基于OBE-CDIO理念的智慧水務(wù)領(lǐng)域課程混合式教學(xué)改革研究

劉 非 陳 袁紹春 劉 臻

1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)環(huán)境水利工程重慶市工程實(shí)驗(yàn)室 重慶 400074

新工科建設(shè)是國(guó)家為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn),培養(yǎng)具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力的新興領(lǐng)域科技人才、布局未來戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域人才培養(yǎng)、服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略和區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展需求而提出[1-2]。

對(duì)傳統(tǒng)工科專業(yè)的課程教學(xué)進(jìn)行改革研究有利于推動(dòng)和落實(shí)新工科人才培養(yǎng)[3]。智慧水務(wù)是智慧城市理念在水務(wù)行業(yè)的延伸,是未來城市水務(wù)現(xiàn)代化發(fā)展的新目標(biāo),通過物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)與水務(wù)信息系統(tǒng)的結(jié)合,全面感知和整合城市取、供、用、排水和水環(huán)境基礎(chǔ)信息,構(gòu)建智慧水務(wù)云數(shù)據(jù)中心,提高水資源管理利用效率、加強(qiáng)水環(huán)境監(jiān)督與保護(hù)、緩解城市內(nèi)澇、促進(jìn)城市生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[4]。目前,我國(guó)智慧水務(wù)的發(fā)展還處于初期探索階段,成功的案例不多,亟須一大批具有工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的專業(yè)技術(shù)人才[5-6]。

由于智慧水務(wù)屬于土木、水利、環(huán)境、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域,相關(guān)課程理論涉及面較廣、技術(shù)更新迭代速度快,對(duì)實(shí)踐能力有較高要求,教師在教學(xué)過程中若只注重理論講解,而忽視了聯(lián)系實(shí)際和知識(shí)應(yīng)用,學(xué)生容易感覺知識(shí)落不到實(shí)處、學(xué)習(xí)難度大,影響教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成和人才培養(yǎng)質(zhì)量。傳統(tǒng)教學(xué)模式已較難適應(yīng)新形勢(shì)下工程教育理念對(duì)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。因此,針對(duì)智慧水務(wù)領(lǐng)域相關(guān)課程的教學(xué)方法進(jìn)行改革研究已迫在眉睫,對(duì)提升新工科背景下該領(lǐng)域人才培養(yǎng)質(zhì)量、加快我國(guó)水務(wù)行業(yè)智慧化建設(shè)有積極意義和深遠(yuǎn)影響。

工程類專業(yè)教育的核心理念OBE(Outcome-Based Education),即成果導(dǎo)向教育,倡導(dǎo)“學(xué)生為中心,成果為導(dǎo)向,持續(xù)改進(jìn)”,已被廣泛認(rèn)同并實(shí)踐于各領(lǐng)域人才培養(yǎng)中。CDIO(Conceive Design Implement Operate)理念,以任務(wù)驅(qū)動(dòng)為載體,讓學(xué)生在實(shí)踐中升華對(duì)理論知識(shí)的理解,激發(fā)學(xué)習(xí)主動(dòng)性,提升工程實(shí)踐能力[7]。

本文基于新工科背景下的人才培養(yǎng),以智慧水務(wù)領(lǐng)域課程“城市雨洪模擬技術(shù)”為例,探索融入OBE-CDIO理念的教學(xué)改革實(shí)踐創(chuàng)新,在對(duì)現(xiàn)有課程教學(xué)問題分析的基礎(chǔ)上,詳細(xì)闡述了優(yōu)化課程教學(xué)目標(biāo)、創(chuàng)新混合式教學(xué)方案、設(shè)計(jì)以提升復(fù)雜工程問題解決能力為目標(biāo)的實(shí)踐任務(wù)和優(yōu)化調(diào)整課程評(píng)價(jià)機(jī)制,為提升智慧水務(wù)專業(yè)領(lǐng)域課程教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量提供借鑒。

1 課程教學(xué)問題分析

“城市雨洪模擬技術(shù)”在我校給排水科學(xué)與工程專業(yè)2018版人才培養(yǎng)方案中屬于專業(yè)基礎(chǔ)必修課程。通過本課程學(xué)習(xí),使學(xué)生了解城市內(nèi)澇成因,理解暴雨徑流模型原理,系統(tǒng)掌握模型模擬技術(shù),能夠開展城市內(nèi)澇模擬分析,具備從事智慧水務(wù)領(lǐng)域城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和排水管網(wǎng)排水能力分析診斷工作。本課程注重理論知識(shí)的理解和實(shí)際工程應(yīng)用,而現(xiàn)行的教學(xué)模式在適應(yīng)新工科發(fā)展要求和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力方面存在諸多不足,主要包括:

