背景,融入本校交通特色,設計以“基于多源信息的城市洪水中人車失穩風險模擬分析系統”為主題的實踐任務,旨在提升學生對復雜工程問題的認識和解決能力。任務實施階段如下(如圖1):

(1)構思:為提升學生的團隊合作意識,將學生分成若干小組,3～5人一組,每組任命一位組長。教師首先向學生明確實踐任務的內容和要求,對任務的背景和所涉及的本門課程知識點進行詳細說明,引導學生查閱城市洪水中人車失穩的相關文獻資料;然后應用雨洪管理理論對問題產生的原因進行分析,對解決問題的技術路徑進行梳理,對每一個技術環節涉及的知識點和步驟進行細化;最后學生利用雨洪模擬技術,構建模型模擬分析人車失穩風險并提出風險管控方案。

(2)設計:基于對問題的初步分析,對模型構建所需的數據資料等進行收集和整理,對涉及的關鍵參數的靈敏性和有效性進行驗證,設計出模擬計算場景和雨洪管控優化方案,并對方案的可行性進行探討和驗證。

(3)實施:利用雨洪模擬知識和計算機技術對降雨、地形、管道等多源信息進行處理,構建和運行SWMM模型,對管道溢流及其引發的洪水特征進行分析,探討和驗證模型的可靠性、參數設置的合理性。

(4)運作:根據人車類別及其相應的失穩判斷標準,對雨洪模擬結果進一步處理,分析計算失穩風險并做可視化,結合歷史洪水事件對所構思方案的合理性進行驗證。學生以小組為單位對實踐任務的完成過程和結果做報告,需明確每名組員的貢獻,組員按各自負責的內容匯報任務的場景設計、方案執行過程以及活動心得。教師組織同學對每組表現的亮點和不足進行點評與總結,訓練學生的批判性思維。

圖1 以CDIO理念為指導的基于多源信息的城市洪水中人車失穩風險模擬分析系統實踐任務

實踐任務以CDIO理念為指導,以實際工程問題為背景,按照構思、設計、實施、運作四個階段,逐步引導學生厘清問題的原因、解決的路徑、技術要點和最終方案的執行,完成從理論到實踐的跨越,激發學生學習熱情,形成自主學習、主動求知探索、團隊協作的良好氛圍,達到較好學習效果,實現教學目標的達成。教師需對任務實施過程的不同階段進行科學評價,從而有效指導學生對知識的靈活運用和形成科學研究思維,促進學生對復雜工程問題的認識水平和解決能力的提升。

3 基于過程的理論教學與實踐能力培養綜合評價

課程考核評價是教學活動的重要組成部分。傳統的考核方式以考試為主,缺少對學生學習過程的關注,此種模式下不少學生易形成“臨時抱佛腳”的學習心理,不利于對課程知識的牢固掌握和理解應用。顯然,恰當的課程考核方式,一方面能有助于間接推動和提升學生的學習效果,助力教師進一步掌握學生學習情況;另一方面對課程建設和教學活動的持續改進也能發揮借鑒和促進作用。

因此,改進課程考核方式,采用過程評價和期末考核并重的方式,二者各占總成績的一半。過程性考核成績由平時成績、實踐任務成績兩部分構成。其中,平時成績由課上互動、課后作業構成,實踐任務成績由任務完成過程中的階段性考核和最終報告進行綜合評價。

多樣化的課程考核方式不僅可以多角度、多層面考查學生對基本理論的掌握情況,也能較為客觀地反映出學生在面對實際工程問題時的知識運用能力。實踐任務及對應考核方式的設置能夠有效激發學生學習主動性和積極性,在整個學習過程中保持學習熱情和專注度,對良好教學效果的達成提供保證,有利于提升學生團隊協作和解決復雜工程問題的能力。

結語

為培養滿足新工科要求的智慧水務領域專業技術人才,以“城市雨洪模擬技術”課程為例,引入OBE理念重構課程教學目標,建立和完善線上線下混合式教學模式,設計以CDIO理念為指導、以提升學生對復雜工程問題的認識水平和解決能力為目標的課程實踐任務,調整采用多樣化的基于過程考核評價和期末考核并重的課程考核方式。實踐證明,可有效調動學生學習積極性和主動性,提高教學效果,提升學生團隊協作能力和復雜工程問題解決能力,為培養新工科背景下具有較強工程實踐能力的智慧水務領域高素質應用型人才提供了教學模式的創新示范。