建設創新型工程流體力學成果導向模式教學體系

張敏弟 邱思聰 鄭辰 王婭娜

摘? 要：當今時代對雙一流大學創新型人才的培養提出了更高的要求。近年來，成果導向教育（Outcome Based Education，簡稱OBE）逐漸成為新興的教育培養模式，在培養學生綜合學習能力方面有著出色的效果。結合“工程流體力學”課程多年教學實踐，及與國內外諸多名校的交流成果，將OBE模式應用到了工程流體力學的教學實踐中，實現了教學內容的國際化接軌，提高了學生的綜合學習能力。

關鍵詞：工程流體力學;OBE模式;創新型人才培養

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）03-0104-03

Abstract： The cultivating pattern for creative talents is an important task that must be explored in double first-class university. Recently， Outcome Based Education （OBE） has gradually become an emerging educational training mode， which has achieved excellent results in cultivating students' comprehensive learning ability. Combined with the teaching practice of the course "Engineering fluid mechanics" for many years and the communication with many teachers of domestic and international famous universities， the OBE model is applied to the teaching practice of "Engineering fluid mechanics"， which integrates the international content of fluid mechanics and improves the comprehensive learning ability of students.

Keywords： Engineering fluid mechanics; Outcome Based Education （OBE）; the cultivating pattern for creative talents

培養拔尖創新人才是雙一流大學必須肩負的首要使命，習總書記曾多次強調：“創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力，也是中華民族最深沉的民族稟賦。在激烈的國際競爭中，惟創新者進，惟創新者強，惟創新者勝。”當今時代，國家對雙一流大學人才培養的質量提出了更高的要求，也就是要為國家培養拔尖創新型人才[1-3]。創新型人才應該有寬厚的文化積淀和文化修養，掌握扎實的專業知識和技能，并將寬厚的文化積淀、文化修養與扎實的專業知識結合起來，使之形成一個完整、有效的創新知識體系。創新型人才培養最終目標是，培養出一批能夠引領科技以及行業發展的領軍人才。現今大學的學科教育亟待進行教育模式的革新，形成增強學生創新能力的教育模式。

《工程流體力學》作為北京理工大學的機械工程專業和能源與動力工程專業的核心專業基礎課，隨著學校雙一流建設不斷深入，對此課的教學方法進行了深入探討。如何結合學科優勢，讓學生掌握創新人才的思維模式和具備處理實際流體力學問題的能力，為學生將來從事工程實踐或科學研究時，解決流體力學實際問題提供必要的知識基礎，一直是筆者近幾年在教學工作中重點思考的問題，近年來也開始對《工程流體力學》課程教育模式進行了改革。盡管在授課和教改中，教育質量有所提高，但客觀而言，在該課程的教學實踐中尚存在以下問題：沒有系統的建立適應新形勢下創新人才培養的流體力學教學課程體系，沒有能夠很好反映流體力學近年來的迅速發展的成果;實驗教學在課程中還是一種輔助性的手段，不能適應創新型人才培養的需要。過去實驗教學在課程中的作用缺乏創新，實驗教學無論是教學內容、教學方式還是在課程中的地位均需要進行研究。如何在創新人才培養的大的背景要求下，提出有利于創新型人才培養的教學形式和方法，是亟待重點關注的問題。[4]

為此，本文圍繞成果導向教育模式，對《工程流體力學》教學改革進行討論。基于OBE模式，通過對《工程流體力學》教學內容和教學方式的探討，為形成針對本校相關專業特色的人才培養模式提供理論基礎。

一、基于OBE的工程流體力學教學設計理念

《工程流體力學》學科既是基礎學科，又是擁有廣泛應用背景的學科;既是古老的學科，又是不斷發展、充滿活力的學科。當前，在各類教育模式中，成果導向教育模式對于培養創新人才發揮了重要作用[5-7]。成果導向教育（Outcomes based education）作為一種先進的教育理念，于1981年由Spady等人提出后很快得到了人們的重視。美國工程教育認證協會（A-BET）全面接受了OBE的理念，并將其貫穿于工程教育認證標準的始終，OBE理念已成為美國、英國、加拿大、澳大利亞等國家教育改革的主流理念[8]。舉例來說，密歇根大學、MIT和普林斯頓大學等美國頂尖學校在開展《流體力學》課程教學時，采用授課、演示實驗或項目實驗相結合模式，通過項目實驗（Project-based labs）讓學生參與實際課題，既可以加深學生對理論知識的理解，又可以使學生在項目中有效利用理論知識來解決實際問題。同時，由于學生全流程主導了項目運行，既可以鍛煉學生發現問題的能力和解決問題的能力，也可以培養學生的實際動手能力、交流能力、表達能力和團隊合作能力。[9-10]同時，流體力學進入了一個新的發展時期：分析手段更加先進，與各類工程專業結合更為密切，與其他學科的交叉滲透更加廣泛深入。因此亟待利用成果導向的教育模式進行教育改革。

基于OBE理念方面，結合美國頂尖級大學機械類的《流體力學 I》教學模式，對工程流體力學的教學進行了分析對比。研究中，將麻省理工學院、普林斯頓大學、加州理工學院、斯坦福大學、西北大學、密歇根大學UM、佐治亞理工學院、明尼斯達大學和德克莎斯大學等高校機械類《工程流體力學》課程的教學計劃、授課內容、授課方式、考核方法等一一進行了詳細考察和分析。

盡管美國高校在培養人才時都是基于OBE理念制定各種教學工作，但以公立學校和私立學校為區分，培養模式還是有所區別。如圖1所示，美國高校的公立學校和私立學校分別采用了授課、項目實驗或演示實驗相結合的教學模式。結合我校相關專業《工程流體力學》的教學現狀，研究中以美國密歇根大學機械系Aline Cotel教授的教學內容和方法為主要借鑒對象，兼顧數個私立大學教學形式，探索具有自我特色的教學方法。

