基于OBE理念的水力学“两模块、三方程、四应用”模式设计研究与实践
时间：2023-06-22 13:00:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
高彦婷，张 芮，张彦洪，王玉才
(甘肃农业大学 水利水电工程学院,甘肃 兰州 730070)
工程教育认证核心OBE(Outcome based-Education)是一种强调顶峰成果与反向设计理念的教育模式[1]。自2016年中国正式加入《华盛顿协议》成员国以来，“学生中心、成果导向、持续改进”的理念伴随着中国工程专业认证的发展成为影响高校发展与改革的重要理念[2-3]，探索构建“以培养目标为导向，以课程体系为支撑，以毕业要求为目标的达成度评价体系”成为当今高校落实工程教育认证的主流方向[4-5]。与此同时，信息技术与现代教学相融合的飞速发展，给高等教育的生态环境带来了革命性变革：教育系统各要素领域被拓展，课堂教学时空边界被打破，教师教学能力被赋予新的内涵，教学资源建设被提出新的要求[6]。教育部在《面向21世纪教育振兴行动计划》中强调：“利用信息技术推进教育发展，大力提高教育技术手段的现代化水平和教育信息化程度。”[7]，线上线下混合联动教学模式已然成为高等学校教育发展的大趋势[8]。
水力学是水利类相关专业必修的专业基础课，主要研究以水为代表的液体在宏观机械运动状态下的力学规律及其在工程实践中的应用，通过水力计算，为水利工程及其他涉水工程的规划、设计、施工和管理提供服务。课程理论性强，内容由静态到动态，由受力分析到能量转化，涉及知识面广，概念抽象易混淆，公式推导多且计算问题复杂[9]。随着课时量的压缩，教与学均面临巨大挑战。传统教学以理论讲解为主，虽也辅以多媒体PPT外加部分动画演示，但仍偏重理论，难以激发学生学习兴趣；
实验多为验证性和演示型，缺乏创新，不能调动学生的积极性和主观能动性；
课程考核过于侧重教材内容的考察，不利于学生动手能力和解决实际问题能力的培养，难以满足工程教育专业认证对课程支撑的要求。针对“水力学”课程现状及存在问题，基于OBE教育理念，采用闭环设计模式，利用信息现代化技术手段构建线上线下联动教学新型课堂模式，以期调动学生的积极性和主动性，提高课堂教学质量，促进“水力学”课程教学改革的发展和进步。
传统工程教育的“正向”设计思路为：课程体系→毕业要求→培养目标→需求(内部和外部)。该模式下“需求”是教育的结果而非目标，所以一般只能满足内部需求，对于国家、社会和用人单位等外部需求只是被动“适应”，而难以达到主动“满足”。OBE成果导向的工程教育是反向设计(需求决定培养目标，培养目标决定毕业要求，毕业要求决定课程体系)、正向实施[10]，此时，“需求”既是起点又是终点，有效地保证了教育目标与其结果的高度一致性。笔者依据“培养目标以需求为导向，毕业要求以培养目标为导向，课程体系和教学以毕业要求为导向，资源配置以支撑毕业要求和培养目标的达成为导向”的反向设计思路，进行“水力学”线上线下联动教学课程建设设计。
1.1 明确课程教学目标
认真研习一流农业院校农业水利工程专业的办学模式，多方学习已通过认证的农业水利工程专业的办学经验，结合甘肃农业大学该专业的现状及其特色，通过走访调研各级水利相关用人单位，统计分析毕业校友问卷调查结果，综合考虑同行专家及行业的反馈信息，在甘肃农业大学2020年确定该专业“复合型高级工程技术专业人才”培养目标及课程体系的基础上，优化了“水力学”教学大纲，将“水力学”课程教学目标设定为旨在夯实农业水利工程中水流力学知识的理论基础及其应用能力。通过课程的学习学生必须掌握水力学基本概念、基本理论及其基本技能，构建完整的水力学知识结构体系；
能在农业水利工程规划、设计阶段建立并优选力学分析计算模型；
