基于OBE 理念的數字化實驗教學改革

杜學領，張開智

（1. 貴州理工學院 礦業工程學院，貴州 貴陽 550003；2. 山東科技大學 礦業工程國家級實驗教學示范中心，山東 青島 266590）

數字化實驗教學是在傳統課堂教學和傳統實驗教學基礎上興起的教學方式，得益于技術的發展、政策的支持、資金的投入，近年來我國虛擬仿真實驗室建設取得長足發展[1-2]。但在數字化實驗教學研究方面，歐美國家的研究質量要明顯優于我國[3]。與此同時，數字化實驗教學作為新興的教學方式，國內外在其教學效果評價方面仍處于探索階段。近年來，以成果產出導向為主要特征的 OBE 理念被我國眾多高等教育機構所重視[4-5]，明確的成果產出導向對于破解數字化實驗教學效果評價的模糊問題具有重要借鑒意義。在工程教育專業認證、本科教學國家質量標準（以下簡稱“國標”）、新工科建設等方面，也體現了OBE理念中對學生應具備產出相應成果的能力的培養要求[6-8]。在“國標”中，對實驗教學的數量和質量都提出了明確要求，特別是強調了實驗教學環節中設計性實驗和綜合性實驗應得到充分重視[9]。現有的數字化實驗教學平臺或虛擬仿真實驗中，多以成型的模型供學生演示、驗證、虛擬體驗為主[10-11]，學生可以在此過程中加深對課本內容的理解，卻幾乎不能把這種已經成型的模型轉化為自己學業成果中可用的素材，不利于學生綜合能力的培養。本文以采礦工程專業利用FLAC 3D 開展數字化仿真建模實驗為例，探討基于OBE 理念的數字化實驗教學改革。

1 數字化實驗教學可行性分析

1.1 傳統實驗教學存在的問題

（1）實驗的參與性差。傳統實驗為分組教學模式，小組共同完成實驗任務，目的是培養學生的團隊合作能力。但對于一些演示性實驗和驗證性實驗，往往具有成熟、規范的操作流程，如煤巖體的力學測定類實驗，一般只需要小組中有一個學生提出加載方案即可。實驗開始后，學生要做的就是觀察實驗現象，實驗數據全部由計算機存儲。在這個過程中，并沒有鍛煉學生的團隊合作能力，也沒有做到個性化的人人參與，分組實驗教學模式反而讓一部分參與度不高的學生在學習過程中流于形式、無所收獲。數字化實驗以計算機為基本的硬件設備，可以實現一人一機，實現實驗的全員參與，并鼓勵個性探索。

（2）實驗的可重復性差。傳統實驗受場地、時間等因素限制，有限的教學時間內無法實現實驗的多次重復。由于實驗室以外缺少專業的設備，學生在課下也無法進行重復實驗。加之受到實驗樣品的離散性影響，即便是重復實驗，結論也會不完全相同，如巖石實驗中，不同天然試樣內部的孔隙發育是不同的。數字化實驗可實現同一模型的不同視角研究，而且學生可在課下利用自己的電腦進行多次重復建模、多視角分析，時間、地點上更為自由。

（3）安全問題突出。近年來，高校實驗室安全事故不斷見諸媒體，北大、清華、北交大等高校也未能幸免。引發實驗室事故的原因，一方面是由人的不安全行為觸發，如實驗誤操作、實驗監管人員不足或存在監管漏洞等；另一方面與物的不安全狀態密切相關，即實驗設備、實驗操作本身對操作者而言存在事故風險。由于本科生專業知識和經驗有限，其安全風險相對更高。數字化實驗的風險是極低的，通過數字化實驗練習，可以培養學生的安全意識，為其今后動手實操奠定基礎。但數字化實驗并不是取代傳統實驗，而是傳統實驗的前期積累和重要補充。

