問題驅動CDIO教學法在傳熱學教學中的應用

郭文文，李國能，胡桂林

(浙江科技學院 機械與能源工程學院，杭州 310023)

隨著中國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展以及新工業(yè)化進程的不斷升級，各個行業(yè)均不斷受到新技術、新理念的沖擊，對高素質、應用型人才的需求也日益迫切。在國務院發(fā)布的《中國制造2025》戰(zhàn)略目標中明確提出，“要加快實施先進制造卓越工程師培養(yǎng)計劃，加大專業(yè)技術人才的培養(yǎng)力度，完善從研發(fā)、轉化、生產(chǎn)到管理的人才培養(yǎng)體系，強化職業(yè)教育和技能培訓”[1]。CDIO(conceive, design, implement, operate)教學法起源于國外高校的工程教育實踐，是以培養(yǎng)符合工程領域要求的應用人才為目標，通過構建全生命周期的“構思—設計—實施—運行”教育環(huán)境，使學生在實踐中掌握各學科知識，提高其所掌握知識的關聯(lián)性，以整體提升學生解決復雜工程問題所需要的綜合能力[2-3]?；趩栴}驅動(problem-based learning，PBL)[4]的學習則強調(diào)從工程應用的具體問題切入，激發(fā)學生的學習興趣，引導學生對解決問題所需的知識進行自主學習，培養(yǎng)學生對工程實際問題的探究精神[5-6]。能源動力類專業(yè)所培養(yǎng)的畢業(yè)生作為用人單位所需要的一線專業(yè)技術人才，在工作中需直面火力發(fā)電、能源裝備制造、暖通和環(huán)保等眾多領域的實際工程問題，這就對學生的基礎知識面、專業(yè)應用與實踐能力均提出了較高要求。傳熱學作為能源動力類專業(yè)的主干課程之一，對整個專業(yè)知識架構起著承上啟下的作用[7-8]。對傳熱學的教學內(nèi)容和教學方式進行探索和改革，在促進能源動力類專業(yè)本科生專業(yè)素養(yǎng)的提升、培養(yǎng)應用型人才方面有著重要的作用。因此，本研究以傳熱學課程教學為例，通過將問題驅動的教學思想與CDIO工程教育體系相結合，探索適合國內(nèi)能源動力類專業(yè)實際教學情況、提升學生工程實踐與創(chuàng)新能力的教學方法。

1 傳熱學課程教學現(xiàn)狀與困境

在能源、動力、機械和化工等領域，傳熱學是一門重要的專業(yè)基礎課，與許多專業(yè)課程緊密相關，國外的機械、化工等工程專業(yè)和中國工程教育認證都將傳熱學作為取得學位的必修課程。筆者在歷年的課程教學及與學生交流過程中發(fā)現(xiàn)在傳熱學教學過程中存在如下問題：

其一，理論知識的教授與實踐部分存在一定的脫節(jié)。傳熱學本身是一門理論性較強，同時又與工程實際緊密結合的課程。在傳統(tǒng)的課堂教學中，教師往往著重于傳熱理論的傳授，實踐部分則大都安排在專門的課程設計和實習過程中進行，這就造成了講授的理論知識與工程實際結合不夠緊密，學生在學習過程中對傳熱問題的工程背景和理論的應用環(huán)境缺乏足夠的了解。同時，也反過來造成學生在學習過程中因為知識結構連貫性不強、內(nèi)容抽象難懂而產(chǎn)生一定的厭學心理，從而影響了他們的學習興趣。

其二，教學內(nèi)容中缺少更深層次的學科交叉和各領域知識的融會貫通。傳熱學作為一門應用性很強的基礎課程，在理論學習中涉及很多高等數(shù)學、物理學相關知識，這些知識的掌握對傳熱學理論的學習至關重要。同時，由于課程理論的出發(fā)點常在于解決典型的工程技術問題，如不能很好地將其中涉及的具體工程情景進行復現(xiàn)，使學生對能源、機械、化工等工程生產(chǎn)實際有所了解，則同樣會影響其對傳熱學相關理論的理解和掌握。因此，需在傳統(tǒng)課堂教學內(nèi)容的基礎上，借鑒CDIO教學模式一體化的工程教學理念，合理優(yōu)化教學內(nèi)容，重構教學課程體系，在課程的不同環(huán)節(jié)中適時對各學科和工程實際應用內(nèi)容進行穿插，與學生形成良性互動，以培養(yǎng)他們的學習興趣，提高他們的學習熱情。

