教育教学论文:CDIO与“以学生为中心”结合的“流体力学”教学改革实践
胡昊 黄健 朱曙光
[摘 要] 新时代对人才需求的变化及大学生思想行为的变化,为高等学校的教育带来了新的挑战,传统教学模式亟待改变。针对“流体力学”课程在新形势下表现出的一些问题,探讨了在其教学模式、教学内容、教学活动与组织、教学方法、教学手段及教学评价方面进行教学改革的可行性,采用国际公认的CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate)工程教育模式与“以学生为中心”的教学方式相结合,展开“流体力学”课程的教学改革实践探索。结果表明:该教学模式提升了学生的学习积极性和动手操作能力,是一种适合新形势的“流体力学”的教学模式。
[关键词] CDIO;学生中心;流体力学;教学改革
[基金项目] 2019年度安徽建筑大学校级质量工程“基于CDIO工程教育模式的流体力学课程教学改革(2019jy17)”;2019年度安徽省一流本科人才示范引领基地“环能一流本科人才示范引领基地(2019jrcsfjd058)”;2020年度安徽省级质量工程“水质工程学教学团队”(2020jxtd061)
[作者简介] 胡 昊(1981—),男,安徽淮南人,工学博士,安徽建筑大学环境与能源工程学院讲师,硕士生導师,主要从事海绵城市雨水净化与资源化利用研究;朱曙光(1976—),男,安徽淮北人,博士,安徽建筑大学环境与能源工程学院教授,院长(通信作者),主要从事水环境综合治理与控制研究。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324(2021)19-0071-05 [收稿日期] 2020-12-24
一、引言
新时代对人才需求的变化推动着教育不断改变;大学生所处的环境发生变化,使得大学生的思想和行为特质也发生了变化,这些都对高校的教学方法提出了新的挑战[1]。教师的教学观念也渐渐发生改变,教学方式逐渐由教师主导型向以学生为主体的方式转变。此外,计算机和网络的飞速发展使学生获取知识的方式也不断增多,这对传统的教学方式产生了很大影响[2],教师应该从传统的灌输式教学向引导型教学转变,引导学生自主学习,培养学生自主学习能力。笔者团队教授的“流体力学”是学校老牌专业给排水科学与工程专业的基础课,开设时间较久,教学资料较为完整和齐全,具有较强的师资力量。同时本团队也长期服务于土木工程、道路桥梁及应用物理等相关专业的“流体力学”教授工作。与理论课相配套的“流体力学实验室”成立于1987年,经过多年的积累,仪器设备齐全。本课程所依托的给排水科学与工程专业建立了多个校外实践基地,通过校外实训基地的实习,学生可清晰深刻地了解流体力学在工程上的应用。
本课程的教学虽有一定基础,但是在新形势下仍表现出一些问题,主要体现在以下几个方面:(1)理论教学与实际工程差距较大,造成学生学习完理论后在实践工程中很难应用,制约了学生的实践工程应用能力;(2)公式复杂和理论繁多,采用传统的教学方式学生没有兴趣,教学困难,教学效果差;(3)传统的笔试,考核方式单一,造成学生学习均以应试为目的,考核的结果也很难衡量学生实践工程能力。因此,本课程教学改革汲取麻省理工学院的工程教学理念CDIO,即构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement)和运行(Operate)的教学模式[3],拟将CDIO教育理念引入“流体力学”的课程教学中,提高学生的工程实践能力。此外,学生的认知建构是在课堂这个特定社会环境中形成的,其是由学生和教师共同来完成的[4]。因此,学习目标确定、学习效果的考核等都应当让学生参与,以提高学生的学习主动性。本研究提出“CDIO工程教育模式耦合以学生为中心教学方式的‘流体力学教学改革”。
二、教学改革的实现
(一)教学模式
采用传统教学模式与现代教学模式相结合的教学模式。一方面采用教师系统地传授和学生全面学习课本知识的传统教学模式,另一方面以学生为中心,教师引导学生在教学和实践活动中自主学习,两种教学模式相结合。一堂课可采用一种教学模式,或者两种教学模式相结合,灵活多变,相互补充,既发挥了传统讲授型教学模式的优点,又结合了现代以学生为中心教学模式的特点,可以取得较好的教学效果。
(二)教学内容