（4）成本和使用周期問題。成本主要涉及時間成本和經濟成本，如采礦工程專業的相似模擬實驗，從搭建二維模型到正式開始實驗需要將近1 周時間，搭建模型需要1 天左右時間，實驗的直接經濟成本約為幾千元，且可重復性較差，因而時間成本、經濟成本太高。一些教師試圖通過將科研課題與學生實驗結合起來，但實際上，科研課題的研究方案是確定的，這樣的結合對教師而言是研究性實驗，但對學生而言更像是演示性實驗，達不到實驗服務于培養學生能力的目的。近年來，國家級虛擬仿真實驗教學中心建設如火如荼，其中存在的主要問題是，虛擬仿真實驗室以較大的經濟成本引進了大量基于增強現實技術的虛擬模擬場景類資源，但由于這些資源均基于當前技術研發，這些技術在學生畢業時很可能已經過時。而且這些資源的底部開發和維護一般也要依靠專業的建模公司，資源引進成本和學生的學業收獲不匹配。值得注意的是，一些國家級虛擬仿真實驗教學中心名曰資源開放和共享，但外校獲取這些資源時往往存在一些困難。數字化建模實驗成本低、時間靈活，教學內容以與本專業密切相關的軟件基本建模功能為主，技術層面上具有基礎性和未來可擴展性，從學業成果的達成而言要優于單純AR 資源體驗教學。

1.2 數字化實驗教學實施OBE 模式的可行性分析

1.2.1 數字化實驗與OBE 理念的契合度

OBE 理念的主要特征包括成果產出導向、人人成才、持續改進與持續成功等。成果產出要求學業成果直接可見或可度量，并對學生的未來發展提供支撐。人人成才要求成果評價要在時間和內容方面具備一定包容度，允許學生根據自己的能力來達成學業成果，而不是實行完全統一的要求。持續改進與持續成功，一方面是要實現學生實實在在掌握產出相應成果的能力；另一方面這種能力應能促進學生未來的學習和發展，從而走向更大的成功。數字化實驗可以實現全員參與、個性化設計方案、個性化成果產出包容、所學內容服務于學生的畢業論文（設計）和未來的工作等，可以鍛煉學生在工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究、使用現代工具、溝通、終身學習等方面的能力，從而推動學生未來的持續成功。可見，通過精心的數字化實驗教學設計，可以實現與OBE 理念的高度契合。

1.2.2 數字化仿真建模實驗的包容度

可從以下3 方面闡述：

（1）打破了傳統課堂固定時空的格局。數字化實驗可以實現因人而異和課上與課下相結合的大課堂模式，教與學的時間和地點進一步擴大。

（2）內容的包容度。與AR 資源的虛擬體驗相比，數字化仿真建模所講授的底層建模技術具有普遍意義。學生在基礎模塊基礎上，可以根據自己的興趣和需要創建不同類型的模型，在內容上更加包容。數字化仿真建模強調的是學生依據基本模型所獲得的建模能力，專業知識是引線而不是界限，能夠對“新工科”背景下跨學科、跨平臺能力的培養提供支撐。

（3）能力的包容度。數字化建模實驗由基礎建模開始，確定一定的成果目標，但并不限定具體的內容，使學生在完成學業成果時可以充分發揮自己的創造性。基礎的建模為所有學生完成畢業設計提供支撐，是達到課程教學的基本要求，而研究性的思路能夠對一部分繼續考研深造的學生提供幫助，因而在能力培養方面兼顧畢業設計和未來科學研究需求，具有較大的包容度。

1.2.3 數字化實驗對傳統實驗的支撐作用

必須指出，數字化實驗是利用信息化技術而產生的新的實驗類型，但數字化實驗絕不可能取代傳統的實操實驗。數字化實驗是將成熟的驗證性、演示性實驗經過重新構思打造成設計性、綜合性實驗，在內容和能力培養方面是傳統實驗適應信息化發展的重要補充，是傳統實驗的預演和對傳統實驗結果更科學的預測。經過數字化實驗之后，學生進行傳統實驗的目的更明確。數字化實驗還減少了學生動手操作的盲目性，并賦予學生在數字化平臺腦洞大開的可能性。就技術發展而言，如果說傳統實驗是工業革命的產物，那么數字化實驗就是信息時代的產物。在信息化時代，有必要在實驗教學中拿出一定的學時，對學生進行數字化實驗能力的培養，數字化實驗也會逐漸演變為實驗教學環節的必要組成部分。