(1)教學(xué)目標(biāo)在設(shè)計(jì)時(shí),未充分體現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的工程教育理念和新工科建設(shè)要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值求解技術(shù)的快速發(fā)展,雨洪模型集成的功能模塊和其背后的原理越來越復(fù)雜,而氣候變化和城市化的加速推進(jìn),使得雨洪災(zāi)害的成因也越發(fā)多變,場(chǎng)景的概化和模型應(yīng)用的難度變得更高,往往需要借助多種理論和工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)問題背景進(jìn)行分析,從而尋找解決方法和建立技術(shù)路徑,學(xué)生在面對(duì)實(shí)際工程問題時(shí)往往感到較為迷茫,甚至無從下手,極大降低了其學(xué)習(xí)動(dòng)力。

(2)教學(xué)模式仍然按照傳統(tǒng)教學(xué)思維進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施,教師被置于教學(xué)活動(dòng)的中心,學(xué)生為客體,不符合OBE工程教育理念。現(xiàn)階段,教師在課堂上講授理論知識(shí),結(jié)合學(xué)習(xí)通等線上平臺(tái)提供學(xué)習(xí)資源和發(fā)布課后測(cè)驗(yàn),較為注重對(duì)內(nèi)澇原因和相關(guān)知識(shí)背景的剖析和對(duì)模型原理等理論的講解。學(xué)生普遍感受是處于被動(dòng)學(xué)習(xí)中,尚未形成可有效激發(fā)學(xué)生熱情、讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)主體并能主動(dòng)求知探索的教學(xué)模式。

(3)課程任務(wù)難以發(fā)揮幫助學(xué)生跨越從理論知識(shí)學(xué)習(xí)到能解決復(fù)雜工程問題的作用。雖然在課程講授過程中和章節(jié)結(jié)束時(shí)都設(shè)置有測(cè)驗(yàn)任務(wù),但均為以考查知識(shí)點(diǎn)理解和掌握為主,且所涉及知識(shí)點(diǎn)和考查目標(biāo)較為分散,注重對(duì)單一知識(shí)點(diǎn)的理解,缺少以實(shí)際工程為背景的實(shí)踐任務(wù)牽引,難以有效培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的整合運(yùn)用能力和對(duì)復(fù)雜工程問題的解決能力。

(4)評(píng)價(jià)考核方式單一。當(dāng)前對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的考查采用綜合平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)的方式,缺少對(duì)學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià),教師無法根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的反饋調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)模式,進(jìn)而不利于教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)。

由此可見,在教學(xué)模式上,該課程尚需借鑒OBE-CDIO理念,探索和構(gòu)建適應(yīng)新工科需求的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)、混合式教學(xué)模式、實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容和評(píng)價(jià)反饋機(jī)制。

2 基于OBE-CDIO理念的課程教學(xué)模式建設(shè)

2.1 基于OBE理念重構(gòu)教學(xué)目標(biāo)

合理制定教學(xué)目標(biāo)是進(jìn)行課程改革的重要前提,OBE教育理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向,按照新工科建設(shè)要求,并結(jié)合本校本專業(yè)最新人才培養(yǎng)方案和畢業(yè)要求,反向設(shè)計(jì)課程目標(biāo)。“城市雨洪模擬技術(shù)”課程在2018版專業(yè)人才培養(yǎng)方案中支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)為設(shè)計(jì)開發(fā)解決方案、使用現(xiàn)代工具,是一門注重將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的專業(yè)基礎(chǔ)課程。因此,該課程的教學(xué)目標(biāo)包含:

(1)課程教學(xué)目標(biāo)一:深刻理解城市內(nèi)澇成因及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)中造成的危害,能夠結(jié)合給排水工程專業(yè)相關(guān)理論,對(duì)實(shí)際雨洪管控問題進(jìn)行合理概化和初步分析。

(2)課程教學(xué)目標(biāo)二:了解暴雨徑流模擬的重要性,對(duì)常見的雨洪模型軟件有基本認(rèn)識(shí);掌握SWMM(Storm Water Management Model)模型的原理。

(3)課程教學(xué)目標(biāo)三:熟練掌握SWMM建模方法,具有數(shù)據(jù)處理、模型構(gòu)建、參數(shù)分析和結(jié)果評(píng)價(jià)的能力。

(4)課程教學(xué)目標(biāo)四:能夠針對(duì)實(shí)際雨洪災(zāi)害工程問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì),利用SWMM模型進(jìn)行模擬分析,初步具有解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.2 混合式教學(xué)模式建立

綜合考慮本門課程特點(diǎn),建立線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式,推動(dòng)落實(shí)OBE工程教育理念,調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,激發(fā)學(xué)習(xí)潛能,讓學(xué)生成為課堂學(xué)習(xí)和知識(shí)傳遞的主體,提升其知識(shí)運(yùn)用能力。基于上一節(jié)中所建立的課程目標(biāo),該課程教學(xué)改革方案包括:

