基于布魯姆教育理論的船舶輔機混合式實驗教學

楊 杰，邢鵬飛，孫樹德，王生海

（大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連 116026）

0 引言

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。2016 年6 月，我國正式成為《華盛頓協議》的第18 個成員國，這意味著通過認證專業的畢業生學位會得到國際互認，同時也標志著我國高等教育走向了世界［1］。相比于傳統教育，工程教育專業認證的核心是確認工科專業畢業生達到行業認可的既定質量標準要求，即以培養目標和畢業出口要求為導向的合格性評價。這種理念聚焦學生的學習成果和能力獲得，以學生為本，把學生作為知識和能力的構建者，極盡資源搭建階梯，創設成功環境，并注重學生的階段性成果，輔以監督引導，促使其學習質量及成果呈階梯上升態勢［2］。

航海類本科作為極具特色的工科專業，具有知識量大、涉及面廣等特點，且實踐性強、難度高［3］。因此，需要加快改革創新，以培養滿足世界范圍內工程教育專業認證的高素質、復合型、應用型航海人才。“船舶輔機”是輪機工程專業的一門主干課程［4-6］，該課程的實驗教學中涉及很多大型或綜合訓練項目。為了提高學生的學習效率和實驗項目的安全性，虛擬現實技術被引入到課程實驗教學中，并將虛擬仿真實驗與實驗室實體實驗相結合，形成開展虛擬仿真實驗教學應用的線上線下混合式教學新模式［7］。但是現階段虛擬現實技術對于實驗教學效果的提升主要是依賴于技術本身所營造的沉浸體驗，缺乏對實驗教學過程和實驗教學模式進一步優化的具體指導。

本文針對“船舶輔機”課程中的實踐教學環節，以“液壓起貨機的操作與管理”為例，應用布魯姆教育目標分類理論構建實驗教學的課程內容，根據虛擬場景和實物設備在教學活動中的優勢部署教學活動，結合傳統的實驗考核方法與動態變化的實操題目定量評價學生的知識掌握能力。此外，學生的安全責任意識和工程價值觀也都融入到實踐教學中，以滿足當前工程教育專業認證的需要。

1 布魯姆教育理論內涵

布魯姆教育理論的內涵主要是指布魯姆教育目標分類學理論以及其在教學設計中的一般實施過程。

1.1 教育目標分類學理論的相關內容

布魯姆教育理論是20 世紀50 年代美國著名的心理學家、教育家本杰明·布魯姆為了美國社會未來科學家的培養，擺脫美國學校主要測試學生記憶力的局面，提高學生的思考理解能力而提出的，并以其名字進行命名。該理論是現代教育史上研究教育目標分類的里程碑，提出了一套系統的可供觀察和測量的分類系統，為課程教學的設計、開發、管理、實施與評價提供了科學的依據［8-9］，并且經受了時間和實踐的檢驗，被國際教育界所采用和研究，對學校教學和測試的發展產生了重大影響。

在布魯姆研究的基礎上，Krathwohl 等對布魯姆教育目標分類學理論進行了深入的分析和反思，并建立了新目標。此后，布魯姆教育理論將認知領域教育目標分為兩個維度，即知識維度和認知過程維度［10］。知識維度重點是將不同類型的知識進行分類，包括事實性知識、概念性知識、程序性知識和元認知知識，用以幫助教師在教學過程中區分知識的類型，認知過程維度則是重點區分對所教授知識起作用的智力操作，主要幫助教師明確促進學生掌握和應用知識的程度歷程，從學習行為的難易程度從低到高依次為記憶、理解、應用、分析、評價和創造。布魯姆教育理論認知領域教育目標分類如圖1 所示。

圖1 布魯姆教學理論教學系統架構

1.2 教育目標分類學理論的實施過程

布魯姆教育目標分類理論已在航海類專業的理論和實踐課程中取得了較好的應用效果，并能夠與其他教學方法完美的融合。王浩亮等［11］根據航海類專業及其課程特點，提出融合MOOC 和布魯姆教育理論的教學模式，并將其應用于航海類專業課程“船舶電氣設備及系統”中，通過調查問卷、課程成績對照分析及專家評價證明該教學模式顯著提高了教學質量。孫樹德等［12］結合布魯姆教育目標分類理論探討了航海類本科“動力設備拆裝”實踐課程中齒輪泵拆裝教學內容的構建過程，并對應用效果進行了實證評價。另外，在非航海類課程的教學中，劉宇［13］將翻轉課堂教學模式與布魯姆的教學目標分類相結合，實現了法學教育中學生高階思維能力的鍛造。

