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基于OBE理念的課程體系構建探索--以化工原理為例


工程教育在中國高等教育體系中占有重要地位,占到了中國高等教育專業設置及畢業生總量的三分之一。隨著中國對外交流日益頻繁,具有良好工程實踐能力的工程技術人員需獲得統一認證的資格。為進一步與國際工程人才標準接軌,中國于2016年6月加入《華盛頓協議》,成為其正式會員國。國際工程師互認體系共有6個協議,《華盛頓協議》是其中最具權威性的,其國際化程度較高,體系較為完整,是加入其他相關協議的基礎。《華盛頓協議》最初由來自美國、英國、加拿大、愛爾蘭、澳大利亞、新西蘭6個國家的民間工程專業協會發起和簽署,目前已有正式會員18個。中國成為《華盛頓協議》正式會員國標志著中國工程教育認證得到了國際認可[2]。基于這一背景,許多高校認識到需引入符合工程教育認證體系的教育理念來指導工程教育的教學改革工作。其中,成果導向教育(Outcome-basedEducation,簡稱OBE)是工程教育專業認證的三大基本理念之一,最早由SpadyWD等人于1981年提出,現已成為美國、英國、加拿大等國教育改革的主流理念,國內有關學者也提出要用OBE理念引導中國高等工程教育的教學改革工作。
在OBE教育體系中,教育者必須依據一定的標準與要求,清晰構想學生畢業時應達到的能力及具備的素質,然后設計與之匹配的教育結構體系來保證學生達到預期目標。化工原理課程是化工類專業的一門重要必修課,主要研究化工生產中動量、熱量、質量傳遞過程所遵循的基本規律,包括流體流動、非均相物系的分離、傳熱、蒸發、蒸餾、吸收、萃取、干燥等操作單元,教學內容龐雜。基于OBE理念,結合我校已有課程體系,我們嘗試構建了切實可行的化工原理課程體系,對教學內容、教學管理、教學考核及評價等進行了重新梳理,探討了OBE理念下化工類專業化工原理課程教學新模式,為工科專業進行工程教育認證提供了有益的借鑒。
一、基于OBE理念的化工原理課程體系構建思路
基于OBE理念的課程結構研究較多,借鑒這些研究方法與結論,我們認為化工原理課程體系可從4個方面詮釋:定義教學產出、實現教學產出、評估教學產出、使用教學產出。基于以上思路,我們結合化工原理課程教學特點,首先定義了教學產出;然后根據教學產出的目標和任務,結合我校特點,重新梳理并反向設計生成課程體系,構建了基于OBE理念的課程體系層級;最后針對教學目標達成度與教學任務完成度,評估教學產出。另外,教學產出的使用可以反作用于教學模式的優化,督促教育者不斷完善課程體系,改進教學評價和考核方式等。
二、基于OBE理念的化工原理課程體系的構建
(一)定義教學產出
教學產出指的是教學要達到的目標與任務,如技能、素養等,具體表現為發表的觀點、提交的作品等。《華盛頓協議》提出了12條畢業生素質要求,中國工程教育專業認證標準中也規定了畢業生的工程知識、工程能力等基本技能。林產化工專業本科生培養目標要求學生畢業5年后具有將基礎性和專門性工程知識應用于解決復雜工程問題的能力,運用自然科學和工程科學的基本原理得出實證性結論的能力,綜合考慮人文、社會、環境等因素的能力,使用現代工程工具的能力,遵守工程職業道德和規范、在團隊中承擔和履行責任的能力,有效溝通和交流的能力等。
根據工程教育認證的12條畢業生能力要求及林產化工專業培養體系的要求,我們圍繞工程知識、工程能力等基本技能這一核心目標,提出了林產化工專業化工原理課程教學需培養的學生能力,主要包括:1.掌握工程基礎理論知識并將其應用于工程問題的能力;2.具有現代工具的應用能力;3.具有綜合運用化工原理理論和技術手段設計化工流程的能力。這些能力是未來工作所必需的。我們主要根據化工原理課程教學產出特點,將其設定為教學產出。
(二)課程體系的重構
根據教學產出的目標和任務,我們重新整合并設計生成了化工原理課程體系,包括學生和教學支持者、教學基本信息、自學資源、教學活動資源和教學評價、教學產出等諸多內容。
借鑒基于OBE理念的理論教學課程結構模型,我們繪制了化工原理課程體系層級及關系圖,如圖1所示。化工原理課程體系可分為三個層級。
第一層級主要指教學活動的載體,包括學生和教學支持者。學生是教學的主體和核心要素,他們通過基本信息了解教學內容、理解和內化教學內容并輸出學習產出等。教學支持者包括教師、工程技術人員等。教學支持者依據規定的學習產出,組織教學活動和教學評價,同時在教學過程中起幫助與督促作用,為教學提供保障。
第二層級是教學的支撐與核心,包括教學基本信息、自學資源、教學活動資源、教學評價資源等。其中教學基本信息包括教學基本內容、教學大綱、教學進度安排等通知性、概括性信息,一般由教學支持者決定,概括性地說明教學內容,方便學生了解教學概況和教學進度。自學資源包括授課視頻、文本、知識庫、參考資料等,一般由教學支持者講授,為學生提供教學內容。學生也可在教學過程中反饋需求和建議,教學支持者根據需求和建議對自學資源進行不斷修改和完善。教學活動資源為組織和開展教學活動提供輔助,一般包括課堂講授、現場討論、主題閱讀等。教學活動資源的建設圍繞學生展開,其是在學生視野的拓展和變遷中遞進生成的。教學評價資源包括考核標準、測試作業、課程成績等,由教學支持者制定,主要用于對學生的教學產出進行形成性評價,進而
評價學生的學習效果。
第三層級是教學產出,主要指學生在教學結束后實現的產出,如素養、技能等。教學產出由學生、基本信息、自學資源和活動資源共同決定,且由評價資源進行評價。