能够应用水力学基本原理及方法对各力学模型及实际工程问题进行不同方案的求解计算，比选并确定出最佳解决方案；
掌握水流运动要素的实验量测技能，具备观察水流现象，分析、处理实验数据和编写实验报告的能力，并能将实验结果与理论或模型进行比较，确定有效参数。通过该门课程的学习，能够为后续专业课程的学习、毕业设计乃至毕业后从事相关工作奠定扎实的理论基础。
1.2 整合课程教学内容
图1 水力学课程内容“两模块、三方程、四应用”框架结构图
“水力学”课程内容按其特性分为基础理论(基础水力学)和理论的应用(工程水力学)两部分，12章，共计56学时(理论48，实验8)。以学生能力培养为目标，将课程内容做了如下整合：(1)避免与后续专业课程内容重复，弱化渗流和有压管流中非恒定流相关内容，删除较陈旧的内容(如“流网”)，强化“水静力学”“水动力学”及“水流阻力和水头损失”等基础理论部分教学，为后续工程应用的学习夯实基础。(2)精简水跃、临界水深等繁琐公式的推导，侧重公式应用及求解思路的讲解。(3)减少验证性实验学时，增加综合性、设计性实验在实践课时中的比例。(4)打破“水力学”传统的章节结构，将教学内容梳理为208个知识点。在厘清各知识点间逻辑关系及难易程度的基础上，将知识点分为适宜教师讲授类、学生自学类。对适宜学生自学类知识点安排为线上自学，并借助思维导图对讲解类知识点的衔接进行顶层设计和重构，通过线下线上联动讲授完成教学。(5)便于学生课程知识框架及知识点的梳理，构建“水力学”教学内容“两模块、三方程、四应用”框架结构(图1)，将知识点模块化，为实现线上线下联动教学奠定基础。
讲述基本原理的模块Ⅰ(基础水力学)是本课程的基础，也是模块Ⅱ(工程水力学)学习及应用的保障[11]。其中水静力学是水动力学的基础，水动力学中“三方程”是本课程核心内容的重中之重，水力学分析计算最终均归结于基本方程的应用；
模块Ⅱ中水流流动形态千变，边界迥异，但流动(四应用)均遵循基本原理(三方程)，只要厘清流动特点及边界条件，问题便迎刃而解[12]。线上线下联动教学模式中，对于理论性较强的内容(如“三方程”)采用以线下讲授为主、线上自学辅助的方式，旨在夯实基础；
实践性较强的内容(如“四应用”)及实验环节，知识输入面广，又需较强的动手能力，采用线上导学与线下实践教学相结合的方式进行；
对于内容简单、知识点杂的内容，采用以线上教学为主的方式，通过自主开放式学习，查阅相关资料，拓展知识深度和广度，并结合线下讨论，提高学生思辨能力。
1.3 充实线上教学资源，动态调整线下教学重心
“水力学”线上教学依托“甘肃农业大学在线教育综合平台”来实现。联动教学的核心在于通过发挥教师引导、启发、监控教学过程的主导作用，激发学生作为学习过程主体的主动性、创造性。因此，线上线下联动教学需注重“学生自学、问题反馈，教师引导、答疑解惑”互动功能模块的设计。
水力学线上教学资源包括五大模块：课程基本信息(课程介绍、教学大纲、教师信息、教学日历、考核办法、学习方法指导)、单元学习(知识点导学、ppt课件、教学视频、知识点测试、课后作业、单元测试、答疑讨论区)、实验(实验指导、实验视频)、进阶挑战(在线学习资源、经典案例分析、课后习题指导、典型例题参考)、优秀作业展区。
线上教学主要通过单元学习模块来实现。导学介绍每堂课要学习的知识点、重难点及学习要求，使学生清楚每个知识点应达到的学习标准。教学内容以上传的ppt课件或pdf文档以及针对每节课程关键知识点录制的微视频或网络优秀视频为主。课前学生通过这三部分资源自主预习，并就讨论区话题参与讨论或依据要求在讨论区内发表评论。鼓励学生用笔记的方式帮助记忆并标记理解困难的知识点上传平台，通过知识点测试检验自学效果。教师及时对在线预习效果反馈数据进行分析，确保线下课堂互动有的放矢，精准施教。课后以线上提交作业和单元测试的形式阶段性的巩固学习内容，检验课堂效果。根据OBE“持续改进”的要求，线上、线下均为动态模式，线上资源更新主要为下轮教学做准备，线下教学重心针对线上反馈问题及时调整，这就要求教师提前做好线下课堂教学的多种预案并及时分析线上学习数据，将持续改进融入即时的教学过程，而不局限于一轮完整教学过程结束的反思之后。
