基于產出導向和PBL策略的“工程流體力學”創新案例

張曉艷

（山西大學 電力與建筑學院，山西 太原 030031）

引言

隨著經濟社會的快速發展，在教育部科技部提出“四新”建設，新時代對新工科的理解和新工科的新體現，同時現代教學探索“數字化”這個大背景下，社會對大學生教育提出了更高的要求，21世紀的人才不僅要有扎實的專業知識，還應該具備豐富的人文和社會科學知識，以及良好的人際溝通能力和崇高的職業道德，傳統的以單純傳授知識為特點的教育模式已不足以滿足新時代對大學生的畢業要求［1-2］。

產出導向OBE（Outcome-Based Education）起源于20 世紀90 年代，提倡以學生為中心，學習成果為導向，是工程教育專業認證的核心理論，認證所強調的成果導向，面向產出，持續改進都是以學生為中心，以適應第四次工業革命對人才培養的新要求，所有的教學過程中都以學生為中心，提升教學質量，確保所有的學生獲得良好的教學體驗［2-3］。

問題導向PBL（problem based learning）教學法是美國神經學病學BARROWS教授在加拿大的麥克馬斯特首創，其主旨是以問題為基礎，以學生為主體，以小組討論為形式，在輔導老師的參與下，圍繞某一專題或具體案例等進行研究的學習過程。文章基于學情分析，在教學過程中設計合理的問題導向方式、個性化的教學方案，并引入實際工程中的新技術和新成果，研究設計多元化多層次的教學案例，設計多維度課后作業；利用現代化教學工具和手段，充分發揮線上線下混合式教學優勢，激發青年大學生的學習熱情，強調學習的目的性、能動性和高階性［3-4］。

一、教學現狀分析

目前我校能源動力類專業開設的“工程流體力學”課程的教學現狀主要存在以下問題。

傳統的流體力學課堂中，教師的教學大多比較套路化，按照“基本概念-基本微分方程-基本方程-基本方程的應用”的形式講解，這種教學方式比較單一，學生易產生乏味情緒。基于OBE理念，新工科教學首先提出的改革就是進行教學創新設計，以激發學生學習激情。

由于流體力學理論性較強，對學生前期掌握的高等數學和理論力學知識要求較高，教師總是擔心學生理論基礎薄弱，理解不了，學不會。一直以來傳統的課堂教學模式基本上是教師唱“獨角戲”，是“填鴨式”的“滿堂灌”。殊不知這種模式，增加了學生能動性發揮的難度，致使學生上課經常跟不上教師節奏，思維不積極。長此以往，學生便失去了學習興趣，變成平時忙于應付作業，期末急于考試，學習效果無法得到保證。基于OBE理念，新工科教學對學生的課堂參與度、同學合作度和思辨精神都提出了新的要求，教學模式改革應給學生提供自主學習的自由度和質疑討論的平臺。

一方面由于理論教學課時縮減，另一方面“工程流體力學”課程的教學內容量較大，所以學校教學太過偏重于理論教學，實踐性特別是貼近專業工程實際的專注于問題解決方面的內容太少。新工科的要求更加注重對學生分析和解決問題能力的培養，所以課程內容的更新和設計更應關聯學生所學專業，讓學生意識到學以致用的目標。

近年來，本校能動專業學生“工程流體力學”課程的考核方式一直采用“出勤+課后作業+期末考試”的模式，其中期末考試占比70%，課后作業占比20%，出勤占比10%。雖然這種考核方式加重了平時成績的占比，但此方式依然不能避免平時抄作業、期末突擊的學習模式，學生的產出效果不理想。面向新工科時代的產出導向目標，傳統的“作業+考試”考核方式無法滿足要求。

傳統的教學評價都是在教學系統中的評教和評學，無法及時反映學生真實的想法，教師無法及時關注學生的學習情況。由于存在時間差，學生的真實反映和教師的及時響應都無法實現，更無法根據教學過程的需求及時改進教學質量。就這樣年復一年，教務系統的評價流于表面，起不到積極的作用。新工科的建設，要求給出多元化的有效的及時的評價，需要師生互評，生生互評。

二、教學設計

基于以上學情分析，筆者緊扣新工科背景，面向教育數字化轉型，基于OBE理念，應用PBL策略，以“工程流體力學”的靜力學模塊中平面壁上總壓力為例，從優化課程內容，改進教學模式，全過程教學評價等方面進行教學創新設計。

（一）確定課程目標

OBE理念下工程認證要求培養學生的知識目標、能力目標和思政目標，所以本課程的設計都是基于這三層目標進行設計的［5］。

本節的知識目標為學生學會平面壁上總壓力計算的兩種方法，包括合力大小和作用點兩方面的內容；能力目標為能夠根據所學內容，選用正確和簡捷方法計算能源動力領域和工程實際中涉及的氣體和液體對平面上總壓力的值，并確定總壓力的作用點位置，培養學生分析問題和解決實際問題的能力；思政目標為了解鍋爐和汽輪機體型的設計來源于對壁面上承受壓力的確定，圓柱體體型受力特性較棱柱體體型優越，可以避免高壓對棱角的不良影響，培養學生的精準求新、節能增效、大國工匠精神。

