基于OBE教育理念的钢结构混合式教学方法探索

张艳敏 李 正

防灾科技学院土木工程学院 河北三河 065201

钢结构具有轻质高强、力学性能好、施工周期短、绿色环保等多方面优点,推广钢结构对于我国推进绿色建筑和建筑工业化,促进建筑业产业升级具有重要意义。我国钢厂量已连续多年位居世界第一,钢结构产业规模巨大,在体育场、机场航站楼、高铁候车厅等大型公共建筑,超高层建筑、工业厂房、大型市场及仓储结构等各类建筑中都有广泛应用[1]。钢结构行业的蓬勃发展需要大批具备扎实的钢结构专业知识及良好的实践应用能力的新工科土木工程专业人才,这对土木工程专业在钢结构课程教学和人才培养上提出了更高的要求。传统的“重理论轻实践、重讲授轻应用”的钢结构教学方式,已无法满足当前的实际行业需求,进行教学和人才培养方式的改革是十分必要的。

OBE(Outcome based education)教育理念,又称成果导向教育,是一种以成果为目标导向,以学生为本,采用逆向思维的方式进行课程体系建设的先进教学理念。该教育理念秉持“以学生为中心,以目标为导向,注重能力培养、质量持续改进”的教育教学模式,引入我国后逐渐成为教育改革的主流理念,在全国很多高校的教学建设和改革中得到应用和推广[2-3]。当前信息技术快速发展,线上线下混合式教学已成为一种常态化的教学模式[4],作者把OBE教育理念应用于混合式教学全过程,在钢结构教学方式改革上进行了初步的尝试与探索。

1 以课程目标为导向,采用了“先明确考核方案,后制订教学计划”的逆向课程设计和全过程评价方式

1.1 能力培养融入教学目标,制订课程考核方案

课程教学目标是课程教学和效果评价的依据,决定了课程教学实施的方向。我课程组根据钢结构行业对学生应具备的专业知识和能力素养方面的需求,结合我院土木工程专业人才培养和毕业要求的指标体系,凝练出“材料、连接及结构设计等理论知识的识记与应用能力”“基本构件与连接的设计与计算能力”“常见结构的分析与建模计算能力”“钢结构的识图、绘图能力”“规范标准的理解与运用能力”等培养要求,并将其与课程各个章节的教学内容和教学重点相结合,内化为钢结构教学内容体系中的课程学习目标和知识点,并融入课程考核体系的全过程。

在课程教学开始之前,依据教学目标修订教学大纲,制订好明确具体的考核方案,并在后续教学中严格执行。本课程考核方案采取“平时成绩+期中考核+期末考核”的成果评价方式,考核指标及权重与课程目标和教学内容相统一,过程考核与成果检验并举,重在考查学生全过程的学习效果。其中平时成绩主要考查学生的课堂表现、随堂测试和课后作业三个方面,学生学习情况应全部通过长江雨课堂线上平台统计记录,以保证数据的真实可靠。期中、期末考核采用传统试卷形式考查,试题数量比例应与各考核指标及其权重保持一致,且保证一定量工程应用类题目的比重。一般期中考核采用开卷形式,题目以分析计算及应用类型为主,而期末考核则采用闭卷统一组织形式,题目兼顾识记、分析、计算、设计等多方面要求,且基本涵盖课程教学内容,命题中注意期中和期末考核内容侧重点的区别。

1.2 成果导向,逆向设计,正向实施

以前述考核方案为依据,逆向制订课程的教学计划,进行课程的线上线下混合式教学全过程设计。根据课程目标或考核指标及其权重,重新安排教学授课计划,适当增加“梁、柱等基本构件设计”“角焊缝的设计计算”“螺栓连接的构造计算”“工业厂房钢屋架设计”等主要学习内容和重难点的课时,并安排在线下课堂重点详细讲授,而对于“钢结构的极限状态”“钢材的疲劳及选用”“多高层钢结构设计”等了解或扩展性知识则减少课时,将其制成短视频、微课教学资源上传雨课堂学习平台,利用学生课余时间开展线上自由学习,使课程教学课时分配更加合理,同时解决了当前课程教学内容偏多、课时明显不足的难题。理论教学环节中,按照“课前预习+课堂讲授及随堂测试+课后复习及作业训练”的模式开展混合式教学,具体步骤及内容安排参见表1。

表1 钢结构课程线上线下混合式教学过程

2 以学生为中心,多层次激发自主学习热情,能力培养贯穿教学各方面和全过程

钢结构专业知识与力学及工程实际联系紧密,教学难度大,难点多,传统的“重理论轻实践”的被动填鸭式教学方式消磨了学生的自主学习热情,限制了学生的能力培养,极大影响了学生的学习效果[5]。针对此问题,作者通过调研行业需求,凝练出本专业人才培养的能力要求(见前文),在钢结构教学改革和实践中,从教学课件内容、教学方式手段、学习成果评价三个方面入手,变被动为主动,将激发学习热情、培养专业能力贯穿整个教学过程。

2.1 调整和改进教学课件内容

钢结构教学课件分为课前预习课件和课堂教学课件两种类型,通常以一次课为一个教学单元。课前预习课件精炼为两项内容,一项是每次课的主要教学知识点、学习重难点及对应的能力和考核要求,另一项是部分国家级精品课的网络微课视频、自制微课教学视频或实际工程案例等视频资源。学生通过观看预习课件,可提前了解学习内容和重点难点,有准备地进行后续课堂学习。教学前期由于缺乏激励政策,课前预习课件的参与度和完成度都不理想,后期采用两种方式改善了这一情况。一种是在部分预习课件中增加测试题目;第二种则是将部分随堂测试调至课堂教学开始之前,对课后复习和课前预习开展双重考核。测试成绩计入平时成绩,有效提高了学生的学习主动性。