传统的“流体力学”教学内容已经不能满足当今社会对流体力学类工程人才的要求。基于CDIO工程教育理念构建的新课程体系对教学内容有大的调整,强化工程实践环节,通过实践加强学生对基础知识的积累和运用能力,重视对学生动手能力的培养。同时,课程内容也会介绍流体力学的最新发展,以构建新型、多层次课程教学内容,极大地吸引学生的学习兴趣。
(三)教学活动与组织
教学活动与组织一般布置三个环节:第一个环节,教师系统地传授理论知识,学生系统地学习理论知识;第二个环节,教师辅导学生设计方案解决流体力学实际工程问题;第三个环节,设置学生互评和教师点评相结合的评价机制,制订每次任务的打分细则,给每个同学评价打分。
第一个环节主要以教室为教学活动场所,第二个环节主要以实验室或实训基地为主要教学活动场所,第三个环节以教室和实验室/实训基地相结合为教学活动场所。多方位教学活动场所使学生的注意力回归到教学活动中,运用灵活多样的教学活动,引导学生从被动式学习转化为主动式学习,提高学生的操作动手能力和工程思维。
(四)教学方法
采用巴班斯基提出的三类教学方法相结合的教学方法:第一类:组织和自我组织学习认识活动的方法;第二类:激发学习和形成学习动机的方法;第三类:检查和自我检查教学效果的方法[5]。
(五)教学手段
采用传统教学手段与现代化教学手段相结合。传统教学手段主要采用教科书、粉笔、黑板等;现代化教学手段采用各种电化教育器材和教材,把投影仪、计算机、现代网络技术平台和软件等引入课堂。本研究采用雨课堂加网络课堂的教学手段,学生通过微信小程序加入雨课堂,可以实时与教师互动,留言提问,查看教师上课PPT,提交发布作业;教师可以通过雨课堂进行学生分组,布置任务,查看学生作业,评价学生作业,课堂上教师可通过雨课堂随机点名和提问。
(六)教学评价
教学评价以教学目标为导向,以美国俄克拉荷马大学教授芬克的整合性课程设计模型[6] (P4)为依据,设置形成性评价与总结性评价相结合的教学评价体系。
形成性评价是在教学过程中,为调节和完善教学活动、保证教学目标得以实现而进行的确定学生学习成果的评价,本研究采用的形成性评价具体步骤如下:(1)确定形成性学习单元的目标和内容,分析其包含要点和各要点的层次关系;
(2)每次实际操作设置一次形成性评价,每个章节结束设置一次形成性评价,评价量表采用Rubric表格,参照的T.Sasipraba等[7]的设计(如表1所示);(3)形成性评价后,教师及时分析结果,判断教学效果,在下次课中给学生讲评易错点,并在后期的教学中适当地调整教学方法和形式,以改善教学效果。
为了激发学生的学习积极性,形成性评价除了教师评价外还设置了学生间互评评价。Rubric表格,同样让学生互相进行评阅。一般地,发现别人的问题容易而发现自己的问题难。通过互评,学生可以更好地理解课程的目标和标准,思索自己完成项目时的问题和原因,培养学生的审辨思维能力。
为了激励学生参与到教学过程中,成为学习主体,教师可鼓励学生参与评价量表Rubric表格制定。让学生提出他们希望把什么作为课程目标、如何考核及采用什么考核标准。围绕评价量表的构建,和学生讨论课程的教学目标、学习方式和评价标准。这些可以更好地调动学生学习的主动性和积极性。同时,也可把教师的目标和标准变成学生的目标和标准。
总结性评价是以预先设定的教学目标为基准,对评价对象达成目标的程度做出评价。本课程的教学在学期中或学期末各进行一次,按目标参照评价方式进行期中或期末的综合性评价。
三、举例
(一)CDIO耦合“以学生为中心”的教学设计
以“水流阻力和水头损失”学习单元的教学为例,说明具体实施方法。本次教学组织采用“以学生为中心”的教学方法“隔堂对分课堂”,耦合CDIO的四个步骤,组织讲授、自学、合作完成和评价改进,以充分调动学生的学习兴趣,提高学生的学习效果。具体教学设计如图1所示。隔堂对分用两堂课对分,第一堂课进行讲授和思考,第二堂课付诸实施和评价;耦合CDIO,第一堂课进行构思(Conceive)和设计(Design),第二堂课付诸实施(Implement)和运行(Operate)。第一堂课在教室里进行,第二堂课在实验室进行分组操作和讨论,以及评价与修正。
(二)评价方法
本学习单元实行形成性评价,具体步骤如下:(1)确定形成性学习单元的目标:通过教学和活动组织,使学生了解水流阻力的两种类型,掌握两种类型的水头损失的计算方法,初步具有设计水头损失测定方案的能力,分析实现此目标包含的要点和各要点的层次关系;(2)邀请部分学生参与讨论,设定切实可行的Rubric考核表格,如表1;(3)在局部阻力系数测定实施(Implement)结束后,进行学生互评和教师评价,其中学生互评占40%,老师评分占60%。评价采用Rubric考核表格,最后教师及时分析结果,判断教学效果,在下次课中给学生讲评易错点,提示学生今后注意。
