基于布魯姆教育理論的船舶輔機(jī)混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

楊 杰，邢鵬飛，孫樹德，王生海

（大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026）

0 引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。2016 年6 月，我國正式成為《華盛頓協(xié)議》的第18 個(gè)成員國，這意味著通過認(rèn)證專業(yè)的畢業(yè)生學(xué)位會(huì)得到國際互認(rèn)，同時(shí)也標(biāo)志著我國高等教育走向了世界［1］。相比于傳統(tǒng)教育，工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心是確認(rèn)工科專業(yè)畢業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，即以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)出口要求為導(dǎo)向的合格性評價(jià)。這種理念聚焦學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和能力獲得，以學(xué)生為本，把學(xué)生作為知識和能力的構(gòu)建者，極盡資源搭建階梯，創(chuàng)設(shè)成功環(huán)境，并注重學(xué)生的階段性成果，輔以監(jiān)督引導(dǎo)，促使其學(xué)習(xí)質(zhì)量及成果呈階梯上升態(tài)勢［2］。

航海類本科作為極具特色的工科專業(yè)，具有知識量大、涉及面廣等特點(diǎn)，且實(shí)踐性強(qiáng)、難度高［3］。因此，需要加快改革創(chuàng)新，以培養(yǎng)滿足世界范圍內(nèi)工程教育專業(yè)認(rèn)證的高素質(zhì)、復(fù)合型、應(yīng)用型航海人才?！按拜o機(jī)”是輪機(jī)工程專業(yè)的一門主干課程［4-6］，該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中涉及很多大型或綜合訓(xùn)練項(xiàng)目。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的安全性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被引入到課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，形成開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的線上線下混合式教學(xué)新模式［7］。但是現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提升主要是依賴于技術(shù)本身所營造的沉浸體驗(yàn)，缺乏對實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)一步優(yōu)化的具體指導(dǎo)。

本文針對“船舶輔機(jī)”課程中的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以“液壓起貨機(jī)的操作與管理”為例，應(yīng)用布魯姆教育目標(biāo)分類理論構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程內(nèi)容，根據(jù)虛擬場景和實(shí)物設(shè)備在教學(xué)活動(dòng)中的優(yōu)勢部署教學(xué)活動(dòng)，結(jié)合傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考核方法與動(dòng)態(tài)變化的實(shí)操題目定量評價(jià)學(xué)生的知識掌握能力。此外，學(xué)生的安全責(zé)任意識和工程價(jià)值觀也都融入到實(shí)踐教學(xué)中，以滿足當(dāng)前工程教育專業(yè)認(rèn)證的需要。

1 布魯姆教育理論內(nèi)涵

布魯姆教育理論的內(nèi)涵主要是指布魯姆教育目標(biāo)分類學(xué)理論以及其在教學(xué)設(shè)計(jì)中的一般實(shí)施過程。

1.1 教育目標(biāo)分類學(xué)理論的相關(guān)內(nèi)容

布魯姆教育理論是20 世紀(jì)50 年代美國著名的心理學(xué)家、教育家本杰明·布魯姆為了美國社會(huì)未來科學(xué)家的培養(yǎng)，擺脫美國學(xué)校主要測試學(xué)生記憶力的局面，提高學(xué)生的思考理解能力而提出的，并以其名字進(jìn)行命名。該理論是現(xiàn)代教育史上研究教育目標(biāo)分類的里程碑，提出了一套系統(tǒng)的可供觀察和測量的分類系統(tǒng)，為課程教學(xué)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、管理、實(shí)施與評價(jià)提供了科學(xué)的依據(jù)［8-9］，并且經(jīng)受了時(shí)間和實(shí)踐的檢驗(yàn)，被國際教育界所采用和研究，對學(xué)校教學(xué)和測試的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。

在布魯姆研究的基礎(chǔ)上，Krathwohl 等對布魯姆教育目標(biāo)分類學(xué)理論進(jìn)行了深入的分析和反思，并建立了新目標(biāo)。此后，布魯姆教育理論將認(rèn)知領(lǐng)域教育目標(biāo)分為兩個(gè)維度，即知識維度和認(rèn)知過程維度［10］。知識維度重點(diǎn)是將不同類型的知識進(jìn)行分類，包括事實(shí)性知識、概念性知識、程序性知識和元認(rèn)知知識，用以幫助教師在教學(xué)過程中區(qū)分知識的類型，認(rèn)知過程維度則是重點(diǎn)區(qū)分對所教授知識起作用的智力操作，主要幫助教師明確促進(jìn)學(xué)生掌握和應(yīng)用知識的程度歷程，從學(xué)習(xí)行為的難易程度從低到高依次為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價(jià)和創(chuàng)造。布魯姆教育理論認(rèn)知領(lǐng)域教育目標(biāo)分類如圖1 所示。

