刘 非 陈 袁绍春 刘 臻

1.重庆交通大学河海学院 重庆 400074;2.重庆交通大学环境水利工程重庆市工程实验室 重庆 400074

新工科建设是国家为主动应对新一轮科技革命和产业变革的挑战,培养具有较强工程实践能力的新兴领域科技人才、布局未来战略必争领域人才培养、服务国家战略和区域创新发展需求而提出[1-2]。

对传统工科专业的课程教学进行改革研究有利于推动和落实新工科人才培养[3]。智慧水务是智慧城市理念在水务行业的延伸,是未来城市水务现代化发展的新目标,通过物联网、云计算、移动互联网等新兴技术与水务信息系统的结合,全面感知和整合城市取、供、用、排水和水环境基础信息,构建智慧水务云数据中心,提高水资源管理利用效率、加强水环境监督与保护、缓解城市内涝、促进城市生态环境可持续发展[4]。目前,我国智慧水务的发展还处于初期探索阶段,成功的案例不多,亟须一大批具有工程实践能力和创新思维的专业技术人才[5-6]。

由于智慧水务属于土木、水利、环境、计算机等多学科交叉领域,相关课程理论涉及面较广、技术更新迭代速度快,对实践能力有较高要求,教师在教学过程中若只注重理论讲解,而忽视了联系实际和知识应用,学生容易感觉知识落不到实处、学习难度大,影响教学目标的达成和人才培养质量。传统教学模式已较难适应新形势下工程教育理念对高素质应用型人才的培养要求。因此,针对智慧水务领域相关课程的教学方法进行改革研究已迫在眉睫,对提升新工科背景下该领域人才培养质量、加快我国水务行业智慧化建设有积极意义和深远影响。

工程类专业教育的核心理念OBE(Outcome-Based Education),即成果导向教育,倡导“学生为中心,成果为导向,持续改进”,已被广泛认同并实践于各领域人才培养中。CDIO(Conceive Design Implement Operate)理念,以任务驱动为载体,让学生在实践中升华对理论知识的理解,激发学习主动性,提升工程实践能力[7]。

本文基于新工科背景下的人才培养,以智慧水务领域课程“城市雨洪模拟技术”为例,探索融入OBE-CDIO理念的教学改革实践创新,在对现有课程教学问题分析的基础上,详细阐述了优化课程教学目标、创新混合式教学方案、设计以提升复杂工程问题解决能力为目标的实践任务和优化调整课程评价机制,为提升智慧水务专业领域课程教学效果和人才培养质量提供借鉴。

1 课程教学问题分析

“城市雨洪模拟技术”在我校给排水科学与工程专业2018版人才培养方案中属于专业基础必修课程。通过本课程学习,使学生了解城市内涝成因,理解暴雨径流模型原理,系统掌握模型模拟技术,能够开展城市内涝模拟分析,具备从事智慧水务领域城市内涝风险评估和排水管网排水能力分析诊断工作。本课程注重理论知识的理解和实际工程应用,而现行的教学模式在适应新工科发展要求和培养学生创新实践能力方面存在诸多不足,主要包括:

(1)教学目标在设计时,未充分体现培养学生解决复杂工程问题能力的工程教育理念和新工科建设要求。随着计算机技术和数值求解技术的快速发展,雨洪模型集成的功能模块和其背后的原理越来越复杂,而气候变化和城市化的加速推进,使得雨洪灾害的成因也越发多变,场景的概化和模型应用的难度变得更高,往往需要借助多种理论和工程经验对问题背景进行分析,从而寻找解决方法和建立技术路径,学生在面对实际工程问题时往往感到较为迷茫,甚至无从下手,极大降低了其学习动力。

(2)教学模式仍然按照传统教学思维进行设计和实施,教师被置于教学活动的中心,学生为客体,不符合OBE工程教育理念。现阶段,教师在课堂上讲授理论知识,结合学习通等线上平台提供学习资源和发布课后测验,较为注重对内涝原因和相关知识背景的剖析和对模型原理等理论的讲解。学生普遍感受是处于被动学习中,尚未形成可有效激发学生热情、让学生成为学习主体并能主动求知探索的教学模式。

