基于认知矩阵的“船舶动力装置原理”教学方法评估

刘少俊,王 会,杨宗明，冯国增

(1.江苏科技大学 能源与动力工程学院,江苏 镇江 212003；2.江苏科技大学 外国语学院，江苏 镇江 212003)

基于认知矩阵的“船舶动力装置原理”教学方法评估

刘少俊1,王 会2,杨宗明1，冯国增1

(1.江苏科技大学 能源与动力工程学院,江苏 镇江 212003；2.江苏科技大学 外国语学院，江苏 镇江 212003)

针对船舶动力装置原理课程中原有教学模式的问题，引入基于问题的学习，案例教学与专题研究等新的教学方法，并与原有的多媒体教学，网络教学，课外阅读进行结合。采用认知矩阵对于这些方法进行评估，明确教学方法应使学生达到的认知层次。结合课程考核，对教学方法的效果进行评估，评估结果表明学生在上述教学法要求的认知层次均得到了良好的训练，证明了应用认知矩阵进行评估的科学性。

认知矩阵；教学方法评估；船舶动力装置原理

“船舶动力装置原理”是一门面向涉船专业学生的多学时专业必修课。课程围绕船舶动力装置的组成、性能和原理，使学生掌握船舶动力装置的基本概念，各设备的性能特点，能够计算船舶轴系扭转振动，可依据船机桨配合的特性进行主机选型，为以后的实际工作打下坚实的基础。

在实际教学过程中原有的课程教学存在以下问题。

1)学时相对较少，课程难度较大。动力装置设备庞大，结构复杂，系统繁多，学校授课学时相对有限，学生很难在短暂的时间内全面掌握船舶动力装置的结构、原理、特性和系统的有关知识，造成课程学习难度大。

2)教学手段传统，缺乏实践设计。课程的主要教学形式是通过PPT讲解，传授船舶动力装置课程的基础知识。而船舶动力装置本身是立体的，学生从PPT得到的是静态平面图像，只能依赖空间想象得到相关实物的反映，无法真正理解船舶动力装置的实际结构和工作情况。

3)考核形式单一，缺乏过程控制。传统考核形式以卷面成绩为主，辅以课堂考勤与课后作业，卷面成绩不能全面反映学生对课程内容的掌握程度，课堂考勤占用宝贵的课堂学时，课后作业以识记性题目为主，不利于学生创新性思维的培养。

4)缺乏论文指导，课程与毕业设计脱节。对于本科毕业生来讲，要求能够用规范的格式与清晰的条理撰写论文，这一教育往往集中在2个月的毕业设计中，时间紧张，学生很难兼顾论文内容与科学规范的论文写作。这就要求专业课程要在这方面对学生进行训练，而专业课程往往不能为毕业设计打下基础，造成两者的脱节。

以上问题要求重新审视旧的教学方案，以应用型高级工程技术人才培养为目标，构建新的教学模式[1]。在借鉴国外先进教育理念的基础上，通过引入一些新的教学方法，与原有的成熟教学方法相结合，初步构建了课程新的教学模式。然而这些教学方法的训练目的，以及实际达到的训练效果如何，需要进一步的观察与评估。因此，本文应用认知矩阵，对于教学方法期望达到的认知层次与实际达到的认知层次进行了评估，以期为进一步的教学改革与调整奠定基础。

1 认知矩阵的建立与发展

1956年Bloom等[2]提出认知过程的6个维度，即识记、理解、应用、分析、综合与评估。Bloom模型在很大程度上帮助了教育工作者克服认知过程的复杂性，设计课程来训练和发展思维技能。然而，受到当时的局限性，Bloom模型的很多标准横跨数个层次，不能严格地应用于测试评估。为了弥补这一缺憾，有学者于2002年针对阅读(reading)、写作(writing)、数学(mathematics)、科学(science)及社会学(social studies)5个学科提出了知识深度(depth of knowledge)的概念及相关判据，知识深度有4个层次，由低到高分别为回忆与复述，技能与概念，思考与推理及扩展性思维[3]。该模式提出后，国内学者借鉴用于学业评估与课程标准的一致性分析[4]。Karin K. Hess等[5]则将其与Bloom模型相结合，构成了严格的认知矩阵(cognitive rigor matrix)，用于课程编制与实施。