2 基于OBE 理念的數字化實驗教學設計原理

2.1 基于OBE 理念的數字化實驗教學設計原理

OBE 理念被不少國內高校所重視，并提出了諸多OBE 模式和經驗。但遺憾的是，往往由于對當代學生的實際特點缺少了解，其頂層設計與OBE 模式的落地存在一定差距，其中最突出的問題莫過于忽視了實際學情而空談目標、架構，以全民運動方式強推OBE[12-13]。一些公開報道的OBE 模式也延續了這種風格，假大空地談架構、談成果，卻連最基本的教學設計都沒有。對眾多基于OBE 理念的教學大綱、教學設計的實地調研發現，這些OBE 模式往往只是形式上的OBE。要實現OBE 模式的成功，必須對教學設計給予充分關注，進行基于OBE 模式的教學設計二次重構，而不能直接照搬已有的教學設計。結合已有的教學設計經驗，并借鑒根本原因分析法[14-16]，基于OBE 理念進行數字化實驗教學設計的基本原理如圖1 所示。

（1）根據培養方案中畢業要求的內容，設定相應的學業成果目標，并進一步按照課程與成果的歸屬，細分成果并構成課程成果體系。

圖1 基于OBE 理念的數字化實驗教學設計原理

（2）將細分成果與專業課相耦合，初步確定對成果達成起支撐作用的數字化實驗內容。數字化實驗之間的邏輯可分為遞進式、組合式、并列式等形式。遞進式實驗為按照時間順序確定的實驗項目，前一實驗是后一實驗的基礎；組合式實驗各實驗內容間近乎獨立，但各個獨立實驗又可組合形成總的學業成果；并列式實驗將實驗劃分為幾個獨立的單元，每個獨立單元內又包含若干個對此單元起支撐作用的實驗。在實驗學時有限時，可優先考慮設置遞進式綜合實驗。

（3）根據數字化實驗之間的邏輯關系，對每一實驗進行詳細的教學設計，一般可分為知識講解和能力與素質提升2 個環節。知識講解主要講授數字化建模的基本知識，如建模過程、模型參數含義等，能力與素質提升是在知識講解的基礎上，對學生提出課堂練習和學習任務的要求，其中學習任務應產出與之相對應的成果。

（4）在分項成果的基礎上，開展綜合檢驗。綜合檢驗主要分2 方面，一是設定特殊的綜合性任務環節，對學生完成學業成果的能力進行綜合檢驗，即檢驗其是否具備真才實學，檢驗的過程包括隨機建模、解釋說明、回答關于其模型的有關問題等；二是對教學設計進行綜合檢驗，即借鑒根本原因分析法，教師對教學效果進行自我反思：通過課程實踐，學生完成了什么樣的成果？成果反映了學生什么樣的能力？這些能力是否滿足課程對學生的畢業要求？畢業要求與本校學生的實際情況是否匹配？

（5）當某一環節出現問題時，應考慮向上一環節回溯重構，以期更好地達到教學效果。課程成果要反向通過成果目標的校驗，成果目標要反向通過畢業要求的校驗。通過不斷的反向校驗、回溯、重構，實現整個實驗教學的持續改進。

該設計原理對成果產出和持續改進給予了極大關注，充分發揮了教師在教學設計環節的主導作用。OBE模式中“以學生為中心”的理念，將被貫徹到每一節課的教學過程和教學管理中，最大限度地實現人人成才。

2.2 OBE 理念下數字化實驗的教學管理特色

以遞進式數字化實驗教學為例（包含5 個實驗的遞進式綜合性實驗，其中前4 個為遞進獨立實驗，第5 個為綜合檢驗實驗），數字化實驗教學在教學管理方面具備如下特色。

2.2.1 平行并列式實驗單元劃分

設立數字化實驗月，實驗月前2 周為教學周，后2 周為練習檢驗周。前2 周按照每周5 個工作日依次設定實驗內容，開展2 次重復的平行實驗教學，學生可進行相關教學內容的練習和階段性成果檢驗。后 2周以成果檢驗為主，學生可根據實驗室的開放時間自由選擇時間前來練習和檢驗成果。在時間上，改變以往一次性實驗課的不可重復和不允許改進的缺陷，為人人成才創造條件。在師資和硬件條件允許情況下，也可設置5 個獨立的機房，按照空間進行平行并列式實驗單元劃分。

