新工科背景下基于OBE理念的課程教學(xué)改革
——以“大氣污染控制工程”課程為例

趙兵濤,崔國(guó)民,武 軍

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

20世紀(jì)80年代Spady提出的基于成果導(dǎo)向教育(outcome-based education,OBE)的理念,已成為美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)的主流教育理念[1-4]。世界著名的工程教育認(rèn)證機(jī)構(gòu),例如美國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)(ABET)、歐洲工程教育專業(yè)認(rèn)證體系(EUR-ACE)和中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)(CEEAA)均已接受了OBE的教育理念。隨著2016年6月我國(guó)正式成為“華盛頓協(xié)議”締約國(guó),運(yùn)用OBE理念指導(dǎo)和檢驗(yàn)工程教育改革的過(guò)程,對(duì)于提升工程教育的質(zhì)量具有現(xiàn)實(shí)意義。

2017年6月教育部辦公廳發(fā)布的《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》明確了深入構(gòu)建面向新工科的工程實(shí)踐教育體系與實(shí)踐平臺(tái)的目標(biāo),強(qiáng)調(diào)圍繞工科學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)、課程設(shè)置、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)安排、經(jīng)費(fèi)投入、體制機(jī)制、雇主反饋等關(guān)鍵環(huán)節(jié)開(kāi)展調(diào)查,深入分析我國(guó)工科學(xué)生工程實(shí)踐能力的現(xiàn)狀與問(wèn)題,推進(jìn)基于成果導(dǎo)向的工科學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng),設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系,指導(dǎo)改革實(shí)踐[5]。其中,工科學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)的要求相當(dāng)大程度地反映于工科學(xué)生的課程教學(xué)。因此,如何在當(dāng)前新工科的背景和形勢(shì)下,著力發(fā)展基于成果導(dǎo)向教育包括以工程實(shí)踐能力為導(dǎo)向的新工科課程教學(xué)改革,成為此類課程教學(xué)改革面臨的重要問(wèn)題之一。

以能源環(huán)境為交叉專業(yè)特色的“大氣污染控制工程”課程,是能源動(dòng)力類專業(yè)一門重要的專業(yè)課程,具有較強(qiáng)的行業(yè)傾向性和實(shí)踐性[6]。其學(xué)習(xí)的目的是面向國(guó)家相關(guān)行業(yè)尤其是能源動(dòng)力行業(yè),了解大氣污染的排放標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,培養(yǎng)綜合運(yùn)用基本原理、理論和技術(shù),解決重要工業(yè)源大氣污染控制工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容、方法和流程的能力。但是,目前該課程的教學(xué)大多偏重于理論教學(xué)和局部的課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì),難以適應(yīng)新工科的大背景以及教育國(guó)際化的發(fā)展形勢(shì)。因此,構(gòu)建和實(shí)施基于OBE理念的“大氣污染控制工程”課程教學(xué)理念、方法和策略的改革,具有積極意義。

一、課程理念改革

基于OBE理念的教學(xué)目標(biāo)之一是在于培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)的能力而非簡(jiǎn)單知識(shí)教授。因此,課程的內(nèi)容也必須遵循以能力教學(xué)為本的理念[7],并貫穿于教學(xué)過(guò)程始終。其側(cè)重點(diǎn)是:學(xué)習(xí)成果是什么,為什么要取得這樣的學(xué)習(xí)成果,如何有效地取得這些成果以及如何知道已經(jīng)取得了這些成果。而畢業(yè)能力的要求是:工程知識(shí)、問(wèn)題分析、設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案、復(fù)雜工程問(wèn)題研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會(huì)影響評(píng)價(jià)、工程實(shí)踐與環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展理解評(píng)估、職業(yè)規(guī)范、個(gè)人和團(tuán)隊(duì)角色承擔(dān)、溝通、項(xiàng)目管理和終身學(xué)習(xí)。為此,我們進(jìn)行基于OBE理念的“大氣污染控制工程”課程教學(xué)改革嘗試和探索,具體方法與策略如圖1所示。

圖1 基于OBE理念的“大氣污染控制工程”課程教學(xué)改革方法與策略Fig.1 OBE-oriented ideology,methods and strategies for teaching improvement of the course “Air Pollution Control Engineering”

二、課程教學(xué)改革方法與策略

課程教學(xué)方法與策略是實(shí)現(xiàn)教學(xué)理念的具體保障。為此，我們開(kāi)展以下環(huán)節(jié)的“大氣污染控制工程”課程教學(xué)改革。

