基于OBE教育理念的鋼結構混合式教學方法探索

張艷敏 李 正

防災科技學院土木工程學院 河北三河 065201

鋼結構具有輕質高強、力學性能好、施工周期短、綠色環保等多方面優點,推廣鋼結構對于我國推進綠色建筑和建筑工業化,促進建筑業產業升級具有重要意義。我國鋼廠量已連續多年位居世界第一,鋼結構產業規模巨大,在體育場、機場航站樓、高鐵候車廳等大型公共建筑,超高層建筑、工業廠房、大型市場及倉儲結構等各類建筑中都有廣泛應用[1]。鋼結構行業的蓬勃發展需要大批具備扎實的鋼結構專業知識及良好的實踐應用能力的新工科土木工程專業人才,這對土木工程專業在鋼結構課程教學和人才培養上提出了更高的要求。傳統的“重理論輕實踐、重講授輕應用”的鋼結構教學方式,已無法滿足當前的實際行業需求,進行教學和人才培養方式的改革是十分必要的。

OBE(Outcome based education)教育理念,又稱成果導向教育,是一種以成果為目標導向,以學生為本,采用逆向思維的方式進行課程體系建設的先進教學理念。該教育理念秉持“以學生為中心,以目標為導向,注重能力培養、質量持續改進”的教育教學模式,引入我國后逐漸成為教育改革的主流理念,在全國很多高校的教學建設和改革中得到應用和推廣[2-3]。當前信息技術快速發展,線上線下混合式教學已成為一種常態化的教學模式[4],作者把OBE教育理念應用于混合式教學全過程,在鋼結構教學方式改革上進行了初步的嘗試與探索。

1 以課程目標為導向,采用了“先明確考核方案,后制訂教學計劃”的逆向課程設計和全過程評價方式

1.1 能力培養融入教學目標,制訂課程考核方案

課程教學目標是課程教學和效果評價的依據,決定了課程教學實施的方向。我課程組根據鋼結構行業對學生應具備的專業知識和能力素養方面的需求,結合我院土木工程專業人才培養和畢業要求的指標體系,凝練出“材料、連接及結構設計等理論知識的識記與應用能力”“基本構件與連接的設計與計算能力”“常見結構的分析與建模計算能力”“鋼結構的識圖、繪圖能力”“規范標準的理解與運用能力”等培養要求,并將其與課程各個章節的教學內容和教學重點相結合,內化為鋼結構教學內容體系中的課程學習目標和知識點,并融入課程考核體系的全過程。

在課程教學開始之前,依據教學目標修訂教學大綱,制訂好明確具體的考核方案,并在后續教學中嚴格執行。本課程考核方案采取“平時成績+期中考核+期末考核”的成果評價方式,考核指標及權重與課程目標和教學內容相統一,過程考核與成果檢驗并舉,重在考查學生全過程的學習效果。其中平時成績主要考查學生的課堂表現、隨堂測試和課后作業三個方面,學生學習情況應全部通過長江雨課堂線上平臺統計記錄,以保證數據的真實可靠。期中、期末考核采用傳統試卷形式考查,試題數量比例應與各考核指標及其權重保持一致,且保證一定量工程應用類題目的比重。一般期中考核采用開卷形式,題目以分析計算及應用類型為主,而期末考核則采用閉卷統一組織形式,題目兼顧識記、分析、計算、設計等多方面要求,且基本涵蓋課程教學內容,命題中注意期中和期末考核內容側重點的區別。