2.2.2 講解、練習、擴展相結合

數字化實驗教學本質上屬于交叉學科教學，內核是本學科的專業知識，外殼是信息技術或計算科學等。在教學時，一方面學生要補充學科外的知識，另一方面又要思考如何在數字化框架下應用本學科知識，一定程度上學生面臨的課業難度因學科交叉而增加。為了解決這一問題，在教學實踐中，利用1 學時講解基礎知識，然后利用1 學時供學生練習和擴展應用所學知識。練習的過程中，從基本模型的模仿開始，然后擴展到按照自己的設計獨立完成模型。通過練習環節，大部分學生可具備相應的建模能力，并有助于培養獨立思考能力。擴展環節針對的是學有余力的學生，一方面，可沿橫向進行跨學科擴展；另一方面，也可沿縱向從表層的建模向深層次的學科問題研究擴展。練習環節設置共性任務，擴展環節僅供感興趣和學有余力的學生學習，體現因材施教的理念。

2.2.3 開放式打卡通關教學管理模式

開放式教學是指自第一次課以后，學生可按照預期安排的平行并列式實驗單元劃分，自行選擇時間完成每次實驗任務，總的完成時間不超過截止期限即可。OBE 模式強調學生本人完成相應成果的能力，因此教學成績考核應注重對學生真才實學的考核。每次實驗均設有獨立的實驗報告，在實驗報告中設有任務成果說明欄、教師問詢欄、評語欄、蓋章欄、評分欄等。學生如果能夠完成每一節課設置的任務，并通過教師的問詢、檢驗，即可獲得簽章和相應實驗成績，進入到下一實驗的學習。在此過程中，教師對學生的評價是客觀、透明的，學生可看到自己的不足，并可在后續環節中予以關注和改進。對于特別優秀的學生，可設立高階任務，并可根據其完成情況，對其初始成績予以適當加分獎勵。因為整個綜合實驗是按照遞進式設計的，學生必須按照先后順序獲得相應實驗的簽章才能進入下一環節，這就從源頭上保證了每個學生能夠掌握相應的能力。為了便于學生課下自學和討論，所有教學過程中基礎講解環節的教學資料都面向學生開放，教師在課堂上主要講重點、講難點、答疑、檢驗成果和評定成績等。打卡通關教學管理模式與遞進式教學設計相匹配，能夠最大限度地保障學生獲得相應的能力。

2.2.4 任務庫隨機抽檢模式

本組遞進式實驗中第5 個實驗是對前4 個實驗知識的綜合應用，學生隨機抽取題目并在指定時間完成相應任務。與前幾個環節相比，此環節不允許學生討論，考查的是學生對所學知識的綜合運用能力和獨立完成任務能力。因為此環節的任務是隨機抽取的，允許學生在數字化實驗月內多次完成該項任務。學生要么直接具備完成相應成果的能力，否則就需要在課下對任務庫中的多個任務進行反復練習。無論為何種情況，關注的重點都是學生在本實驗最終環節的能力輸出，這與OBE 理念是相契合的。任務庫既包括對課堂內容的擴展，也包括來源于近年來工程實際的真實案例，從而培養學生解決復雜工程問題的能力。

2.2.5 獎懲并舉式考核

傳統的應試型考核考查的是學生對知識的掌握情況，有些學校出于管理需要，甚至要求卷面成績符合正態分布。傳統的考核重視考勤，但實施開放式教學后，傳統的考勤模式不再適用。OBE 理念強調持續改進、人人成才、不斷成功，這就需要改革課程的考評方式。參照企業的管理模式，在課程考核環節設立獎懲單元，體現教育的導向作用，考慮獎懲后，學生總分超過100 分時以100 分計入總成績，低于0 分時以0 分計入總成績。數字化實驗的主要考核環節如表1 所示。