在開展全中文《工程流體力學》授課時，如圖2所示，以OBE模式開展教學實踐探索工作，在教學形式方面添加了“數值模擬”部分，在教學方式方面增加了“MOOC”學習（MOOC由本研究組自行開發，使用量達到十萬量級），在對學生的教學考核方面安排一個“項目研究”的教學環節。通過采用將理論分析、數值模擬和實驗驗證三種常用的流體力學研究方法相結合，著力培養了學生的流體力學科學研究能力。通過“項目研究”的教學環節使學生們能夠將所學理論知識與實際應用相結合，加深同學們對基本原理的理解，并且在進行數值模擬和實驗驗證時能夠接觸到最先進的《流體力學》研究手段，為同學們進一步開展研究奠定基礎。

在教學內容方面，強調廣泛性與專業性相結合。基于基礎理論知識的講解，結合《流體力學》的發展歷程和在日常生活、國防和各類工業中廣泛應用，并突出與專業相結合，為學生進一步學習專業課的學習奠定基礎，提升學生的創新精神。在教學方法方面，突出多種形式相結合。如圖3所示，授課時，通常采用案例教學法，以實際問題導入知識點，通過一系列自主研發的新型教具更直觀的演示流體力學各大定理公式，以此激發學生學習的主動性，進一步帶著問題展開基礎理論的學習。增加項目研究，使學生能夠將所學知識與專業問題聯系起來。

二、建立基于OBE理念的創新人才培養機制

《工程流體力學》的研究內容決定了學科人才培養和考核的特點，一方面需要面對工程開發，具備相關的工程能力和技能，另一方面需要具備多學科領域堅實的基礎理論和知識，以及綜合應用能力，尤其是增加學生的創新思維能力。因此，針對《工程流體力學》課程，借助問卷調查和訪談調查，并借助計算機手段對調查結果進行統計和分析，獲得了現有教學模式與“雙一流”本科人才培養專項建設目標的差距。以此為依據，本課程建立了基于OBE理念的工程流體力學創新人才培養機制，針對于傳統教學方法，進行了以下幾方面的創新實踐：

（一）研究建立理論-實驗-創新實踐的創新型人才課程體系

針對《工程流體力學》的基本理論和方法，加強實驗在整個《工程流體力學》教學過程中的地位，提出新的實驗教學的內容、方法。研究形成基本實驗、綜合性設計型實驗和工程應用實驗的綜合實驗教學體系。基本實驗將以現有的概念性實驗、理論驗證實驗和演示性實驗為基礎，進一步進行優化和刪減;綜合設計型實驗，將規劃建設和《工程流體力學》基礎問題，利用現有實驗平臺如小型風洞和水槽，通過配備相關的流動測量，使學生能夠開展項目實驗研究;工程應用實驗將利用本學科專業相關的實驗臺，開展與《工程流體力學》密切相關流動實驗研究，加強所學基本理論知識與專業知識的聯系。

（二）建設探索《工程流體力學》創新教學的方式和內容

探索將MOOC和課堂理論教學相結合的方法，結合不同的教學工具和材料等多種教學手段，改革單向灌輸的課堂教學，探索交互式教學，將教師講授與學生的分析研究相結合;而且，為增強MOOC的實用性，我們通過制作視頻材料增加教學內容，實現OBE模式的實踐教學，達到提升學生發現問題、解決問題的能力和實際動手能力。

（三）《工程流體力學》課程的國際化接軌

為了培養流體力學學科的拔尖創新人才，本課程通過建立符合OBE理念的課程教學體系，在對國際上基于OBE理念的《工程流體力學》課程全面調研基礎上，通過對課程整體體系的改革和具體的實施，逐步實現基于OBE理念的《工程流體力學》教學模式。為此，在教學過程中將邀請國外相關專業知名教授，直接參與教學和教改工作，提升對OBE教學模式的理解。通過對《工程流體力學》課程的不斷完善，爭取與國外相關專業《流體力學I》的教學內容和教學模式進行互認。這樣不但可以提升國際影響力，還可以促進機械類畢業生得到國際FE和PE證書，為未來發展奠定基礎。

三、結束語

OBE成果導向教育理念已經成為教育界對于未來大學教育發展方向的共識，本文基于長期的教學實踐和廣闊國際視野，實行以下《工程流體力學》教育的建設和改革措施：

（1）充分調研了國外頂尖級大學機械類的《流體力學I》教學模式，充分理解OBE教育理念，確定了基于OBE的《工程流體力學》教學設計理念。

（2）基于OBE成果導向教育理念，對現有《工程流體力學》教學進行了調整與完善。教學內容方面，強調廣泛性與專業性相結合;在教學形式方面，將數值模擬方法這一流體力學常用的研究手段引入教學內容，引導學生結合生活實際或項目獨立完成自己的數值模擬算例，并且將網絡MOOC學習引入教學內容中，加強數字化課程建設。同時，教學考核方面安排一個“項目研究”的教學環節。

（3）探索了基于OBE理念的創新人才培養機制。研究建立理論-實驗-創新實踐的創新型人才課程體系，建設探索《工程流體力學》創新教學的方式和內容，以國際化角度對《工程流體力學》課程進行改造。

通過以上方法，有助于實現三個轉變：從課程導向向產出導向轉變、從以教師為中心向以學生為中心轉變、從質量監控向持續改進轉變，目標是最終形成創新型人才培養的雙一流大學人才培養目標。教育改革需要長期的經驗積累與不斷完善，在學校和培養方案等宏觀層面相對容易一些，但在具體的學科教育改革上，應堅持改革教育模式并有所作為。

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