Karin K. Hess等人的认知矩阵组成见表1。该矩阵将Webb模型的4个层次与Bloom模型的6个目标叠加，构成了6×4矩阵，矩阵中的非零元素不等价，因而可以用于评估课程要求所处的认知层次。

2 教学方法训练的认知层次

从表1发现，位于左上角的要素B1W1层次最低，然后大致沿对角线要求逐渐提高，右下角对应认知的最高层次B6W4。因此从教学方法设计上来讲首先要明确希望学生达到的认知层次，在详细分析了学生特点之后，认为学生的基本素质包含知识、能力、文化、视野4个方面，围绕着学生基本素质的提升，课程探讨了多种教学方法，教学方法训练的认知层次见表2。

表2 教学方法期望达到的认知层次

1)多媒体教学。多媒体教学的核心是多媒体内容，本课程的多媒体包含以下内容，Flash动画，视频，演示程序等，这些材料的作用是帮助学生理解基本事实、观点、原理和概念，对应矩阵中的B1W1层次。

2)课外阅读。本课程给学生安排大量的补充材料,这些补充材料主要分为以下2类。

①船舶公约类，包含2004年《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》；《MARPOL公约及78-97议定书》；《73/78防污公约综合文本(2002)》附则I，附则II，附则IV，附则VI；《SOLAS2009综合文本》。这些公约与“船舶管路系统”的教学内容密切相关，了解这些公约对理解教学内容，掌握系统的设计原理与设计方法具有重要的促进作用。

②网络资源，编制了《如何利用MAN 公司网站进行柴油机主要参数和辅机容量数据计算》，引导学生登录专业公司网站学习柴油机选型；依据 ABB公司的Azipod演示软件，通过软件的操作，帮助学生理解船舶电力推进系统的构成，原理，控制方式及优点；针对“船机桨工况配合特性”的难点向同学介绍了“Marine Propeller Calculator”，通过这一小软件使学生理解转速与航速的对应关系，理解可调距桨的工作原理；最后，通过CAD模型库，进一步使学生理解不同螺旋桨的相关参数，并提供针对螺旋桨进行分析计算的便捷途径，免去了曲面建模这一繁琐过程，使学生能够将精力集中于桨特性本身。

在提供补充材料的同时，鼓励学生主动上网搜索相关信息，如产品介绍和学术机构的网页等，锻炼学生的主动学习能力和资料收集能力。

这一过程的认知要求对应矩阵的B3W2层次，属于运用资源寻找信息。

3)网络教学。通过申请教学微博，微信与开放式网盘，在网上交流答疑，拓展了教学空间，巩固了教学内容，使课程教学效果得到提升。将教学资源放在网盘上，在微信、微博上设置下载链接，在课程教学期内提供给学生参考查阅。学生可以下载课程教学资料和课外阅读扩展性材料。网络教学的核心是开放，学生可以依据已有的资源开展讨论，展开与主题相关的头脑风暴，对应认知矩阵的B5W1层次。

4)以问题为基础的学习。以船舶动力管路系统为例，船舶动力管路系统研究的是为主机服务的燃油管系、滑油管系、冷却管系、压缩空气管系及排气管系。主机的布置、性能及参数决定了上述系统的构成、位置、结构、连接。以MAN B&W 6S42MC为例，学生需要运用网络资源收集此机型的关键参数， 课堂上学生阅读主机的规格说明书，标出与动力管路系统设计相关的重要参数。然后依据这些参数，按照船舶规范的要求确定系统类型、设备构成及设备选型。这一过程的认知要求对应矩阵的B5W3层次，属于思考与推理的综合。

5)案例教学。以船-机-桨工况配合特性为例，选取顶推船的工程实例，按照主机能力储备计算螺旋桨设计转矩，并基于转矩讨论齿轮箱选型。该算例详细展示了船-机-桨的选型流程，同时介绍了工程设计通常的考虑因素。此外该算例还需要比较不同主机对齿轮箱，以及螺旋桨选型的影响。通过该算例，学生可以全面了解工程设计在这一问题上的总体思路，为将来解决类似问题打下基础。这一过程的认知要求对应矩阵的B5W4层次，属于扩展性思维的综合。

6)专题研究。通过专题研究，培养学生进行规范写作与科学引文的习惯，编制了《百度文库使用说明》《图书馆CNKI数据库使用说明》等视频教程，与《使用谷歌学术做参考文献》等文字教程，引导学生利用网络科学、规范、严谨的撰写科技论文，为毕业设计奠定基础。专题研究在给定题目的条件下，需要学生收集、分析、评估资料得出结论，相当于毕业设计的预演，对应矩阵的B6W4层次，属于最高层次的要求。