课堂教学是教学实施的主要环节。每个教学单元的教学课件一般按照问题导入→知识介绍或设计方法总结→案例训练→随堂测试→课堂总结的教学过程进行编排。在问题导入、案例训练、随堂测试等环节加入大量工程实例,与理论知识、案例结合讲授,在设计原理方法总结及构造知识方面,增加教材内容与规范图集对应部分的联系沟通,部分随堂测试题目增加工程应用场景,充分调动学生学习的主动性和竞争性,培养学生工程意识和实践动手能力。部分理论教学知识点与实际工程联系情况见表2。

表2 理论教学知识点与实际工程项目结合情况

2.2 多种教学方法和教学手段结合授课

课堂教学时,根据学生在学习预习课件过程中出现的问题进行重点讲解,针对不同的知识点,采取启发式、案例式、项目驱动式、翻转课堂等多种教学方法进行授课。如“钢材的力学性能及影响因素”“焊缝连接的特点和构造”等内容,学生在其他课程中学习过部分知识或有初步了解,则采用翻转课堂方式进行分组讨论、学生代表汇报、教师最后补充总结。如“轴压柱、梁和压弯构件计算”“角焊缝设计”“高强螺栓设计”等核心教学内容,采用了案例式和项目驱动式教学法。在每章内容讲授之前,按小组给学生布置不同的工程项目(钢框架结构、工作平台结构、钢屋架结构等),教学中以工程项目作为案例,讲解具体构件或连接的设计流程、设计方法和构造要求,然后把项目中对应的构件或连接设计布置为课后作业,要求学生分组完成任务。以实际工程项目的设计训练带动学生的积极主动性,锻炼了学生利用已有知识解决实际问题的能力,完成自主学习过程。

课堂教学中结合使用多种不同教学手段辅助授课。理论教学中,对梁、柱、板等各类构件的稳定分析,节点连接中力的传递和变化过程等疑难问题,采用了动画演示、三维图片展示等手段,同时制作了门式刚架厂房模型、格构柱模型、梯形钢屋架模型、各种常见焊缝及螺栓连接节点等教具辅助演示教学。对于钢结构的制造、加工、安装等工序,及构造要求等与实际工程联系紧密的内容,还录制了短视频插入教学课件中,最大限度地激发学生的学习兴趣。

因课时及实验条件限制,与课程相匹配的实验课较少,且钢结构很多设计公式是由实验得出,适度增加实验课,加强学生对力学理论和公式的直观认识和理解很有帮助。而钢结构材料性质简单,材质均匀,基于有限元软件模拟分析的精度很高,基本可以实现在计算机中真实再现钢结构材料和结构实验的全过程。为此我们开发了基于有限元的虚拟仿真实验,包括钢结构试件的单轴受拉全过程模拟、钢梁弯曲全过程模拟、压杆受压屈曲模拟、板件受压屈曲模拟、焊缝破坏形式模拟、螺栓破坏形式模拟、销轴节点破坏形式模拟等项目,培养了学生的实验能力,扩充了学生视野。

2.3 多元化考核形式,科学合理实施学习成果评价

合理的课程评价体系是支撑教学目标达成和教学效果持续改进的必要保障[6]。钢结构课程的教学效果从平时成绩、期中考核、期末考核三个方面进行评定,过程性考核和终结性考核并重。平时成绩包含线上雨课堂成绩记录和线下课堂表现两部分,其中雨课堂的题目既有客观性的课前预习成果小测、随堂知识点检验,又有主观性的工程案例设计小练习,还有重点章节的测验及源于实际工程的各类构件或连接的分析设计类课后作业。客观题目由雨课堂后台实时评阅,主观题则根据学生对知识的理解把握、公式的运用、设计步骤及计算完成情况评定成绩。雨课堂线上测试结果及课后作业保证及时批改反馈,实时监测跟踪、持续改进学生的学习状况。线下课堂成绩主要记录学生课堂回答问题及翻转课堂的表现,平时成绩占比以雨课堂记录为主,线下成绩作为参考和补充。

期中和期末考核探索开放式、非标准化答案考核方式。期中考核安排在教学阶段的中期,采用雨课堂线上开卷考试形式,题目以工程问题分析、构件设计、受力计算等主观题为主,主要考查前半部分教学内容,大型设计计算类题目尽量做到一人一题,有效避免答案雷同;期末考核采用线下闭卷考试形式,题目兼顾识记性基础知识、构件和连接的构造要求及结构构件设计计算(侧重后半部分考核)三方面,难度适中,题型和比例与课程目标保持一致。平行班授课时,采用统一的考核方案,保持各次测试和作业题目类型难度一致。

多元化的考核形式充分发挥了学生的积极性,鼓励学生全程全员参与,成果数据真实全面地记录了学生的全过程学习状态,充分检验了学生对专业基础知识和理论的理解和发现、分析、解决实际工程问题的能力,对学生的学习成果进行了科学合理的评价。

结语

线上线下相结合的混合式教学成为我国当下各高校的主流教学模式,OBE教育理念融入工程类课程教学和人才培养已是教学改革的大势所趋。本文将“以生为本,成果导向,持续改进”的OBE理念贯彻于钢结构课程线上线下混合式教学的全过程,进行了课程考核体系、教学设计与实施、学习成果评价的教学全过程改革初步探索与实践,在提高学生学习主动性、提升学生学习能力、改进学生学习效果方面取得了一定的成果。在今后教学实践中应开展课程目标达成情况的评价和总结,同时对学生开展阶段性问卷调查,根据评价结果和反馈意见实时动态调整教学目标,持续完善和改进教学全过程。