其三，教學過程中不注重對學生工程技術興趣的引導和工程實踐創(chuàng)造力的培養(yǎng)。由于傳統(tǒng)授課體系多以固定教學大綱為架構，以知識內(nèi)容為著手點展開教學和實踐活動，使得學生的學習較為被動，缺乏對工程技術的興趣，不利于他們實踐創(chuàng)造力的培養(yǎng)。因此，本研究引入“問題驅動”教育理念，以具體工程問題為切入點，引導學生對問題涉及的背景知識進行自主學習，同時提高學生的創(chuàng)造性思維能力。

2 基于問題驅動的CDIO教學模式設計

2.1 一體化課程體系構建

CDIO教學體系是由麻省理工學院、瑞典皇家工學院等高校和教育機構發(fā)起的新型工程人才培養(yǎng)體系，旨在解決現(xiàn)代工程教學中對工程理論和工程實踐的不平衡發(fā)展問題，以防止在工程教育中出現(xiàn)空談理論而偏離實際應用的情況。在CDIO的標準中明確提出了一體化課程構建的幾個關鍵要素：一組集個人和團隊能力為一體、過程和系統(tǒng)構建能力為一體、相互支持和聯(lián)系的專業(yè)課程集合[9-10]。在能源類專業(yè)中，傳熱學作為主干專業(yè)課和專業(yè)基礎課程，以它為中心穿插構建一體化的課程體系有天然優(yōu)勢。一方面，傳熱學的知識架構邏輯清晰、工程應用涵蓋范圍廣，幾乎貫穿了整個能源類專業(yè)知識學習和工程應用的主線；另一方面，傳熱學課程的理論性和實踐性均較強，采用一體化課程設計易于加深學習者對所涉理論和工程實踐的理解[11]?；趩栴}驅動的傳熱學課程CDIO體系構建如圖1所示，傳熱學課程體系可以按照理論教學環(huán)節(jié)、課內(nèi)實驗與設計環(huán)節(jié)、工程訓練環(huán)節(jié)、創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)等部分進行構建。

圖1 基于問題驅動的傳熱學課程CDIO體系構建Fig.1 Establishment of CDIO teaching model of Heat Transfer based on PBL

2.1.1 理論教學環(huán)節(jié)

理論教學環(huán)節(jié)中，針對傳熱學課程的基礎性強、應用性廣的特點，按照CDIO的思想理論對理論講授環(huán)節(jié)進行精簡安排。通過問題驅動的教學模式給學生提供多視角、延伸廣的課程切入點，以此為中心，結合實際情況把學習的重心部分轉移至課前，合理分配教學資源，以網(wǎng)絡資源為載體，預先提供給學生解決實際問題的工程背景資料庫。課堂上理論授課采用分組教學、問題探究、雙向互動等形式，結合傳熱學的課程結構特點對各個孤立的知識點進行縱向延伸和橫向擴展?？v向延伸向前銜接高等數(shù)學、大學物理等基礎知識，例如，在教授傅里葉導熱定律、數(shù)值傳熱計算方法等內(nèi)容時，從數(shù)學思想基礎上進行敘述；向后則由淺入深，以實例的形式穿插介紹傳熱理論在工程換熱過程和能源利用設備(如鍋爐、暖通設備)上的應用原理。橫向擴展則注重理論學習和課內(nèi)外實踐教育的交互。

2.1.2 課內(nèi)實驗與設計環(huán)節(jié)