1.2 成果導向,逆向設計,正向實施

以前述考核方案為依據,逆向制訂課程的教學計劃,進行課程的線上線下混合式教學全過程設計。根據課程目標或考核指標及其權重,重新安排教學授課計劃,適當增加“梁、柱等基本構件設計”“角焊縫的設計計算”“螺栓連接的構造計算”“工業廠房鋼屋架設計”等主要學習內容和重難點的課時,并安排在線下課堂重點詳細講授,而對于“鋼結構的極限狀態”“鋼材的疲勞及選用”“多高層鋼結構設計”等了解或擴展性知識則減少課時,將其制成短視頻、微課教學資源上傳雨課堂學習平臺,利用學生課余時間開展線上自由學習,使課程教學課時分配更加合理,同時解決了當前課程教學內容偏多、課時明顯不足的難題。理論教學環節中,按照“課前預習+課堂講授及隨堂測試+課后復習及作業訓練”的模式開展混合式教學,具體步驟及內容安排參見表1。

表1 鋼結構課程線上線下混合式教學過程

2 以學生為中心,多層次激發自主學習熱情,能力培養貫穿教學各方面和全過程

鋼結構專業知識與力學及工程實際聯系緊密,教學難度大,難點多,傳統的“重理論輕實踐”的被動填鴨式教學方式消磨了學生的自主學習熱情,限制了學生的能力培養,極大影響了學生的學習效果[5]。針對此問題,作者通過調研行業需求,凝練出本專業人才培養的能力要求(見前文),在鋼結構教學改革和實踐中,從教學課件內容、教學方式手段、學習成果評價三個方面入手,變被動為主動,將激發學習熱情、培養專業能力貫穿整個教學過程。

2.1 調整和改進教學課件內容

鋼結構教學課件分為課前預習課件和課堂教學課件兩種類型,通常以一次課為一個教學單元。課前預習課件精煉為兩項內容,一項是每次課的主要教學知識點、學習重難點及對應的能力和考核要求,另一項是部分國家級精品課的網絡微課視頻、自制微課教學視頻或實際工程案例等視頻資源。學生通過觀看預習課件,可提前了解學習內容和重點難點,有準備地進行后續課堂學習。教學前期由于缺乏激勵政策,課前預習課件的參與度和完成度都不理想,后期采用兩種方式改善了這一情況。一種是在部分預習課件中增加測試題目;第二種則是將部分隨堂測試調至課堂教學開始之前,對課后復習和課前預習開展雙重考核。測試成績計入平時成績,有效提高了學生的學習主動性。

課堂教學是教學實施的主要環節。每個教學單元的教學課件一般按照問題導入→知識介紹或設計方法總結→案例訓練→隨堂測試→課堂總結的教學過程進行編排。在問題導入、案例訓練、隨堂測試等環節加入大量工程實例,與理論知識、案例結合講授,在設計原理方法總結及構造知識方面,增加教材內容與規范圖集對應部分的聯系溝通,部分隨堂測試題目增加工程應用場景,充分調動學生學習的主動性和競爭性,培養學生工程意識和實踐動手能力。部分理論教學知識點與實際工程聯系情況見表2。

表2 理論教學知識點與實際工程項目結合情況

2.2 多種教學方法和教學手段結合授課

課堂教學時,根據學生在學習預習課件過程中出現的問題進行重點講解,針對不同的知識點,采取啟發式、案例式、項目驅動式、翻轉課堂等多種教學方法進行授課。如“鋼材的力學性能及影響因素”“焊縫連接的特點和構造”等內容,學生在其他課程中學習過部分知識或有初步了解,則采用翻轉課堂方式進行分組討論、學生代表匯報、教師最后補充總結。如“軸壓柱、梁和壓彎構件計算”“角焊縫設計”“高強螺栓設計”等核心教學內容,采用了案例式和項目驅動式教學法。在每章內容講授之前,按小組給學生布置不同的工程項目(鋼框架結構、工作平臺結構、鋼屋架結構等),教學中以工程項目作為案例,講解具體構件或連接的設計流程、設計方法和構造要求,然后把項目中對應的構件或連接設計布置為課后作業,要求學生分組完成任務。以實際工程項目的設計訓練帶動學生的積極主動性,鍛煉了學生利用已有知識解決實際問題的能力,完成自主學習過程。