在Bloom模型的理解层与分析层，若缺乏适宜的教学方法的训练，有可能导致学生分析与理解能力不足。

3 教学方法实施效果评估

在教改实施期内课程教学对象以镇江校区热能与动力工程专业学生为主(热动-镇)，兼顾张家港校区热能与动力工程(热动-张)，船舶与海洋工程(船舶-张)等专业的学生，用于评估不同教学方法针对不同对象的教学效果。“内河船舶推进装置分析”专题研究中不同教学对象的成绩对比见图1。

图1 专题研究优秀人数情况统计

在本专题中，优秀的标准为论文撰写规范、分析科学合理。从对比中发现，针对相同题目，镇江校区的学生综合素质较好，绝对人数几乎为张家港校区学生人数的总和。对同一校区的学生来讲，专业背景也起到一定作用，张家港校区热动背景的学生优秀率明显优于船海背景的学生，高出近5%。这就要求在以后的教学内容与教学方法设计上要重点考虑学生层次与背景的差异，合理拔高或降低要求。

镇江校区热动专业的卷面成绩分析见图2。

图2 热动专业卷面成绩分析

按照Bloom的模型，简答题归于识记型、判断与选择题归于理解型、论述题为分析型、计算题为综合型，从失分比率发现，学生的整体认知层次位于识记型，理解型与分析型题目失分较为严重，应该是下一步提高学生认知层次的关键。同时如前所述，在教学方法设计上缺乏对理解与分析层次的训练，因而代表理解型的判断与选择题，代表分析型的论述题失分较为严重，占据了图2的前3位，这从一个侧面证明了应用认知矩阵评估教学方法的科学性。

4 结束语

对课程的6种教学方法所要求达到的认知层次评估表明，多媒体教学位于识记层，课外阅读位于应用层，网络教学，PBL学习及案例教学均位于综合层，而专题研究则位于最高层——评估层。6种教学方法的实施结果表明，学生在上述认知层次均得到了很好的训练，而理解层与分析层由于

缺乏对应的教学方法，学生表现出明显的不足，体现在理解型与分析型题目失分较为严重。这从一个侧面证明了应用认知矩阵评估教学方法的科学性。

[1] 温华兵,杨兴林,刘炜,等.轮机工程专业创新人才培养模式及其实训平台建设[J].船海工程.2014,43(1):28-31.

[2] BLOOM B S, ENGLEHART M D, FURST E J, et al. Taxonomy of educational objectives, handbook I: The cognitive domain[M]. New York: David McKay，1956

[3] WEBB N L. Depth-of-knowledge levels for four content areas[M]. Language Arts，2002.

[4] 曹小旭,张庆霞.基于标准的小学语文学业水平考试试卷质量分析：学业评价与课程标准一致性的视角[J].教育测量与评价:理论版，2011,10(7):57-60.

[5] HESS K K, JONES B S, CARLOCK D, et al. Cognitive rigor: blending the strengths of Bloom’s taxonomy and webb’s depth of knowledge to enhance classroom-level processes[M]. National Center for the Improvement of Education Assessment, NH，2009.

Evaluation of Teaching Method for Principle of Ship Power Plant Based on Cognitive Rigor Matrix

LIU Shao-juna, WANG Huib, YANG Zong-minga, FENG Guo-zenga

(a.School of Energy and Power Engineering;b.School of Foreign Languages, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

For the problems of the original teaching mode in the course of principle of ship power plant, new teaching methods such as problem based learning, case study and topic research were introduced, combined with the previous methods like multimedia teaching, online teaching and outside reading. The cognitive rigor matrix was used to evaluate these methods and different cognitive levels of teaching methods were clarified. The effectivity of methods was also evaluated.The evaluation results showed that students were well trained on aforementioned cognitive levels. So the method of congitive rigor matrix is scientific.

cognitive rigor matrix; evaluation of teaching method; principle of ship power plant

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.029

2016-04-12

国家自然科学基金项目(51306079)，江苏省“十二五”成人教育重点课题(121106)

刘少俊(1981—)，男，博士，副教授

G642.3

A

1671-7953(2016)06-0127-05

修回日期：2016-04-28

研究方向:船舶动力装置污染物脱除

E-mail:liushaojun205@163.com