依照CDIO體系的教育理念，課內(nèi)實驗與設計環(huán)節(jié)在整個“構思—設計—實現(xiàn)—運行”周期中起著重要作用。傳熱學實驗內(nèi)容眾多，且很多實驗與流體力學、工程熱力學等學科有交叉內(nèi)容。在課內(nèi)實驗與設計環(huán)節(jié)中，應重視學生主動進行知識構建的過程，通過分組協(xié)作和相互競爭，培養(yǎng)其自學能力。例如，在圓管對流傳熱實驗中，以工程換熱器中流動形式變化、流動入口段影響等的具體案例為切入點，可通過問題驅動的方式引導各實驗小組開展不同流動條件下的實驗。在此過程中，教師則承擔實驗與設計課堂的引導者和平臺維護者的角色，引導學生進行自主探索。

2.1.3 工程訓練環(huán)節(jié)

工程訓練環(huán)節(jié)可以進一步培養(yǎng)學習者知識轉化的能力，讓學生理解理論知識與工程實踐問題之間的聯(lián)系與轉化[12]。例如，在熱工測量應用調(diào)研的環(huán)節(jié)中，依據(jù)問題驅動理論，根據(jù)實際情況設置若干子問題，使學生在實踐過程中更容易把握工程問題與傳熱學理論的內(nèi)在關聯(lián)，例如：在測量煙氣溫度較高時，為什么采用遮熱罩的設計方式；不同類型的遮熱罩會引起怎樣的測量誤差。通過在不同節(jié)點設計子問題，可讓學生通過自主調(diào)研，自己動手搭建對流換熱系數(shù)的測試系統(tǒng)，獲得包括冷卻器的設計、換熱器的設計等整個流程的工程體驗，從而學以致用。通過安排學生前往周邊大型能源類企業(yè)參觀與實踐，使學生身臨其境，深刻理解工程上常用換熱器內(nèi)部的結構。

2.1.4 創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)

為了補足傳統(tǒng)工程教育中在實踐方面的“短板”，應在專業(yè)教學范圍內(nèi)引導學生開展實驗室創(chuàng)新研究[13-14]。創(chuàng)新研究在教師的指導下進行，要求學生結合自身興趣和實際條件組成小組，利用課余時間開展各種創(chuàng)新實驗項目，如溫差發(fā)電項目，引導學生進行溫差發(fā)電設備的設計與性能測試，這也是對傳熱學課堂理論教學和實驗教學的進一步延伸和拓展。在實驗室創(chuàng)新研究的基礎上，學生們可通過自己的團隊協(xié)作，參加國內(nèi)外各種類型的科技比賽，如教育部高等教育司主辦的大學生節(jié)能減排競賽等?？筛鶕?jù)學生自己的興趣和就業(yè)導向，安排學生進行相關工程實踐企業(yè)的生產(chǎn)實習。通過創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)，增強了學生的創(chuàng)新能力，提高了他們的工程技術實踐認知水平，進一步深化了對理論知識的認識和理解。

2.2 問題驅動式學習與CDIO體系的融合

問題驅動(PBL)是一種有別于傳統(tǒng)講授式教學的教育理念，它提倡以課程核心問題或工程實際項目問題為切入點，要求學生進行探究性學習。具體到傳熱學課程中，在CDIO一體化課程體系的基礎上，通過在各個教學環(huán)節(jié)引入不同類型的任務節(jié)點，采取多種方式來引導學生在相應教學環(huán)節(jié)開展前，進行探究性學習和探索，如圖2所示。

圖2 問題驅動式學習模式與CDIO教學體系融合示意圖Fig.2 Integration diagram of PBL and CDIO teaching model

問題驅動模式使傳統(tǒng)教學的重心部分前移至課程開始之前，其關鍵在于提供一個完整的探究性學習支持環(huán)境，如建立問題/項目清單信息庫，進行問題驅動視角下的課程資源整合，建立網(wǎng)絡視頻微課堂、豐富網(wǎng)絡素材。在理論教學環(huán)節(jié)，通過模塊化的教學內(nèi)容，為學生解決工程問題提供理論依據(jù)；采取獨立探究與小組協(xié)作相結合的方式，既可培養(yǎng)學生獨立思考的能力，又可在CDIO模式中鍛煉其相互協(xié)作能力。在此過程中，教師可引導學生對問題進一步思考和探究。在課內(nèi)實驗與設計環(huán)節(jié)，通過以問題驅動形式來展開開放性實驗與專題設計，直接對接理論知識的應用，同時也培養(yǎng)了學生針對問題的設計構思能力與可行性分析能力，而這些能力的培養(yǎng)也是CDIO大綱中所強調(diào)的目的。在工程訓練環(huán)節(jié)，通過在環(huán)節(jié)前設置一系列子問題，促使學生在此課程環(huán)節(jié)中對一系列工程問題進行思考，并在環(huán)節(jié)中和結束后通過教學效果評價等形式予以考察。在創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)中，通過讓學生接觸和了解創(chuàng)新性的學科前沿問題、工程實踐過程中的難題等方式，使學生加深對所學課程的理論理解和實踐認知。