(一)教學(xué)內(nèi)容

一是在教學(xué)組織上采用主線貫穿、有機(jī)整合的策略。在“大氣污染控制工程”整個(gè)課程體系的教學(xué)過(guò)程中,我們按照工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的主旨,突破傳統(tǒng)以課本章節(jié)為順序的教學(xué)組織,采用主線化的策略把課程知識(shí)進(jìn)行有機(jī)整合和串聯(lián),形成模塊化教學(xué)活動(dòng)的特點(diǎn),并根據(jù)內(nèi)容范圍和深度彈性化學(xué)習(xí)。例如,我們將課程內(nèi)容分為基礎(chǔ)概念和基本原理模塊,技術(shù)與工藝模塊,設(shè)計(jì)依據(jù)、方法、流程模塊,污染監(jiān)測(cè)模塊等,從而有針對(duì)性地分門別類加以學(xué)習(xí)。

二是在內(nèi)容范圍上,加強(qiáng)具有特色的工程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容導(dǎo)向,也就是保持特色、注重基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)上的工程設(shè)計(jì)或?qū)嵺`。我們切合自身特色,著重講授與能源動(dòng)力類而不是綜合類的與大氣污染相關(guān)的內(nèi)容,包括近年來(lái)應(yīng)用較多的微細(xì)顆粒物的控制、煙氣脫硫、煙氣脫硝等與工程實(shí)踐密切結(jié)合的內(nèi)容,以及具有前沿性的例如固定源燃燒煙氣汞污染控制和溫室氣體二氧化碳控制等工程實(shí)踐內(nèi)容。此外,還注重加強(qiáng)學(xué)習(xí)近年來(lái)大氣污染控制領(lǐng)域出現(xiàn)的新方法、新技術(shù)等內(nèi)容,同時(shí)啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行復(fù)雜條件下污染物控制系統(tǒng)內(nèi)容的構(gòu)建思維,如對(duì)現(xiàn)有鍋爐多種污染物協(xié)同和同步控制內(nèi)容的涉獵等。在此過(guò)程中,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容緊貼國(guó)家相關(guān)國(guó)家最新標(biāo)準(zhǔn)以體現(xiàn)時(shí)效性,對(duì)原理性內(nèi)容涉及物理、化學(xué)及生物等基礎(chǔ)學(xué)科以體現(xiàn)交叉性,對(duì)污染控制工藝差別較大且系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立的單元?jiǎng)澐肿宇惙謩e講授以體現(xiàn)差異性。

三是在具體設(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié)上,采用實(shí)際工程案例為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì),探索基于實(shí)際項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的課程教學(xué),使學(xué)生在獲取知識(shí)和技能的同時(shí),增強(qiáng)其職業(yè)能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練。具體做法包括:以實(shí)際工程案例為對(duì)象給出相關(guān)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求;要求學(xué)生查閱資料,給出設(shè)計(jì)依據(jù),并對(duì)設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行分析、討論和確定(含發(fā)現(xiàn)提出問(wèn)題的思辨環(huán)節(jié));給出設(shè)計(jì)方案并討論其合理性(含發(fā)現(xiàn)提出問(wèn)題的思辨環(huán)節(jié));給出設(shè)計(jì)方法流及程并執(zhí)行設(shè)計(jì)計(jì)算;對(duì)比分析不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性或優(yōu)劣性,確定最終設(shè)計(jì)(含發(fā)現(xiàn)提出問(wèn)題的思辨環(huán)節(jié));給出相應(yīng)工程繪圖,完成計(jì)算說(shuō)明、安裝說(shuō)明、工程繪圖全流程。在此過(guò)程中考慮綜合知識(shí)和能力的培養(yǎng),除了完成大氣污染控制設(shè)備和管道的設(shè)計(jì)外,還涉及土建結(jié)構(gòu)方面的內(nèi)容。總之,不但強(qiáng)調(diào)原理知識(shí)的獲得,而且注重設(shè)計(jì)在工程實(shí)踐過(guò)程中的可操作性。

(二)教學(xué)結(jié)構(gòu)

基于OBE導(dǎo)向能力培養(yǎng)的重要要求之一是使用現(xiàn)代工具。對(duì)于現(xiàn)階段大學(xué)本科生而言,現(xiàn)代工具包括計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)及辦公軟件等,其使用已經(jīng)相當(dāng)普及。但是,我們發(fā)現(xiàn)近年來(lái)由于部分工科專業(yè)科研化的趨勢(shì)較為明顯,使得工科學(xué)生在本科階段在計(jì)算機(jī)工程工具運(yùn)用能力方面呈現(xiàn)弱化態(tài)勢(shì),主要表現(xiàn)在計(jì)算機(jī)表格化設(shè)計(jì)能力、編程計(jì)算能力和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪圖能力上。

