基于布鲁姆教育理论的船舶辅机混合式实验教学

杨 杰，邢鹏飞，孙树德，王生海

（大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026）

0 引言

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。2016 年6 月，我国正式成为《华盛顿协议》的第18 个成员国，这意味着通过认证专业的毕业生学位会得到国际互认，同时也标志着我国高等教育走向了世界［1］。相比于传统教育，工程教育专业认证的核心是确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求，即以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价。这种理念聚焦学生的学习成果和能力获得，以学生为本，把学生作为知识和能力的构建者，极尽资源搭建阶梯，创设成功环境，并注重学生的阶段性成果，辅以监督引导，促使其学习质量及成果呈阶梯上升态势［2］。

航海类本科作为极具特色的工科专业，具有知识量大、涉及面广等特点，且实践性强、难度高［3］。因此，需要加快改革创新，以培养满足世界范围内工程教育专业认证的高素质、复合型、应用型航海人才。“船舶辅机”是轮机工程专业的一门主干课程［4-6］，该课程的实验教学中涉及很多大型或综合训练项目。为了提高学生的学习效率和实验项目的安全性，虚拟现实技术被引入到课程实验教学中，并将虚拟仿真实验与实验室实体实验相结合，形成开展虚拟仿真实验教学应用的线上线下混合式教学新模式［7］。但是现阶段虚拟现实技术对于实验教学效果的提升主要是依赖于技术本身所营造的沉浸体验，缺乏对实验教学过程和实验教学模式进一步优化的具体指导。

本文针对“船舶辅机”课程中的实践教学环节，以“液压起货机的操作与管理”为例，应用布鲁姆教育目标分类理论构建实验教学的课程内容，根据虚拟场景和实物设备在教学活动中的优势部署教学活动，结合传统的实验考核方法与动态变化的实操题目定量评价学生的知识掌握能力。此外，学生的安全责任意识和工程价值观也都融入到实践教学中，以满足当前工程教育专业认证的需要。

1 布鲁姆教育理论内涵

布鲁姆教育理论的内涵主要是指布鲁姆教育目标分类学理论以及其在教学设计中的一般实施过程。

1.1 教育目标分类学理论的相关内容

布鲁姆教育理论是20 世纪50 年代美国著名的心理学家、教育家本杰明·布鲁姆为了美国社会未来科学家的培养，摆脱美国学校主要测试学生记忆力的局面，提高学生的思考理解能力而提出的，并以其名字进行命名。该理论是现代教育史上研究教育目标分类的里程碑，提出了一套系统的可供观察和测量的分类系统，为课程教学的设计、开发、管理、实施与评价提供了科学的依据［8-9］，并且经受了时间和实践的检验，被国际教育界所采用和研究，对学校教学和测试的发展产生了重大影响。

在布鲁姆研究的基础上，Krathwohl 等对布鲁姆教育目标分类学理论进行了深入的分析和反思，并建立了新目标。此后，布鲁姆教育理论将认知领域教育目标分为两个维度，即知识维度和认知过程维度［10］。知识维度重点是将不同类型的知识进行分类，包括事实性知识、概念性知识、程序性知识和元认知知识，用以帮助教师在教学过程中区分知识的类型，认知过程维度则是重点区分对所教授知识起作用的智力操作，主要帮助教师明确促进学生掌握和应用知识的程度历程，从学习行为的难易程度从低到高依次为记忆、理解、应用、分析、评价和创造。布鲁姆教育理论认知领域教育目标分类如图1 所示。

图1 布鲁姆教学理论教学系统架构

1.2 教育目标分类学理论的实施过程

布鲁姆教育目标分类理论已在航海类专业的理论和实践课程中取得了较好的应用效果，并能够与其他教学方法完美的融合。王浩亮等［11］根据航海类专业及其课程特点，提出融合MOOC 和布鲁姆教育理论的教学模式，并将其应用于航海类专业课程“船舶电气设备及系统”中，通过调查问卷、课程成绩对照分析及专家评价证明该教学模式显著提高了教学质量。孙树德等［12］结合布鲁姆教育目标分类理论探讨了航海类本科“动力设备拆装”实践课程中齿轮泵拆装教学内容的构建过程，并对应用效果进行了实证评价。另外，在非航海类课程的教学中，刘宇［13］将翻转课堂教学模式与布鲁姆的教学目标分类相结合，实现了法学教育中学生高阶思维能力的锻造。