(1)完善線上學(xué)習(xí)資源。對(duì)教師而言,線上教學(xué)既有實(shí)施靈活、形式多樣等優(yōu)點(diǎn),也存在無法較好直接了解學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的缺點(diǎn),學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也需要教師提供豐富多樣的學(xué)習(xí)資源來激發(fā)和維持。同時(shí),學(xué)生的學(xué)習(xí)效果需要?jiǎng)e樣的考核評(píng)價(jià)方式。根據(jù)知識(shí)特點(diǎn),對(duì)教學(xué)內(nèi)容的線上線下部分進(jìn)行合理分配,豐富線上學(xué)習(xí)資源,包括課件、微課視頻、在線測(cè)試習(xí)題等,并根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況適時(shí)推送和互動(dòng)落實(shí)。

(2)線上教學(xué)。作為對(duì)傳統(tǒng)線下教學(xué)的補(bǔ)充,教師課前在線上平臺(tái)發(fā)布即將講授的課程內(nèi)容和與理論部分對(duì)應(yīng)的測(cè)試習(xí)題,學(xué)生可根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況,靈活選擇學(xué)習(xí)資源進(jìn)行預(yù)習(xí)。課中或課后將微課視頻、延伸閱讀資料、測(cè)試習(xí)題等學(xué)習(xí)資源推送給學(xué)生,供其進(jìn)行碎片化學(xué)習(xí),進(jìn)一步鞏固學(xué)習(xí)成果。教師通過線上教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能、線上社交軟件等,與學(xué)生保持溝通,針對(duì)教學(xué)過程中和學(xué)生自主學(xué)習(xí)中遇到的各類問題予以解答,及時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況,優(yōu)化教學(xué)模式。

(3)線下教學(xué)。作為課程理論知識(shí)傳授的主戰(zhàn)場(chǎng),教師設(shè)計(jì)互動(dòng)性強(qiáng)、與線上教學(xué)資源形成交融互補(bǔ)的線下教學(xué)資源和教學(xué)方式。教師在課程講授中適時(shí)發(fā)布在線討論或測(cè)試題,組織學(xué)生對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容和習(xí)題的解題思路進(jìn)行討論,加深學(xué)生對(duì)知識(shí)多層面和多角度的理解。引導(dǎo)推動(dòng)實(shí)踐任務(wù)的順利開展,學(xué)生以分組協(xié)作的方式完成實(shí)踐任務(wù),強(qiáng)化對(duì)知識(shí)的運(yùn)用,提升解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.3 基于CDIO理念的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)

CDIO理念突出理論知識(shí)掌握與實(shí)踐能力培養(yǎng)相結(jié)合,依托具有實(shí)際工程背景的實(shí)踐任務(wù),讓學(xué)生成為知識(shí)學(xué)習(xí)和解決問題的主體,在學(xué)與做的過程中理解和運(yùn)用知識(shí),逐步養(yǎng)成和提升工程師素養(yǎng),加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。為此,在CDIO理念指引下,以給排水專業(yè)及智慧水務(wù)分支中雨洪管控工程問題為背景,融入本校交通特色,設(shè)計(jì)以“基于多源信息的城市洪水中人車失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)模擬分析系統(tǒng)”為主題的實(shí)踐任務(wù),旨在提升學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問題的認(rèn)識(shí)和解決能力。任務(wù)實(shí)施階段如下(如圖1):

(1)構(gòu)思:為提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí),將學(xué)生分成若干小組,3～5人一組,每組任命一位組長(zhǎng)。教師首先向?qū)W生明確實(shí)踐任務(wù)的內(nèi)容和要求,對(duì)任務(wù)的背景和所涉及的本門課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說明,引導(dǎo)學(xué)生查閱城市洪水中人車失穩(wěn)的相關(guān)文獻(xiàn)資料;然后應(yīng)用雨洪管理理論對(duì)問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析,對(duì)解決問題的技術(shù)路徑進(jìn)行梳理,對(duì)每一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)涉及的知識(shí)點(diǎn)和步驟進(jìn)行細(xì)化;最后學(xué)生利用雨洪模擬技術(shù),構(gòu)建模型模擬分析人車失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)并提出風(fēng)險(xiǎn)管控方案。

(2)設(shè)計(jì):基于對(duì)問題的初步分析,對(duì)模型構(gòu)建所需的數(shù)據(jù)資料等進(jìn)行收集和整理,對(duì)涉及的關(guān)鍵參數(shù)的靈敏性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證,設(shè)計(jì)出模擬計(jì)算場(chǎng)景和雨洪管控優(yōu)化方案,并對(duì)方案的可行性進(jìn)行探討和驗(yàn)證。