通過對上述文獻中教學內容的構建過程進行總結，可以得出布魯姆教育目標分類學理論在教學設計中的一般實施過程。首先，分析教學目標及教學目標所包含的知識點，提煉出教學目標中的動詞和名詞，形成動賓短語，并與知識維度和認知過程維度中各類別建立關系；然后，根據教學目標制定教學活動，且每個教學目標可對應一項或多項教學活動，但每項教學活動只能針對某一教學目標開展；最后，對學生在各項教學活動中的學習情況和學習效果進行評價，形成教學活動過程的閉環以及持續改進。需要指出，在整個教學設計的過程中，一定要確保教學目標、教學活動和教學評價三者的一致性，如圖2 所示。否則，將無法保證教學過程的監督和檢查，以及為教學的持續改進提供可量化的指標。

2 布魯姆教育理論的混合式實驗教學設計

應用布魯姆教育目標分類理念將“液壓起貨機的操作與管理”實踐環節的教學目標從知識維度和認知維度重新分類并進行標準化的表述，結合線上虛擬系統和線下實物設備設計教學活動和教學評價，從而形成基于布魯姆教育理論的混合式實驗教學。

2.1 教學目標的確立

“液壓起貨機的操作與管理”是輪機工程專業課程中的重要實踐環節，培養學生使用、管理和維護船舶液壓起貨機的能力。在教學大綱中，該實踐環節的教學目標為能力目標，要求學生掌握液壓起貨機的工作原理、結構特點，并具備日常維護管理能力。為了更好地滿足工程教育專業認證的要求，將上述能力目標進一步細化，分解為若干知識目標和能力目標，同時還需要增設價值目標。因此，根據布魯姆教育理論中教育目標的標準表述方法，“液壓起貨機的操作與管理”教學目標的具體內容如下：

價值目標1培養安全操作意識；

價值目標2分析起貨機維護管理對航運發展的影響；

知識目標3掌握起貨機液壓系統工作原理；

知識目標4認識液壓起貨機結構組成；

能力目標5正確實施液壓起貨機的起停操作和日常維護管理；

能力目標6正確執行起貨機參數調整和應急操作。

教學目標1、3 中的“培養”和“掌握”屬于認知維度中“理解”的類別；“安全操作意識”主要是指個人防護用品的穿戴、安全檢查事項以及應急逃生的步驟等，對應知識維度中的程序性知識。因此，教學目標1 是使學生理解程序性知識；教學目標2 是使學生分析元認知知識；教學目標3 和4 是使學生理解概念性知識；教學目標5 和6 是使學生分析程序性知識。

2.2 教學活動的部署

船舶起貨機虛擬仿真實驗教學系統采用B/S 架構，通過WEBGL技術實現局域網和廣域網下的系統訪問功能，保證學生可以隨時隨地通過手機、平板或PC電腦在瀏覽器環境下登錄系統進行學習。該系統又可進一步分為學生端系統和教師端系統。學生端系統的界面如圖3 所示，主要包含參數及原理介紹、視頻教學、操作訓練以及考試評估等功能。其中，“參數及原理介紹”是以圖文的型式對起貨機技術參數、液壓系統及工作原理進行說明；“視頻教學”提供教學視頻播放列表，可播放起貨機操作的相關教學視頻；“操作訓練”是將教師在后臺發布的訓練數據下載到學生端，并在自動配置相關數據后引導學生開展有目的的操作訓練；“考試評估”則根據教師端系統在后臺發布的考試信息動態更新題目，并對學員的仿真操作進行評分。