通过对上述文献中教学内容的构建过程进行总结，可以得出布鲁姆教育目标分类学理论在教学设计中的一般实施过程。首先，分析教学目标及教学目标所包含的知识点，提炼出教学目标中的动词和名词，形成动宾短语，并与知识维度和认知过程维度中各类别建立关系；然后，根据教学目标制定教学活动，且每个教学目标可对应一项或多项教学活动，但每项教学活动只能针对某一教学目标开展；最后，对学生在各项教学活动中的学习情况和学习效果进行评价，形成教学活动过程的闭环以及持续改进。需要指出，在整个教学设计的过程中，一定要确保教学目标、教学活动和教学评价三者的一致性，如图2 所示。否则，将无法保证教学过程的监督和检查，以及为教学的持续改进提供可量化的指标。

2 布鲁姆教育理论的混合式实验教学设计

应用布鲁姆教育目标分类理念将“液压起货机的操作与管理”实践环节的教学目标从知识维度和认知维度重新分类并进行标准化的表述，结合线上虚拟系统和线下实物设备设计教学活动和教学评价，从而形成基于布鲁姆教育理论的混合式实验教学。

2.1 教学目标的确立

“液压起货机的操作与管理”是轮机工程专业课程中的重要实践环节，培养学生使用、管理和维护船舶液压起货机的能力。在教学大纲中，该实践环节的教学目标为能力目标，要求学生掌握液压起货机的工作原理、结构特点，并具备日常维护管理能力。为了更好地满足工程教育专业认证的要求，将上述能力目标进一步细化，分解为若干知识目标和能力目标，同时还需要增设价值目标。因此，根据布鲁姆教育理论中教育目标的标准表述方法，“液压起货机的操作与管理”教学目标的具体内容如下：

价值目标1培养安全操作意识；

价值目标2分析起货机维护管理对航运发展的影响；

知识目标3掌握起货机液压系统工作原理；

知识目标4认识液压起货机结构组成；

能力目标5正确实施液压起货机的起停操作和日常维护管理；

能力目标6正确执行起货机参数调整和应急操作。

教学目标1、3 中的“培养”和“掌握”属于认知维度中“理解”的类别；“安全操作意识”主要是指个人防护用品的穿戴、安全检查事项以及应急逃生的步骤等，对应知识维度中的程序性知识。因此，教学目标1 是使学生理解程序性知识；教学目标2 是使学生分析元认知知识；教学目标3 和4 是使学生理解概念性知识；教学目标5 和6 是使学生分析程序性知识。

2.2 教学活动的部署

船舶起货机虚拟仿真实验教学系统采用B/S 架构，通过WEBGL技术实现局域网和广域网下的系统访问功能，保证学生可以随时随地通过手机、平板或PC电脑在浏览器环境下登录系统进行学习。该系统又可进一步分为学生端系统和教师端系统。学生端系统的界面如图3 所示，主要包含参数及原理介绍、视频教学、操作训练以及考试评估等功能。其中，“参数及原理介绍”是以图文的型式对起货机技术参数、液压系统及工作原理进行说明；“视频教学”提供教学视频播放列表，可播放起货机操作的相关教学视频；“操作训练”是将教师在后台发布的训练数据下载到学生端，并在自动配置相关数据后引导学生开展有目的的操作训练；“考试评估”则根据教师端系统在后台发布的考试信息动态更新题目，并对学员的仿真操作进行评分。