(三)教学手段
导入部分采用视频播放手段,播放节能与节约是中华民族传统美德的相关视频,贯穿思想政治教育的同時,抓住学生的上课注意力;理论讲授部分主要采用课件+黑板+粉笔板书的方式,逐步演绎知识点的逻辑关系,让学生慢慢地接受较难理解的水头损失计算公式;课堂点名采用雨课堂,让学生感觉课堂很有趣;课下的资源采用传统纸质教材和参考书+电子教材和参考书、学习通网络课堂,以及雨课堂的PPT、作业和讨论的发布,充分调动了学生课下学习的积极性。
(四)课后学习资源
1.课本与电子书资源。本课程以柯葵、朱立明编著的《流体力学与流体机械》,时连君等编著的《工程流体力学实验教程》为基础教材;其他相关参考书包括:龙天渝主编的《流体力学(第二版)》,莫乃榕编著的《工程力学实验》。这些课本和参考书均在学习通平台上有电子书供同学们查阅。
2.网络资源。课程设置了超星慕课平台,本课程理论部分的详细讲解和相关实验操作均可在平台查阅,平台网址:http://mooc1.chaoxing.com/course
/204382005.html。
3.雨课堂发布课件、任务和学生作品。在雨课堂设置了讨论交流区,增强师生、生生互动。
(五)教学效果分析
对进行课程教学改革实践的班级(2017级给排水)和未进行课程教学改革实践的班级(2018级给排水),进行问卷调查和教学效果对比分析。分析结果如图2A和B。图2A显示进行CDIO工程教育耦合“以学生为中心”的“流体力学”教学的班级,学习不感兴趣的同学比例明显下降,由2017级的28.8%降低为10.2%,感兴趣和非常感兴趣的比例占64.3%,而2017级这个比例仅为28.9%,这说明通过课程教学改革明显提升了学生的学习积极性。图2B显示进行课程教学改革的班级(2018级),成绩良和优秀的比例明显高于未进行教学改革的班级(2017级),分别是良45.9%Vs.15.4%,优秀22.4%Vs.8.7%,这说明通过课程教改明显提高了学生的学习成绩,这和学习兴趣呈现了正相关趋势,感兴趣的同学比例越高,学习成绩优良的比例越高。这说明通过CDIO工程教育耦合“以学生为中心”的“流体力学”教学改革提升了学生的学习兴趣,从而在学习成绩的提升上也有相应反映。
此外,对于学生动手操作能力也进行了调研和分析,具体结果见图3。图3显示进行课程教改的2018级学生“动手能力好”和“动手能力强”的比例明显高于未进行教改的2017级学生,分别是45.9% Vs.20.2%和18.4% Vs.16.3%。通过教改的班级,动手能力差的学生比例明显下降,由23.1%下降为10.2%。但是数据也表明学生动手能力的提升仍具有很大的空间(“能力一般”的和“能力差”的仍占35.7%)。
四、結论与问题
(一)结论
总之,CDIO工程教育模式耦合“以学生为中心”教学方式的“流体力学”教学改革,引入了CDIO的工程教育模式,更加注重培养学生的工程思维,提升了学生的操作动手能力。此外,“以学生为中心”的教学模式,旨在提高学生的学习主动性,和传统教学模式相比,本课程改革能够将自主学习贯穿整个教学过程,充分调动学生的学习主动性,提高学生的学习兴趣。因此,基于CDIO工程教育和“以学生为中心”的教学模式相结合的“流体力学”教学改革应用在给排水科学与工程及相关专业的“流体力学”的教学中,是较为适宜的一种教学方式。
(二)问题
新教学模式效果明显优于传统教学模式,但仍然存在很多问题和需要改进优化的部分。首先,教师前期需要根据学生的实际情况做大量的工作,包括教学设计、教学资源和实践项目,而且需要根据学生反馈的情况随时做出调整和优化,形成一个良好的体系,这些操作增加了教师的工作量,以期适合当前学生的最优教学设计难度较大。其次,学生高中以来形成的传统学习观念短时间内难以转变,对教师惯有的依赖性导致他们不愿意主动学习。最后,学生的实践操作团队交流和分工协助能力明显不足,惯有的自我学习模式导致团队配合度不高。这些问题还亟待在以后的教学改革中不断地实践与探索解决。
参考文献
[1]曾华鹏,邢媛,汤莉,等.基于能力本位与CDIO的应用型本科实践类课程改革[J].高等工程教育研究,2020(1):182-141.
[2]席酉民.未来教育的核心:心智营造[J].高等教育研究,2020,41(4):9-13.
[3]顾佩华,包能胜,康全礼,等.CDIO在中国(上)[J].高等工程教育研究,2012(3):24-40.