圖1 布魯姆教學(xué)理論教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 教育目標(biāo)分類學(xué)理論的實(shí)施過程

布魯姆教育目標(biāo)分類理論已在航海類專業(yè)的理論和實(shí)踐課程中取得了較好的應(yīng)用效果，并能夠與其他教學(xué)方法完美的融合。王浩亮等［11］根據(jù)航海類專業(yè)及其課程特點(diǎn)，提出融合MOOC 和布魯姆教育理論的教學(xué)模式，并將其應(yīng)用于航海類專業(yè)課程“船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)”中，通過調(diào)查問卷、課程成績對照分析及專家評價(jià)證明該教學(xué)模式顯著提高了教學(xué)質(zhì)量。孫樹德等［12］結(jié)合布魯姆教育目標(biāo)分類理論探討了航海類本科“動(dòng)力設(shè)備拆裝”實(shí)踐課程中齒輪泵拆裝教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建過程，并對應(yīng)用效果進(jìn)行了實(shí)證評價(jià)。另外，在非航海類課程的教學(xué)中，劉宇［13］將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式與布魯姆的教學(xué)目標(biāo)分類相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了法學(xué)教育中學(xué)生高階思維能力的鍛造。

通過對上述文獻(xiàn)中教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建過程進(jìn)行總結(jié)，可以得出布魯姆教育目標(biāo)分類學(xué)理論在教學(xué)設(shè)計(jì)中的一般實(shí)施過程。首先，分析教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)目標(biāo)所包含的知識點(diǎn)，提煉出教學(xué)目標(biāo)中的動(dòng)詞和名詞，形成動(dòng)賓短語，并與知識維度和認(rèn)知過程維度中各類別建立關(guān)系；然后，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)制定教學(xué)活動(dòng)，且每個(gè)教學(xué)目標(biāo)可對應(yīng)一項(xiàng)或多項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)，但每項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)只能針對某一教學(xué)目標(biāo)開展；最后，對學(xué)生在各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)中的學(xué)習(xí)情況和學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價(jià)，形成教學(xué)活動(dòng)過程的閉環(huán)以及持續(xù)改進(jìn)。需要指出，在整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)的過程中，一定要確保教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)活動(dòng)和教學(xué)評價(jià)三者的一致性，如圖2 所示。否則，將無法保證教學(xué)過程的監(jiān)督和檢查，以及為教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)提供可量化的指標(biāo)。

2 布魯姆教育理論的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

應(yīng)用布魯姆教育目標(biāo)分類理念將“液壓起貨機(jī)的操作與管理”實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)從知識維度和認(rèn)知維度重新分類并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的表述，結(jié)合線上虛擬系統(tǒng)和線下實(shí)物設(shè)備設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)和教學(xué)評價(jià)，從而形成基于布魯姆教育理論的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2.1 教學(xué)目標(biāo)的確立

“液壓起貨機(jī)的操作與管理”是輪機(jī)工程專業(yè)課程中的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生使用、管理和維護(hù)船舶液壓起貨機(jī)的能力。在教學(xué)大綱中，該實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)為能力目標(biāo)，要求學(xué)生掌握液壓起貨機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并具備日常維護(hù)管理能力。為了更好地滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，將上述能力目標(biāo)進(jìn)一步細(xì)化，分解為若干知識目標(biāo)和能力目標(biāo)，同時(shí)還需要增設(shè)價(jià)值目標(biāo)。因此，根據(jù)布魯姆教育理論中教育目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)表述方法，“液壓起貨機(jī)的操作與管理”教學(xué)目標(biāo)的具體內(nèi)容如下：