(3)课程任务难以发挥帮助学生跨越从理论知识学习到能解决复杂工程问题的作用。虽然在课程讲授过程中和章节结束时都设置有测验任务,但均为以考查知识点理解和掌握为主,且所涉及知识点和考查目标较为分散,注重对单一知识点的理解,缺少以实际工程为背景的实践任务牵引,难以有效培养学生对知识的整合运用能力和对复杂工程问题的解决能力。

(4)评价考核方式单一。当前对学生学习效果的考查采用综合平时成绩和期末考试成绩的方式,缺少对学习过程的评价,教师无法根据学生学习过程中的反馈调整和优化教学模式,进而不利于教师对学生学习效果和教学质量的持续改进。

由此可见,在教学模式上,该课程尚需借鉴OBE-CDIO理念,探索和构建适应新工科需求的教学目标设计、混合式教学模式、实践环节内容和评价反馈机制。

2 基于OBE-CDIO理念的课程教学模式建设

2.1 基于OBE理念重构教学目标

合理制定教学目标是进行课程改革的重要前提,OBE教育理念强调以学生为中心、以产出为导向,按照新工科建设要求,并结合本校本专业最新人才培养方案和毕业要求,反向设计课程目标。“城市雨洪模拟技术”课程在2018版专业人才培养方案中支撑毕业要求指标点为设计开发解决方案、使用现代工具,是一门注重将理论转化为实践的专业基础课程。因此,该课程的教学目标包含:

(1)课程教学目标一:深刻理解城市内涝成因及其在国民经济社会中造成的危害,能够结合给排水工程专业相关理论,对实际雨洪管控问题进行合理概化和初步分析。

(2)课程教学目标二:了解暴雨径流模拟的重要性,对常见的雨洪模型软件有基本认识;掌握SWMM(Storm Water Management Model)模型的原理。

(3)课程教学目标三:熟练掌握SWMM建模方法,具有数据处理、模型构建、参数分析和结果评价的能力。

(4)课程教学目标四:能够针对实际雨洪灾害工程问题进行数值实验的方案设计,利用SWMM模型进行模拟分析,初步具有解决复杂工程问题的能力。

2.2 混合式教学模式建立

综合考虑本门课程特点,建立线上线下相结合的教学模式,推动落实OBE工程教育理念,调动学生的学习热情,激发学习潜能,让学生成为课堂学习和知识传递的主体,提升其知识运用能力。基于上一节中所建立的课程目标,该课程教学改革方案包括:

(1)完善线上学习资源。对教师而言,线上教学既有实施灵活、形式多样等优点,也存在无法较好直接了解学生学习状态的缺点,学生的学习积极性也需要教师提供丰富多样的学习资源来激发和维持。同时,学生的学习效果需要别样的考核评价方式。根据知识特点,对教学内容的线上线下部分进行合理分配,丰富线上学习资源,包括课件、微课视频、在线测试习题等,并根据学生学习情况适时推送和互动落实。

(2)线上教学。作为对传统线下教学的补充,教师课前在线上平台发布即将讲授的课程内容和与理论部分对应的测试习题,学生可根据自身学习情况,灵活选择学习资源进行预习。课中或课后将微课视频、延伸阅读资料、测试习题等学习资源推送给学生,供其进行碎片化学习,进一步巩固学习成果。教师通过线上教学平台的数据统计功能、线上社交软件等,与学生保持沟通,针对教学过程中和学生自主学习中遇到的各类问题予以解答,及时掌握学生学习情况,优化教学模式。

(3)线下教学。作为课程理论知识传授的主战场,教师设计互动性强、与线上教学资源形成交融互补的线下教学资源和教学方式。教师在课程讲授中适时发布在线讨论或测试题,组织学生对重点内容和习题的解题思路进行讨论,加深学生对知识多层面和多角度的理解。引导推动实践任务的顺利开展,学生以分组协作的方式完成实践任务,强化对知识的运用,提升解决复杂工程问题的能力。

2.3 基于CDIO理念的工程实践能力培养

CDIO理念突出理论知识掌握与实践能力培养相结合,依托具有实际工程背景的实践任务,让学生成为知识学习和解决问题的主体,在学与做的过程中理解和运用知识,逐步养成和提升工程师素养,加强团队合作意识。为此,在CDIO理念指引下,以给排水专业及智慧水务分支中雨洪管控工程问题为背景,融入本校交通特色,设计以“基于多源信息的城市洪水中人车失稳风险模拟分析系统”为主题的实践任务,旨在提升学生对复杂工程问题的认识和解决能力。任务实施阶段如下(如图1):