(3)實(shí)施:利用雨洪模擬知識(shí)和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)降雨、地形、管道等多源信息進(jìn)行處理,構(gòu)建和運(yùn)行SWMM模型,對(duì)管道溢流及其引發(fā)的洪水特征進(jìn)行分析,探討和驗(yàn)證模型的可靠性、參數(shù)設(shè)置的合理性。

(4)運(yùn)作:根據(jù)人車類別及其相應(yīng)的失穩(wěn)判斷標(biāo)準(zhǔn),對(duì)雨洪模擬結(jié)果進(jìn)一步處理,分析計(jì)算失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)并做可視化,結(jié)合歷史洪水事件對(duì)所構(gòu)思方案的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。學(xué)生以小組為單位對(duì)實(shí)踐任務(wù)的完成過程和結(jié)果做報(bào)告,需明確每名組員的貢獻(xiàn),組員按各自負(fù)責(zé)的內(nèi)容匯報(bào)任務(wù)的場(chǎng)景設(shè)計(jì)、方案執(zhí)行過程以及活動(dòng)心得。教師組織同學(xué)對(duì)每組表現(xiàn)的亮點(diǎn)和不足進(jìn)行點(diǎn)評(píng)與總結(jié),訓(xùn)練學(xué)生的批判性思維。

圖1 以CDIO理念為指導(dǎo)的基于多源信息的城市洪水中人車失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)模擬分析系統(tǒng)實(shí)踐任務(wù)

實(shí)踐任務(wù)以CDIO理念為指導(dǎo),以實(shí)際工程問題為背景,按照構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)作四個(gè)階段,逐步引導(dǎo)學(xué)生厘清問題的原因、解決的路徑、技術(shù)要點(diǎn)和最終方案的執(zhí)行,完成從理論到實(shí)踐的跨越,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情,形成自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)求知探索、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的良好氛圍,達(dá)到較好學(xué)習(xí)效果,實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。教師需對(duì)任務(wù)實(shí)施過程的不同階段進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià),從而有效指導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)的靈活運(yùn)用和形成科學(xué)研究思維,促進(jìn)學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問題的認(rèn)識(shí)水平和解決能力的提升。

3 基于過程的理論教學(xué)與實(shí)踐能力培養(yǎng)綜合評(píng)價(jià)

課程考核評(píng)價(jià)是教學(xué)活動(dòng)的重要組成部分。傳統(tǒng)的考核方式以考試為主,缺少對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的關(guān)注,此種模式下不少學(xué)生易形成“臨時(shí)抱佛腳”的學(xué)習(xí)心理,不利于對(duì)課程知識(shí)的牢固掌握和理解應(yīng)用。顯然,恰當(dāng)?shù)恼n程考核方式,一方面能有助于間接推動(dòng)和提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,助力教師進(jìn)一步掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況;另一方面對(duì)課程建設(shè)和教學(xué)活動(dòng)的持續(xù)改進(jìn)也能發(fā)揮借鑒和促進(jìn)作用。

因此,改進(jìn)課程考核方式,采用過程評(píng)價(jià)和期末考核并重的方式,二者各占總成績(jī)的一半。過程性考核成績(jī)由平時(shí)成績(jī)、實(shí)踐任務(wù)成績(jī)兩部分構(gòu)成。其中,平時(shí)成績(jī)由課上互動(dòng)、課后作業(yè)構(gòu)成,實(shí)踐任務(wù)成績(jī)由任務(wù)完成過程中的階段性考核和最終報(bào)告進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

多樣化的課程考核方式不僅可以多角度、多層面考查學(xué)生對(duì)基本理論的掌握情況,也能較為客觀地反映出學(xué)生在面對(duì)實(shí)際工程問題時(shí)的知識(shí)運(yùn)用能力。實(shí)踐任務(wù)及對(duì)應(yīng)考核方式的設(shè)置能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性,在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中保持學(xué)習(xí)熱情和專注度,對(duì)良好教學(xué)效果的達(dá)成提供保證,有利于提升學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和解決復(fù)雜工程問題的能力。

結(jié)語

為培養(yǎng)滿足新工科要求的智慧水務(wù)領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人才,以“城市雨洪模擬技術(shù)”課程為例,引入OBE理念重構(gòu)課程教學(xué)目標(biāo),建立和完善線上線下混合式教學(xué)模式,設(shè)計(jì)以CDIO理念為指導(dǎo)、以提升學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問題的認(rèn)識(shí)水平和解決能力為目標(biāo)的課程實(shí)踐任務(wù),調(diào)整采用多樣化的基于過程考核評(píng)價(jià)和期末考核并重的課程考核方式。實(shí)踐證明,可有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性,提高教學(xué)效果,提升學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和復(fù)雜工程問題解決能力,為培養(yǎng)新工科背景下具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力的智慧水務(wù)領(lǐng)域高素質(zhì)應(yīng)用型人才提供了教學(xué)模式的創(chuàng)新示范。