課堂教學中結合使用多種不同教學手段輔助授課。理論教學中,對梁、柱、板等各類構件的穩定分析,節點連接中力的傳遞和變化過程等疑難問題,采用了動畫演示、三維圖片展示等手段,同時制作了門式剛架廠房模型、格構柱模型、梯形鋼屋架模型、各種常見焊縫及螺栓連接節點等教具輔助演示教學。對于鋼結構的制造、加工、安裝等工序,及構造要求等與實際工程聯系緊密的內容,還錄制了短視頻插入教學課件中,最大限度地激發學生的學習興趣。

因課時及實驗條件限制,與課程相匹配的實驗課較少,且鋼結構很多設計公式是由實驗得出,適度增加實驗課,加強學生對力學理論和公式的直觀認識和理解很有幫助。而鋼結構材料性質簡單,材質均勻,基于有限元軟件模擬分析的精度很高,基本可以實現在計算機中真實再現鋼結構材料和結構實驗的全過程。為此我們開發了基于有限元的虛擬仿真實驗,包括鋼結構試件的單軸受拉全過程模擬、鋼梁彎曲全過程模擬、壓桿受壓屈曲模擬、板件受壓屈曲模擬、焊縫破壞形式模擬、螺栓破壞形式模擬、銷軸節點破壞形式模擬等項目,培養了學生的實驗能力,擴充了學生視野。

2.3 多元化考核形式,科學合理實施學習成果評價

合理的課程評價體系是支撐教學目標達成和教學效果持續改進的必要保障[6]。鋼結構課程的教學效果從平時成績、期中考核、期末考核三個方面進行評定,過程性考核和終結性考核并重。平時成績包含線上雨課堂成績記錄和線下課堂表現兩部分,其中雨課堂的題目既有客觀性的課前預習成果小測、隨堂知識點檢驗,又有主觀性的工程案例設計小練習,還有重點章節的測驗及源于實際工程的各類構件或連接的分析設計類課后作業。客觀題目由雨課堂后臺實時評閱,主觀題則根據學生對知識的理解把握、公式的運用、設計步驟及計算完成情況評定成績。雨課堂線上測試結果及課后作業保證及時批改反饋,實時監測跟蹤、持續改進學生的學習狀況。線下課堂成績主要記錄學生課堂回答問題及翻轉課堂的表現,平時成績占比以雨課堂記錄為主,線下成績作為參考和補充。

期中和期末考核探索開放式、非標準化答案考核方式。期中考核安排在教學階段的中期,采用雨課堂線上開卷考試形式,題目以工程問題分析、構件設計、受力計算等主觀題為主,主要考查前半部分教學內容,大型設計計算類題目盡量做到一人一題,有效避免答案雷同;期末考核采用線下閉卷考試形式,題目兼顧識記性基礎知識、構件和連接的構造要求及結構構件設計計算(側重后半部分考核)三方面,難度適中,題型和比例與課程目標保持一致。平行班授課時,采用統一的考核方案,保持各次測試和作業題目類型難度一致。

多元化的考核形式充分發揮了學生的積極性,鼓勵學生全程全員參與,成果數據真實全面地記錄了學生的全過程學習狀態,充分檢驗了學生對專業基礎知識和理論的理解和發現、分析、解決實際工程問題的能力,對學生的學習成果進行了科學合理的評價。

結語

線上線下相結合的混合式教學成為我國當下各高校的主流教學模式,OBE教育理念融入工程類課程教學和人才培養已是教學改革的大勢所趨。本文將“以生為本,成果導向,持續改進”的OBE理念貫徹于鋼結構課程線上線下混合式教學的全過程,進行了課程考核體系、教學設計與實施、學習成果評價的教學全過程改革初步探索與實踐,在提高學生學習主動性、提升學生學習能力、改進學生學習效果方面取得了一定的成果。在今后教學實踐中應開展課程目標達成情況的評價和總結,同時對學生開展階段性問卷調查,根據評價結果和反饋意見實時動態調整教學目標,持續完善和改進教學全過程。