[4]Haruni Machumu and Chang Zhu. The Relationship Between Student Conceptions of Constructivist Learning and Their Engagement in Constructivist Based Blended Learning Environments[J].Int. J. Learning Technology,2017,12(3):253-272.
[5]陈立.巴班斯基教学优化理论在国际商法教学中的运用[J].宁德师范学院学报,2017(3):105-109.
[6]L.迪·芬克.创造有意义的学习经历:综合性大学课程设计原则[M].杭州:浙江大学出版社,2006.
[7]T.Sasipraba, R. Kaja Bantha Navas, N.M.Nandhitha, etal. Assessment Tools and Rubrics for Evaluating the Capstone Projects in Outcome Based Education[J].Procedia Computer Science,2020(172):296-301.
Research on the Teaching Reform of the Course of Fluid Mechanics by CDIO Engineering Education Model Coupled with the Student-centered Teaching Method
HU Hao, HUANG Jian, ZHU Shu-guang
(School of Environmental and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei, Anhui 230601, China)
Abstract: The change of the demand for talents and the change of the thought and behavior of college students in the new era have brought new challenges to the education of colleges and universities, and the traditional teaching model needs to be changed urgently. For some of the problems presented in the course of Fluid Mechanics in the new situation, this paper discusses the feasibility of teaching reform in its teaching model, teaching content, teaching activities and organization, teaching methods, teaching means and teaching evaluation. We adopt the CDIO (Conceive-Design-Implement-Operate) engineering education model coupled with the student-centered teaching method to carry out the practical exploration of teaching reform of this course. The results indicate that this teaching model can improve the learning enthusiasm and operational ability of students, and it is a suitable teaching model for the course of Fluid Mechanics under the new situation.
Key words: CDIO; student-centered; Fluid Mechanics; teaching reform
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