價(jià)值目標(biāo)1培養(yǎng)安全操作意識；

價(jià)值目標(biāo)2分析起貨機(jī)維護(hù)管理對航運(yùn)發(fā)展的影響；

知識目標(biāo)3掌握起貨機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理；

知識目標(biāo)4認(rèn)識液壓起貨機(jī)結(jié)構(gòu)組成；

能力目標(biāo)5正確實(shí)施液壓起貨機(jī)的起停操作和日常維護(hù)管理；

能力目標(biāo)6正確執(zhí)行起貨機(jī)參數(shù)調(diào)整和應(yīng)急操作。

教學(xué)目標(biāo)1、3 中的“培養(yǎng)”和“掌握”屬于認(rèn)知維度中“理解”的類別；“安全操作意識”主要是指個(gè)人防護(hù)用品的穿戴、安全檢查事項(xiàng)以及應(yīng)急逃生的步驟等，對應(yīng)知識維度中的程序性知識。因此，教學(xué)目標(biāo)1 是使學(xué)生理解程序性知識；教學(xué)目標(biāo)2 是使學(xué)生分析元認(rèn)知知識；教學(xué)目標(biāo)3 和4 是使學(xué)生理解概念性知識；教學(xué)目標(biāo)5 和6 是使學(xué)生分析程序性知識。

2.2 教學(xué)活動(dòng)的部署

船舶起貨機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，通過WEBGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)下的系統(tǒng)訪問功能，保證學(xué)生可以隨時(shí)隨地通過手機(jī)、平板或PC電腦在瀏覽器環(huán)境下登錄系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)又可進(jìn)一步分為學(xué)生端系統(tǒng)和教師端系統(tǒng)。學(xué)生端系統(tǒng)的界面如圖3 所示，主要包含參數(shù)及原理介紹、視頻教學(xué)、操作訓(xùn)練以及考試評估等功能。其中，“參數(shù)及原理介紹”是以圖文的型式對起貨機(jī)技術(shù)參數(shù)、液壓系統(tǒng)及工作原理進(jìn)行說明；“視頻教學(xué)”提供教學(xué)視頻播放列表，可播放起貨機(jī)操作的相關(guān)教學(xué)視頻；“操作訓(xùn)練”是將教師在后臺發(fā)布的訓(xùn)練數(shù)據(jù)下載到學(xué)生端，并在自動(dòng)配置相關(guān)數(shù)據(jù)后引導(dǎo)學(xué)生開展有目的的操作訓(xùn)練；“考試評估”則根據(jù)教師端系統(tǒng)在后臺發(fā)布的考試信息動(dòng)態(tài)更新題目，并對學(xué)員的仿真操作進(jìn)行評分。

圖3 學(xué)生端仿真教學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)功能界面

為確保各教學(xué)目標(biāo)能夠達(dá)成，根據(jù)虛擬仿真與實(shí)物設(shè)備在教學(xué)應(yīng)用中分別所具備的優(yōu)勢，開展如下的教學(xué)活動(dòng)：

教學(xué)活動(dòng)1閱讀相關(guān)的圖文資料，自主開展船舶起貨機(jī)液壓系統(tǒng)組成和工作原理的學(xué)習(xí)；

教學(xué)活動(dòng)2在仿真訓(xùn)練界面中進(jìn)行三維漫游，通過虛擬場景觀察實(shí)船的起貨機(jī)系統(tǒng)；

教學(xué)活動(dòng)3在教學(xué)視頻的播放列表中選擇相應(yīng)的視頻，觀看起貨機(jī)啟停和日常管理的規(guī)范操作；

教學(xué)活動(dòng)4講解起貨機(jī)操作中的潛在危險(xiǎn)以及啟動(dòng)之前的安全檢查事項(xiàng)，并現(xiàn)場演示個(gè)人防護(hù)用品的穿戴方法、步驟及注意事項(xiàng)，并給出具體評判標(biāo)準(zhǔn)；

教學(xué)活動(dòng)5介紹液壓起貨機(jī)在實(shí)船應(yīng)用和發(fā)展的歷程，要求學(xué)生對船舶起貨機(jī)的新技術(shù)進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，并在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中闡述起貨機(jī)的維護(hù)管理對船舶營運(yùn)以及航運(yùn)發(fā)展的影響；

教學(xué)活動(dòng)6講解和演示船舶起貨機(jī)的啟動(dòng)準(zhǔn)備、啟動(dòng)操作和停用操作的詳細(xì)過程以及起貨機(jī)運(yùn)行中維護(hù)管理的知識要點(diǎn)；