图3 学生端仿真教学系统的相关功能界面

为确保各教学目标能够达成，根据虚拟仿真与实物设备在教学应用中分别所具备的优势，开展如下的教学活动：

教学活动1阅读相关的图文资料，自主开展船舶起货机液压系统组成和工作原理的学习；

教学活动2在仿真训练界面中进行三维漫游，通过虚拟场景观察实船的起货机系统；

教学活动3在教学视频的播放列表中选择相应的视频，观看起货机启停和日常管理的规范操作；

教学活动4讲解起货机操作中的潜在危险以及启动之前的安全检查事项，并现场演示个人防护用品的穿戴方法、步骤及注意事项，并给出具体评判标准；

教学活动5介绍液压起货机在实船应用和发展的历程，要求学生对船舶起货机的新技术进行文献调研，并在实验报告中阐述起货机的维护管理对船舶营运以及航运发展的影响；

教学活动6讲解和演示船舶起货机的启动准备、启动操作和停用操作的详细过程以及起货机运行中维护管理的知识要点；

教学活动7结合实际应用中的不同工况讲解参数调整的方法，同时指导学生正确的开展起货机设备故障之后的应急操作。

在上述教学活动中，教学活动1 对应教学目标3，教学活动2 对应教学目标4，教学活动3 和教学活动6对应教学目标5，教学活动4 对应教学目标1，教学活动5 对应教学目标2，教学活动7 对应教学目标6，且教学活动的部署情况如图4 所示。

图4 教学活动的部署情况

2.3 教学评价的方法

为了有效地评判学生的实操技能，船舶起货机虚拟仿真实验教学系统的教师端界面中设置了试题编辑功能，且在该界面中可以对试题库中的每一道试题进行编辑或者在线出题。每道题目由若干个评分项组成，每个评分项分别对应一个评分变量且通过增减评分变量或是改变评分变量的评分规则就可以实现对题目的快速编辑和修改［14］。因此，相比传统的仿真教学系统［15］，采用动态变化的实操题目来考核学生的知识掌握能力，所得到的评判结果更加准确、可靠。

结合船舶起货机虚拟仿真实验教学系统的考试评估功能，进行如下的教学评价，且具体的评价方案如表1 所示。

表1 液压起货机操作管理实验评价方案

教学评价1检查学生的个人防护用品使用情况，现场纠正并记录在考核表中；

教学评价2随机抽查学生，提问教学目标3、4中的相关知识，口述答案，并记录在考核表中；

教学评价3根据各组学生的操作演示情况，检查启停操作和维护管理是否正确，并记录在考核表中；

教学评价4批阅实验报告，关注格式规范性、内容逻辑性、字迹工整性等内容，并记录在考核表中；

教学评价5登录线上虚拟仿真实验教学系统，查看实操题目的作答情况，并记录在考核表中。

3 教学改革效果

通过对“液压起货机的操作与管理”实践环节的教学改革，参与教学调研的2019 级轮机管理专业学生普遍认为教学内容更加丰富，教学方法更加灵活，自身的安全防护意识与技能得到显著提高，并在实践学习中树立了正确的价值观念。通过统计数据了解到，课外线上阶段的学习率达到100%；课内线下阶段的教学进度较改革前提前约15 min，学习效率明显提升；实验报告撰写较以往更加规范和条理，对问题展开了更深入的分析。由此可见，此次混合式实验教学的改革迎合了工程教育专业认证对人才培养的要求，取得了良好的教学效果。

4 结语

随着信息技术与实验教育教学的不断深入融合，虚拟现实技术已逐渐成为高等学校实验课程建设与完善的必要手段。同时，在工程教育专业认证的背景下，通过对实验教学过程和实验教学模式的进一步优化来提高实践教学效果十分必要。本文针对航海类专业实践性强的特点，以“液压起货机的操作与管理”实践环节为例，应用布鲁姆教育目标分类理念重新构建了课程内容，结合虚拟系统和实物设备设计教学活动和教学评价。教学改革得到了广泛的认可，并在提升学生实践能力的同时，培养了安全责任意识和树立了正确的工程价值观，从而为航海类专业实验教学的改革与创新积累了宝贵的经验。