实验模块主要提供基本实验操作视频及注意事项以及实验模拟平台链接，为学生开展创新设计性实验做铺垫。进阶挑战模块为学生提供大量案例分析及例题计算等辅助学习资源，包括上传的文本资料和互联网相关视频资料，配以游戏进阶模式的测试，激发学习兴趣的同时拓展其知识面，有助于学生应用理论解决实际工程问题能力的培养。优秀作业展区用以展示优秀笔记、作业、设计、案例分析等，鼓励学生积极主动参与到课程学习中。多模块设置避免了因线上教学环境和形式单一而造成的学生厌学，旨在引导学生建立自主学习拓展知识广度及深度的成就感，挖掘其主动学习的潜在助推力。
1.4 优选教学方法，精心设计教学过程
线下课堂教学中，对于纯公式推导(如欧拉平衡微分方程)适宜传统板书教学。学生跟随教师思路，逐步理解形成思考及记忆过程，有助于学生逻辑推理能力的提高。但这种“老师+黑板”的沉闷型教学形式持续时间最好不要超过学生注意力集中的平均时间，且需要较为活跃的氛围来衔接。笔者选择“板书+讨论”的模式，推导方程后分析得到“质量力和等压面正交”的结论，即可引入实例1：置于静止小车中的一杯水(绝对平衡状态)等压面是什么样的？学生以小组形式展开讨论并选代表上台讲解，随即引入实例2：该小车匀加速直线运动时杯中水(相对平衡状态)的等压面又是什么样的？将书面问题“生活化”，引导学生主动去思考，变被动接收为主动探索、变填鸭式课堂为互动型课堂。
针对抽象的概念，如均匀流与恒定流，恒定/非恒定流中流线、迹线的概念及区别等,选择“板书+多媒体动画及实际水流流动演示”,通过立体感较强的音频、视频或真实水流流动等感官刺激来加深学生对文字描述的理解。对于较难理解又涉及公式推导的基本概念,如静水压强及其分布规律、作用于平面/曲面上的静水总压力等，选择“板书+多媒体+实验”的方式，先传统板书进行公式推导,后借助多媒体辅以实际案例(结合平板闸门、挡水坝面的设计讲解静水压强及其分布规律，通过弧形闸门的受力分析讲解作用于曲面上的静水总压力)解释概念的内涵及其外延,示范公式应用及求解过程，安排学生理论课后提交线上作业。在对公式有一定思考认识的基础上及时开展实践教学,通过实验设计、操作及报告编写等环节,巩固对概念的理解，锻炼其理论联系实际、应用专业知识分析解决实际问题的能力，这对于实现本专业培养目标、契合毕业要求均具有重要的现实意义。
同时，充分发挥水利学科的思政优势，将思政融入教学全过程。我国不乏具有历史代表性的水利工程，诸如设计科学、建造精巧的古运河灵渠，世界最长、年代最久、造就富庶“天府之国”的无坝引水工程都江堰等；
拥有当代世界性宏伟的水利工程，诸如世界最大的三峡水利枢纽，建成后将重构我国水资源新格局的南水北调工程等。通过线上影像视频资源分享、小组讨论、问卷调查等各种活动增强学生的文化自信心和自豪感。线下课堂将实际水利工程中涉及的水利科学前沿领域的内容整合成恰当的教学知识点，激发学生水力学课程学习兴趣的同时，进行专业荣誉感和职业使命感教育，强化民族精神和爱国主义教育，引导学生正确世界观、人生观和价值观的形成，使学生在掌握专业知识的同时，全面提高思想道德素养。
1.5 “两维度三环节多元化”课程考核模式及“四位一体”课程目标达成评价体系