圖1 基于OBE理念的課程體系層級及其關系圖
(三)教學產出的實現
1.掌握工程基礎理論知識并將其應用于工程問題的能力
OBE理念注重引導學生開展提問性學習、轉換性學習和非正式學習等。由于化工原理課程內容繁多且復雜,教學中尤其需要開展有目標的學習、提問性學習、學生和教師的轉換性學習及課后答疑等非正式學習,以有效解決該課程的復雜性和學習效果之間的矛盾。教學實施上要強調學生的主體作用,培養學生的主動學習意識。教師是教學過程的示范者、管理者和監督者,對學生起示范和指導作用,對學生學習進行評價。如流體動量傳遞內容屬于經典流體力學知識,這部分以老師講解、學生練習為主;而非均相物系的分離內容相對簡單,學生可先自主學習,然后老師在課堂上以問題導入法講授,引導學生參與討論。
2.應用現代工具的能力
現代工具涉及范圍很廣,與化工行業結合較為緊密的有現代物理學、化學化工、分析技術、計算機技術、數學、生物學等學科中的新思想、新理念、新方法和新技術等。基于林產化工專業實際,本課程主要培養學生將物理、化學化工、計算機技術、數學、生物學等學科基礎知識進行綜合應用的能力。具體實現途徑是在學生理解基本原理后,鼓勵其綜合其他課程知識解決化工原理課程的相關問題。如關于精餾部分的理論塔板數求解問題,圖解法因簡便、直觀,在工程實際中應用較多。但常規的坐標紙手工繪圖確定理論板層數的方法誤差大、效率低,影響數據的準確性和時效性。因此,我們要求學生采用Origin9.0數據處理軟件求理論板層數,包括繪制氣液平衡線、精餾段操作線、提餾段操作線、進料線,繪制梯級求解理論板層數及進行平衡曲線的平滑化處理等。在吸收、萃取等單元操作中,我們也設置了吸收塔理論塔板數的求解、三角形相圖的準確繪制等問題讓學生解決,并要求學生把解決方案整理成論文,培養其使用邏輯性強的學術性語言表達觀點的能力,大大提高了學生的綜合應用能力。
總之,我們結合課程特點,改變了單一的全程灌輸式教學,讓學生積極、主動地參與到教學活動中來,在活動中得到認識和體驗,并獲得相應的能力。
3.綜合運用化工原理理論和技術手段設計化工流程的能力
設置這一培養目標的目的是進一步培養學生的工程實踐能力和工程意識,為其畢業后解決復雜工程問題奠定基礎,同時使其具備初步工程經驗。具體途徑是邀請具有工程實踐經驗的教師與學生進行討論交流。我校植物化工比較有特色,依托相關科研成果建立了一定規模的中試生產裝置,如植物活性成分提取工藝中試生產線、阻燃劑生產中試生產線等。相關教師詳細介紹了這些中試生產線的研究背景、工藝選擇、試生產過程中碰到的問題及解決辦法、后續的產品開發情況等,讓學生了解了生產實際情況,這非常有利于學生工程知識的學習。
此外,在學完蒸餾單元操作后,學生利用AspenPlus軟件對苯-甲苯物系精餾過程進行了模擬,與同學一起分析化工系統的工況特性,并同自己的計算結果進行對比,獲得了對工程設計的感性認識。我們還邀請化工設計院和相關公司的總工程師等工程技術人員來校開展講座,結合某石油化工企業的工程實例,講述其中涉及的社會、健康、安全、法律及文化等問題,讓學生充分理解專業性工程解決方案在社會和環境背景條件下所產生的影響,了解可持續發展的需求,以更好地擔負起工程師的責任。
(四)教學產出的評價
教學產出與專業技能密不可分,所以教學產出的評價體系需要針對教學目標達成度與教學任務完成度來制定,以形成對教學目標和任務達成的支持。評價體系一般分解為對學生學習過程的全程跟蹤與形成性評估,可結合學生自評、互評和教學支持者評價等多種方式開展。我們為課程體系的每一項教學內容設計了考核項目及對應產出,賦以合理的“權重”,根據學生的綜合表現考查其對教學內容的認識程度。如流體流動單元采用課堂討論評價、平時作業、單元閉卷測驗等方式全程跟蹤評估,以形成最終評價;而傳熱單元采用給定某一特定工藝換熱任務,讓學生選擇適宜的換熱器,將選擇理由(計算過程)整理為相應報告的形式進行評價。
(五)教學產出評價的使用
教學產出評價的使用可以讓教育者根據教學目標達成度與教學任務完成度,不斷完善課程體系,調整教學評價和考核方式。我們在使用教學產出評價時發現,教師是否具有良好的工程實踐背景對學生工程思維培養的影響較大,為此我們一方面積極與企業合作,建立校企共建基地培養學生的工程技術素養,另一方面邀請具有豐富工程實踐經驗的技術人員參與教學活動。另外,參加科研活動或科技競賽活動的學生對社會和企業有著清晰的了解,對自身工程素養的不足也有明確的認識,為此我們要求專業學生必須參與大學生創新創業訓練項目或教師的科研訓練項目。總之,教學產出評價的使用環節必不可少,我們需要經常思考,不斷加深認識。
三、結束語
本文探討了農林類高校林產化工專業化工原理課程體系的構建,包括定義教學產出、教學產出的實現、教學產出的評價、教學產出評價的使用等,為農林類高校林產化工專業化工原理課程體系構建做了有益嘗試。在農林類高校中,基于OBE理念設計相關工程專業的培養體系,可以大大促進具有工程實踐能力人才的培養,提升我國工科教育教學水平。


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