（二）教學環節的設計過程

見圖1。

圖1 教學環節設計流程圖

（三）基于PBL策略的教學活動和線上線下混合式教學模式

本課程開始之前，在長江雨課堂課程群中建立了小組，每小組7～9人。以下所有的教學活動均是以小組名義和形式完成的。

課前，通過長江雨課堂平臺，給學生發出設問問題，通過學校導入的幕課資源和教師提供的PPT課件，以及提示學生利用B站上的流體力學資源，提出問題和要完成的主要學習內容，包括平面壁上總壓力的計算方法和類型，適用條件，以及作用點的計算方法。

課中，針對課前布置的任務，要求每組派一名成員講解學習到的內容。具體操作是，第一組先講，后面講的組不斷更新和完善前面組員的匯報，最后由教師總結和完善課程大綱對本節要求學習的全部內容。當基礎知識的學習環節完成后，進入小組對抗階段的學習。教師收集與班級組數相同的實例數，要求學生按一定的時間完成，教師通過長江雨課堂發出題目，小組完成作答后，通過長江雨課堂展示結果，各小組之間相互評分，最后教師做出點評。

課后，除了完成一定的任務和作業外，主要是針對本節課的學習內容提出疑問的討論，并對學習過程和教師的總結做出評價，根據評價結果，教師對下一次章節的學習及時做出改進措施。

（四）課后作業的多維化設計

為了鞏固知識和豐富課后學習內容，設計了多維度學習任務（簡稱“四個一”），即一次定時習題，一次課后作業，一次思維導圖，一次評價任務。一次定時習題，是課程組根據本專業特點開發試題庫和案例庫，在每一章的學習任務完成后，學生需打卡完成一次定時定量的客觀題練習，題量一般控制在15道小題，完成時間控制在10分鐘內，題型包括單選、多選和判斷題。一次課后作業，就是訓練學生必要的計算能力，主要選用教材自帶習題和案例庫習題。這種方法是傳統方法的保留，選用的是反應新技術和新成果的案例。一次思維導圖，是在學完一個模塊后，要求學生對于課程內容進行思維導圖的繪制。鑒于當前學生對于課程知識系統性的缺乏和本專業大學生不注重知識管理的現狀，通過思維導圖的訓練，提高學生對知識的系統性重視程度，培養學生系統學習知識的能力以及改善大學生容易遺忘的不良習慣，有效避免對前面學習知識一問三不知的尷尬。一次評價任務，主要是學生在完成對課堂、教師和小組評價任務的過程中，考查對本節教學內容是否掌握，及時對課程內容進行查缺補漏，同時幫助教師更好地設計下一次課程的內容和及時改進教學模式。

（五）全過程考核評價

“工程流體力學”課程中理論公式難理解，經驗公式太復雜，非常不便于學生記憶。過去的閉卷考試，最大的弊端就是單純要求學生死記硬背公式，做做簡單抽象的計算題目，學生無法發揮學習的能動機和積極性，期末考試也不能完全真實體現學生的學習成果。為了秉承“以人為本”的教育理念，客觀公正評價學生的學習成果，緊緊圍繞知識、能力和思政三層目標的達成度，有效利用線上線下豐富資源，實施了全過程考核評價制度，加大了平時成績的占比，采用開卷、閉卷相結合的期末考試方式。課程總成績為百分制，平時成績占40%，其中線下考核占20%，線上占20%，期末考試占60%。期末考試試卷總分100分，有開卷內容和閉卷內容。具體的做法是基本概念、基本原理和基本的計算方法采用閉卷方法考核，對于應用圖表和經驗公式計算考核能力的內容采用開卷方法考核，考核評價細則見圖2。

圖2 全過程考核評價細則

三、教學效果

為了說明采用筆者提出的全情景線上線下混合式教學模式創新后的產出效果，對比了能源動力1901班和1801班兩個自然班的學習情況。其中，1901班的教學采用了創新方式，1801班是傳統教學模式授課。

采用創新授課方式試點班的同學，優秀率明顯高于普通班同學，不及格率明顯低于普通班，創新試點班平均成績77.5分也遠高于普通授課班平均成績69.5分。試點班的評教成績為99.8分，學生在評語中提到，采用了新的教學方式授課，課堂不再打瞌睡，工程案例的引入和課堂熱烈的討論，讓抽象的理論課變得不再枯燥，線上線下混合式教學讓學生自由學習，發揮了學生的能動性和積極性。這些都說明了采用新的教學方式授課激發了學生的學習積極性，真正體現了以產出為導向、以學生為中心的教育理念，學生對這種教學方式認可度較高。

結語

綜上所述，在新工科建設和教育數字化轉型背景下，各高校工科專業都在致力于工程教育的專業認證，專業認證的理論基礎就是基于產出的成果導向。文章基于OBE理論采用PBL策略，在“工程流體力學”教學過程中采用線上線下混合式教學模式，整個教學設計過程始終堅持“學生為中心”的思想，結合專業實際應用，堅持“產出導向”的思路，培養了學生分析問題、解決問題的能力。師生互動、生生互動，提高了學生的交流能力。在案例教學中引入思政內容，培養了學生的家國情懷和大國工匠精神。