为切实发挥“指挥棒”的作用，构建“两维度(线上+线下)三环节(过程性考核+期末考试+实验)多元化”的课程考核模式。即：“水力学”课程考核成绩由过程性考核环节(50%)、期末考试环节(40%)、实验环节(10%)组成。过程性考核成绩由考勤、课堂讨论、课后作业、课程笔记、在线学习时长、在线测试、单元测试、中期测试等多元化方式体现。其中中期测试以小论文、制作小的水力或水工模型、设计改良实验装置等创新活动进行考核；
实验环节成绩包括实验方案设计、实验操作、实验报告撰写等多项成绩。该模式既注重学生参与度和动手操作能力的考察，又重视学生思考、实践、创新能力和学习态度的评价，考核结果科学地反映了教学过程的有效性和合理性，而教学效果是否达到课程教学目标需要则由课程目标达成情况(课程综合评价)来评价。
基于OBE“产出导向、持续改进”的原则，从“人才培养目标—毕业要求—课程目标”之间的顶层关系设计入手，构建课程目标教学督导评价、教师自我评价、学生评价和考核成绩评价的“四位一体”评价体系。通过开展校、院、系同行专家及一线任课教师访谈咨询，在校学生和毕业生问卷调查等活动，综合确定了各评价主体评价值的权重系数，得出“水力学”课程综合评价=课程考核成绩评价×50%+教学督导评价×10%+学生评价×20%+教师自评×20%。依据课程目标评价结果，反向诊断教学组织过程和考核环节中存在的不足，对症下药，实现了不断提升和持续改进的目标。
“四位一体”评价体系中，课程综合评价的阈值设定为0.7，当实际评价值大于0.7时，达成度满足要求。“水力学”课程目标达成评价按行政班级分别计算，平行班级中取最小值作为最终评价值。近两年来“水力学”课程达成度评价结果见表1。可以看出，考核成绩17级农水1班在教学目标1和3上分别为69.0%、68.4%，2班在教学目标2上仅为59.5%，均低于阈值，预期目标未达成。追踪到过程性考核环节，发现1班同学的课后作业、知识点测试及单元测试的成绩均不高，但是小组讨论、在线学习时长、学习资源的涉猎程度及笔记记录均较好，这说明不是学习主动性差，而是部分学生太浮躁，眼高手低，导致对基础知识的掌握不够扎实。2班级课程案例分析及知识点应用部分的测试参与度较低，导致理论应用于实践的测试环节成绩(教学目标2)较低。鉴于此，后续教学过程中在分析学生个体差异的基础上，有针对性地强化课前提问及课后答疑、基础知识点理论测试及应用习题互评等互动环节的考评，尽可能地做到因人施教。从18级评价结果来看，课程综合评价结果(均高于17级)稳步提升，说明改进方案对症。但18级2班教学目标2、3(分别为66.1%和69.2%)均低于阈值，逆推教学过程发现，该班学生存在两极化，一小拨同学学习态度不积极，主动性较差，尤其在需要体现团结合作精神的测试点上如小组讨论、实验等环节上拉低了班级整体均值。后续教学过程中应注意学习小组划分时需避免理解较慢或积极性欠缺的同学扎堆，尽可能做到以快带慢，发挥大环境影响个体的积极作用。总体来看，教学目标4的达成度均较好，说明理论教学与课程实验实践环节相结合，融入案例的分析与讲解，鼓励学生动手创新的教学组织方式有利于调动学生积极主动性，教学效果良好，应继续保持并持续优化。
表1 “水力学”课程目标达成度近两年评价结果(%)
基于OBE成果导向理念，以满足社会需求的复合型高级工程技术专业人才培养为出发点，充分利用现代化科技手段，对“水力学”课程进行反向设计，创新线上线下联动教学模式，实现“课前—课中—课后”与“预习—授课—效果反馈-及时调整”的高度结合，推动“知识课堂向能力课堂转变”，极大地激发学生自主学习水力学的兴趣，培养学生创新实践和解决实际问题的能力，改变历来学生“谈水力学色变”的窘境，进而促进水力学课程教学的改革和发展。但水力学课程联动教学改革也存在着如优质教学资源匮乏、教学情境有待优化等诸多问题，需要在今后的教学中不断完善和优化。
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