教學(xué)活動(dòng)7結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的不同工況講解參數(shù)調(diào)整的方法，同時(shí)指導(dǎo)學(xué)生正確的開展起貨機(jī)設(shè)備故障之后的應(yīng)急操作。

在上述教學(xué)活動(dòng)中，教學(xué)活動(dòng)1 對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)3，教學(xué)活動(dòng)2 對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)4，教學(xué)活動(dòng)3 和教學(xué)活動(dòng)6對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)5，教學(xué)活動(dòng)4 對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)1，教學(xué)活動(dòng)5 對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)2，教學(xué)活動(dòng)7 對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)6，且教學(xué)活動(dòng)的部署情況如圖4 所示。

圖4 教學(xué)活動(dòng)的部署情況

2.3 教學(xué)評價(jià)的方法

為了有效地評判學(xué)生的實(shí)操技能，船舶起貨機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的教師端界面中設(shè)置了試題編輯功能，且在該界面中可以對試題庫中的每一道試題進(jìn)行編輯或者在線出題。每道題目由若干個(gè)評分項(xiàng)組成，每個(gè)評分項(xiàng)分別對應(yīng)一個(gè)評分變量且通過增減評分變量或是改變評分變量的評分規(guī)則就可以實(shí)現(xiàn)對題目的快速編輯和修改［14］。因此，相比傳統(tǒng)的仿真教學(xué)系統(tǒng)［15］，采用動(dòng)態(tài)變化的實(shí)操題目來考核學(xué)生的知識掌握能力，所得到的評判結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。

結(jié)合船舶起貨機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的考試評估功能，進(jìn)行如下的教學(xué)評價(jià)，且具體的評價(jià)方案如表1 所示。

表1 液壓起貨機(jī)操作管理實(shí)驗(yàn)評價(jià)方案

教學(xué)評價(jià)1檢查學(xué)生的個(gè)人防護(hù)用品使用情況，現(xiàn)場糾正并記錄在考核表中；

教學(xué)評價(jià)2隨機(jī)抽查學(xué)生，提問教學(xué)目標(biāo)3、4中的相關(guān)知識，口述答案，并記錄在考核表中；

教學(xué)評價(jià)3根據(jù)各組學(xué)生的操作演示情況，檢查啟停操作和維護(hù)管理是否正確，并記錄在考核表中；

教學(xué)評價(jià)4批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，關(guān)注格式規(guī)范性、內(nèi)容邏輯性、字跡工整性等內(nèi)容，并記錄在考核表中；

教學(xué)評價(jià)5登錄線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，查看實(shí)操題目的作答情況，并記錄在考核表中。

3 教學(xué)改革效果

通過對“液壓起貨機(jī)的操作與管理”實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)改革，參與教學(xué)調(diào)研的2019 級輪機(jī)管理專業(yè)學(xué)生普遍認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容更加豐富，教學(xué)方法更加靈活，自身的安全防護(hù)意識與技能得到顯著提高，并在實(shí)踐學(xué)習(xí)中樹立了正確的價(jià)值觀念。通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)了解到，課外線上階段的學(xué)習(xí)率達(dá)到100%；課內(nèi)線下階段的教學(xué)進(jìn)度較改革前提前約15 min，學(xué)習(xí)效率明顯提升；實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫較以往更加規(guī)范和條理，對問題展開了更深入的分析。由此可見，此次混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革迎合了工程教育專業(yè)認(rèn)證對人才培養(yǎng)的要求，取得了良好的教學(xué)效果。

4 結(jié)語

隨著信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)的不斷深入融合，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已逐漸成為高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)與完善的必要手段。同時(shí)，在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，通過對實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的進(jìn)一步優(yōu)化來提高實(shí)踐教學(xué)效果十分必要。本文針對航海類專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，以“液壓起貨機(jī)的操作與管理”實(shí)踐環(huán)節(jié)為例，應(yīng)用布魯姆教育目標(biāo)分類理念重新構(gòu)建了課程內(nèi)容，結(jié)合虛擬系統(tǒng)和實(shí)物設(shè)備設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)和教學(xué)評價(jià)。教學(xué)改革得到了廣泛的認(rèn)可，并在提升學(xué)生實(shí)踐能力的同時(shí)，培養(yǎng)了安全責(zé)任意識和樹立了正確的工程價(jià)值觀，從而為航海類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。