圖3 學生端仿真教學系統的相關功能界面

為確保各教學目標能夠達成，根據虛擬仿真與實物設備在教學應用中分別所具備的優勢，開展如下的教學活動：

教學活動1閱讀相關的圖文資料，自主開展船舶起貨機液壓系統組成和工作原理的學習；

教學活動2在仿真訓練界面中進行三維漫游，通過虛擬場景觀察實船的起貨機系統；

教學活動3在教學視頻的播放列表中選擇相應的視頻，觀看起貨機啟停和日常管理的規范操作；

教學活動4講解起貨機操作中的潛在危險以及啟動之前的安全檢查事項，并現場演示個人防護用品的穿戴方法、步驟及注意事項，并給出具體評判標準；

教學活動5介紹液壓起貨機在實船應用和發展的歷程，要求學生對船舶起貨機的新技術進行文獻調研，并在實驗報告中闡述起貨機的維護管理對船舶營運以及航運發展的影響；

教學活動6講解和演示船舶起貨機的啟動準備、啟動操作和停用操作的詳細過程以及起貨機運行中維護管理的知識要點；

教學活動7結合實際應用中的不同工況講解參數調整的方法，同時指導學生正確的開展起貨機設備故障之后的應急操作。

在上述教學活動中，教學活動1 對應教學目標3，教學活動2 對應教學目標4，教學活動3 和教學活動6對應教學目標5，教學活動4 對應教學目標1，教學活動5 對應教學目標2，教學活動7 對應教學目標6，且教學活動的部署情況如圖4 所示。

圖4 教學活動的部署情況

2.3 教學評價的方法

為了有效地評判學生的實操技能，船舶起貨機虛擬仿真實驗教學系統的教師端界面中設置了試題編輯功能，且在該界面中可以對試題庫中的每一道試題進行編輯或者在線出題。每道題目由若干個評分項組成，每個評分項分別對應一個評分變量且通過增減評分變量或是改變評分變量的評分規則就可以實現對題目的快速編輯和修改［14］。因此，相比傳統的仿真教學系統［15］，采用動態變化的實操題目來考核學生的知識掌握能力，所得到的評判結果更加準確、可靠。

結合船舶起貨機虛擬仿真實驗教學系統的考試評估功能，進行如下的教學評價，且具體的評價方案如表1 所示。

表1 液壓起貨機操作管理實驗評價方案

教學評價1檢查學生的個人防護用品使用情況，現場糾正并記錄在考核表中；

教學評價2隨機抽查學生，提問教學目標3、4中的相關知識，口述答案，并記錄在考核表中；

教學評價3根據各組學生的操作演示情況，檢查啟停操作和維護管理是否正確，并記錄在考核表中；

教學評價4批閱實驗報告，關注格式規范性、內容邏輯性、字跡工整性等內容，并記錄在考核表中；

教學評價5登錄線上虛擬仿真實驗教學系統，查看實操題目的作答情況，并記錄在考核表中。

3 教學改革效果

通過對“液壓起貨機的操作與管理”實踐環節的教學改革，參與教學調研的2019 級輪機管理專業學生普遍認為教學內容更加豐富，教學方法更加靈活，自身的安全防護意識與技能得到顯著提高，并在實踐學習中樹立了正確的價值觀念。通過統計數據了解到，課外線上階段的學習率達到100%；課內線下階段的教學進度較改革前提前約15 min，學習效率明顯提升；實驗報告撰寫較以往更加規范和條理，對問題展開了更深入的分析。由此可見，此次混合式實驗教學的改革迎合了工程教育專業認證對人才培養的要求，取得了良好的教學效果。

4 結語

隨著信息技術與實驗教育教學的不斷深入融合，虛擬現實技術已逐漸成為高等學校實驗課程建設與完善的必要手段。同時，在工程教育專業認證的背景下，通過對實驗教學過程和實驗教學模式的進一步優化來提高實踐教學效果十分必要。本文針對航海類專業實踐性強的特點，以“液壓起貨機的操作與管理”實踐環節為例，應用布魯姆教育目標分類理念重新構建了課程內容，結合虛擬系統和實物設備設計教學活動和教學評價。教學改革得到了廣泛的認可，并在提升學生實踐能力的同時，培養了安全責任意識和樹立了正確的工程價值觀，從而為航海類專業實驗教學的改革與創新積累了寶貴的經驗。