表1 數字化實驗主要考核環節

2.2.6 注重過程性、隨機性、個性化考核

實驗考核依托實驗報告展開。實驗報告同樣按照遞進式設計，學生首先完成任務成果，然后對成果進行說明，在此基礎上接受關于此成果的問詢，單次實驗報告的考核環節如表2 所示。由于提問的內容是隨機的，學生必須對自己的模型有充分的了解，必須注重問詢前的過程學習和能力獲得，否則學生即便完成成果及其說明也達不到合格水平，無法進入下一環節的學習。針對每個學生的獨創性成果，開展個性化提問考核，有利于學生學習過程的持續改進。對于有條件的高校，還可開發專門的考核材料數字化收發系統，實現無紙化綠色考核及數字化歸檔。

表2 單次實驗報告考核環節

3 單節課的教學設計實例

3.1 學情及教學策略分析

本校學生生源以西部地區為主，學習基礎整體薄弱。以往的教學經驗表明，學生英語、數學、力學等學科的能力比較弱，教學過程中不適合長時間講解理論和公式推導，而應以直觀的理解和應用為主。在學科知識方面，學生已具備“采礦學”“礦山壓力與巖層控制”等學科知識，其所欠缺的是將已有知識進行立體重構，并結合工程實際進行綜合運用。數字化實驗的重點是培養學生知識強化和知識應用能力。

教學策略方面，因學生英語水平薄弱，在講解過程中將英文的參數命令給出詳細的中文解釋，并要求學生在練習過程中也對自己的命令行進行中文解釋；因學生數學、力學等能力欠缺，對于數字化建模深層次的計算原理、本構模型差異等不在課堂詳解，僅提供學習資料供學有余力的學生自學。與傳統實驗相類似，數字化實驗要實現的是學生“自己動手—得到結果—分析結果”的訓練，鞏固和提升已有知識。

3.2 教學設計

根據畢業要求，確定數字化實驗總的成果目標為“根據給定生產條件，建立與之相匹配的數字化模型，并經過模擬運算對實驗結果進行分析”。要實現這一目標，可進一步將成果細分為數字化基礎建模、復雜及專業方向建模、模型參數及運算、后處理及結果分析、數字化建模綜合應用等5 個方面。考慮對專業知識的運用，前4 個實驗中分別融入地層建模、巷道及錨桿支護、巖體力學參數、方案設計及優選等內容，構建出遞進式數字化綜合實驗體系。

本節教學設計為綜合性實驗的第一次實驗——FLAC 3D 中數字化模型的建立。因數字化實驗本身對使用現代工具具有強支撐作用，本次實驗在設計時主要支撐畢業要求中的“工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、溝通”等方面。根據以上分析，具體的教學設計如表3 所示[14,17]。

表3 “FLAC 3D 中數字化模型建立”實驗的教學設計

續表

4 結語

實施基于OBE 理念的數字化實驗教學改革后，師生對教學目標更加明確，使教學活動圍繞成果目標展開。開放式的教學模式，使學生對在課堂教學中未獲得的能力能夠在課下進行持續改進。考核方面，針對成果的問答式考核，既可考核學生的真才實學，還可鍛煉學生語言組織、表達技巧、臨場發揮等能力。但同時，開放式數字化實驗教學對教學管理提出了更高要求，由傳統的一組一套實驗方案演變成每一名學生一個獨立方案，教師投入到成果評改、答疑、學生持續改進等環節的時間大大增加。就人人成才的理念而言，這是有利的，但也需要同步改進對教師的激勵措施。學生在獲得數字化實驗的建模、分析能力后，可以在畢業設計中將相應的開拓方案布置、采區和工作面布置、巷道支護方案、支護強度選擇等內容通過數值模擬方式來呈現，從而使數字化實驗服務于解決復雜工程問題的總目標得以達成。但由于畢業設計與數字化實驗的開設時間存在一定間隔，還需要從整個專業的角度進行統一指導和要求。教學改革不可能一蹴而就，也不可能一勞永逸，當前教改中最大的問題是對教改的資助力度嚴重不足，雷聲大雨點小，造成潛心教學的教師無法持續、有效地開展教改。要振興本科教育、實現高等教育高水平發展，從教學管理和投入上都應建立長效機制，推動教學改革持續、有效地開展。