(1)构思:为提升学生的团队合作意识,将学生分成若干小组,3～5人一组,每组任命一位组长。教师首先向学生明确实践任务的内容和要求,对任务的背景和所涉及的本门课程知识点进行详细说明,引导学生查阅城市洪水中人车失稳的相关文献资料;然后应用雨洪管理理论对问题产生的原因进行分析,对解决问题的技术路径进行梳理,对每一个技术环节涉及的知识点和步骤进行细化;最后学生利用雨洪模拟技术,构建模型模拟分析人车失稳风险并提出风险管控方案。

(2)设计:基于对问题的初步分析,对模型构建所需的数据资料等进行收集和整理,对涉及的关键参数的灵敏性和有效性进行验证,设计出模拟计算场景和雨洪管控优化方案,并对方案的可行性进行探讨和验证。

(3)实施:利用雨洪模拟知识和计算机技术对降雨、地形、管道等多源信息进行处理,构建和运行SWMM模型,对管道溢流及其引发的洪水特征进行分析,探讨和验证模型的可靠性、参数设置的合理性。

(4)运作:根据人车类别及其相应的失稳判断标准,对雨洪模拟结果进一步处理,分析计算失稳风险并做可视化,结合历史洪水事件对所构思方案的合理性进行验证。学生以小组为单位对实践任务的完成过程和结果做报告,需明确每名组员的贡献,组员按各自负责的内容汇报任务的场景设计、方案执行过程以及活动心得。教师组织同学对每组表现的亮点和不足进行点评与总结,训练学生的批判性思维。

图1 以CDIO理念为指导的基于多源信息的城市洪水中人车失稳风险模拟分析系统实践任务

实践任务以CDIO理念为指导,以实际工程问题为背景,按照构思、设计、实施、运作四个阶段,逐步引导学生厘清问题的原因、解决的路径、技术要点和最终方案的执行,完成从理论到实践的跨越,激发学生学习热情,形成自主学习、主动求知探索、团队协作的良好氛围,达到较好学习效果,实现教学目标的达成。教师需对任务实施过程的不同阶段进行科学评价,从而有效指导学生对知识的灵活运用和形成科学研究思维,促进学生对复杂工程问题的认识水平和解决能力的提升。

3 基于过程的理论教学与实践能力培养综合评价

课程考核评价是教学活动的重要组成部分。传统的考核方式以考试为主,缺少对学生学习过程的关注,此种模式下不少学生易形成“临时抱佛脚”的学习心理,不利于对课程知识的牢固掌握和理解应用。显然,恰当的课程考核方式,一方面能有助于间接推动和提升学生的学习效果,助力教师进一步掌握学生学习情况;另一方面对课程建设和教学活动的持续改进也能发挥借鉴和促进作用。

因此,改进课程考核方式,采用过程评价和期末考核并重的方式,二者各占总成绩的一半。过程性考核成绩由平时成绩、实践任务成绩两部分构成。其中,平时成绩由课上互动、课后作业构成,实践任务成绩由任务完成过程中的阶段性考核和最终报告进行综合评价。

多样化的课程考核方式不仅可以多角度、多层面考查学生对基本理论的掌握情况,也能较为客观地反映出学生在面对实际工程问题时的知识运用能力。实践任务及对应考核方式的设置能够有效激发学生学习主动性和积极性,在整个学习过程中保持学习热情和专注度,对良好教学效果的达成提供保证,有利于提升学生团队协作和解决复杂工程问题的能力。

结语

为培养满足新工科要求的智慧水务领域专业技术人才,以“城市雨洪模拟技术”课程为例,引入OBE理念重构课程教学目标,建立和完善线上线下混合式教学模式,设计以CDIO理念为指导、以提升学生对复杂工程问题的认识水平和解决能力为目标的课程实践任务,调整采用多样化的基于过程考核评价和期末考核并重的课程考核方式。实践证明,可有效调动学生学习积极性和主动性,提高教学效果,提升学生团队协作能力和复杂工程问题解决能力,为培养新工科背景下具有较强工程实践能力的智慧水务领域高素质应用型人才提供了教学模式的创新示范。