2.3 教學效果評價及反饋體系

2.3.1 教學效果評價

與傳統(tǒng)的單一卷面考核方式相比，基于問題驅動的CDIO模式需采用更加多元化的考核方式[15-16]。基于問題驅動的思路，在不同任務節(jié)點上設置考核評價方式，對教學效果進行動態(tài)評價與反饋，以便教師對學生的學習狀態(tài)、學習效果和學習心理等綜合情況進行及時掌握。傳統(tǒng)的教學模式，主要側重對“結果”的考察，即通過對學生知識掌握程度來衡量教學效果并進行反饋。而在CDIO教學模式中，則對涵蓋了“構思—設計—實施—運行”的整個過程進行考察，通過問題驅動形式設計的不同任務節(jié)點，分階段對教學效果的“過程”和“結果”進行綜合評價。在基于團隊小組的理論教學、實驗與設計、工程訓練等環(huán)節(jié)，設立針對性的綜合評價指標，通過學生自評與互評、成果展示與教師評價、過程完成情況評價等方面，綜合考察學生的理論掌握水平和實踐能力。在評價過程中，通過對各小組在解決問題過程中的綜合表現(xiàn)來考量，既側重于結果又注重過程?；谌蝿展?jié)點的評價體系包含理論學習情況評價、實踐過程情況評價、實踐成果評價等方面。圖3以實驗與設計環(huán)節(jié)中的單相圓管對流傳熱CFD模擬與實驗子問題為例，展示了基于問題驅動的綜合教學評價指標。

圖3 基于問題驅動的綜合教學評價指標實例Fig.3 A teaching evaluation index system of PBL-based CDIO approach

2.3.2 教學效果反饋

在教學過程中及課程結束后，通過網(wǎng)絡問卷調(diào)查以及師生談話交流等形式來了解學生對傳熱學課程CDIO教學效果的看法和反饋意見。問卷調(diào)查以及師生談話反饋以了解學生對CDIO教學模式的主觀感受和對傳熱學課程的客觀實際需求為目的，內(nèi)容可涉及學生對于基于問題驅動的CDIO模式在傳熱學課程中應用的看法、各個環(huán)節(jié)的課程體驗、工程實踐體驗的滿意程度，并了解學生對網(wǎng)絡資源支持、師生互動模式、團隊合作模式等方面的建議。通過教學效果反饋，教師可以不斷反思和完善既有教學體系，針對實際教學過程中出現(xiàn)的問題不斷進行辯證分析和總結，在教學實踐中不斷優(yōu)化，從而為學生提供更加切合實際的工程教育體驗。

3 結 語

本文剖析了當前傳熱學課程教學中亟待解決的一些問題，如理論知識與工程實踐脫節(jié)、學科交叉欠缺、對興趣和創(chuàng)造力培養(yǎng)的缺失等。為解決這些問題，結合能源類專業(yè)的教學特點和實際情況，將基于問題驅動的CDIO教學模式引入傳熱學課程教學過程中，并就CDIO模式中的一體化課程體系構建、問題驅動式學習與CDIO體系的融合、教學效果評價及反饋等方面進行了探索?；贑DIO模式，以工程實際應用為主線，將理論教學知識與課內(nèi)實驗與設計、工程訓練、創(chuàng)新實踐等環(huán)節(jié)有機而系統(tǒng)地結合在一起，使學生從全生命周期視角理解工程實踐的整個過程，獲得更好的工程教育體驗。