因此,我們?cè)凇按髿馕廴究刂乒こ獭闭n程教學(xué)過(guò)程中,專門采用固定學(xué)時(shí),針對(duì)大氣污染控制設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算,采用表格化制作,單元格函數(shù)調(diào)用的方式,加強(qiáng)培養(yǎng)基于Excel的流程化設(shè)計(jì)能力;針對(duì)燃燒空氣煙氣量計(jì)算、污染擴(kuò)散計(jì)算、氣體顆粒分離、氣體吸附、氣體吸收計(jì)算,加強(qiáng)培養(yǎng)基于MATLAB軟件的編程計(jì)算能力;針對(duì)表現(xiàn)工程方案的工程圖形,加強(qiáng)培養(yǎng)基于CAD的繪圖能力。并且讓學(xué)生在此過(guò)程中形成自我學(xué)習(xí)、長(zhǎng)效學(xué)習(xí)的機(jī)制。目的是使學(xué)生在畢業(yè)前能夠較為充分地掌握這些與工程設(shè)計(jì)密切相關(guān)的計(jì)算機(jī)工具軟件的使用能力。

(三)教學(xué)過(guò)程

在一般的“大氣污染控制工程”教學(xué)過(guò)程中,基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)通常被安排到理論教學(xué)之后。但是,這在一定程度上不利于基于成果導(dǎo)向的學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。因此,鼓勵(lì)學(xué)生參與教師科研、培養(yǎng)工程實(shí)踐能力成為有效的教學(xué)方法和手段之一。

為此,我們采取結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、延伸工程項(xiàng)目的方式來(lái)提升學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)理論知識(shí)發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。一是利用與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的教師實(shí)驗(yàn)平臺(tái),組織學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)或開(kāi)放實(shí)驗(yàn)活動(dòng),要求成立實(shí)驗(yàn)小組、每組全員參與。這樣,學(xué)生通過(guò)自行設(shè)計(jì)典型大氣污染物控制實(shí)驗(yàn)工藝流程、自行組裝設(shè)備儀器、自行調(diào)試、自行采集數(shù)據(jù)、自行進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析,提高了理論聯(lián)系實(shí)際的能力。二是利用實(shí)際大氣污染工程項(xiàng)目資料,包括大氣污染工程工藝流程圖、設(shè)備加工圖、現(xiàn)場(chǎng)布置和安裝圖紙等,構(gòu)建實(shí)際工程試驗(yàn)和設(shè)計(jì)環(huán)境,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)講授和互動(dòng)。目的是將單一的課堂教學(xué)模式局部轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的工程項(xiàng)目研討和分析等思辨環(huán)節(jié)中,比較性地講解和討論學(xué)生自身的工程設(shè)計(jì)與實(shí)際工程設(shè)計(jì)在工程試驗(yàn)或工程設(shè)計(jì)依據(jù)、方案、方法、流程和圖紙等方面的異同,培養(yǎng)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于OBE的理論和實(shí)踐一體化的教學(xué)效果。

(四)教學(xué)范圍

基于OBE理念的“大氣污染控制工程”的教學(xué)不限于課內(nèi)教學(xué),而且涵蓋課外創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此不能僅僅局限于所學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐能力培養(yǎng)。

為此,我們積極鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生參加與能源動(dòng)力行業(yè)及大氣污染控制專業(yè)密切相關(guān)的課外競(jìng)賽活動(dòng),包括創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排大賽、挑戰(zhàn)杯賽、數(shù)學(xué)建模大賽等學(xué)以致用的科學(xué)與工程實(shí)踐活動(dòng)。在此過(guò)程中發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性、積極性、協(xié)作性,突出學(xué)以致用的理念,提升其解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

(五)教學(xué)實(shí)踐

高校和企業(yè)的深度融合與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),已經(jīng)成為普通本科教學(xué)中提高工科人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效方式之一,也是基于OBE導(dǎo)向的重要理念之一。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研合作聯(lián)合培養(yǎng)“大氣污染控制工程”方面的工科人才,就是要注重學(xué)生在校所學(xué)與電力、環(huán)保等企業(yè)實(shí)際所需的具體銜接,注重學(xué)校與企業(yè)資源和信息的共享。

為此,我們?cè)谝呀?jīng)建立的與諸多大型國(guó)企的聯(lián)合實(shí)踐基地的基礎(chǔ)上,把已經(jīng)形成的研究生產(chǎn)教融合的聯(lián)合培養(yǎng)模型延伸到本科工科教育體系中來(lái)。具體到“大氣污染控制工程”的教學(xué),我們針對(duì)燃煤電廠電、袋除塵、煙氣脫硫、煙氣脫硝等內(nèi)容,除了進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,對(duì)實(shí)際工程的工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)深入了解外,還同時(shí)開(kāi)展學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃、校企相互交流和培訓(xùn)講座等活動(dòng)。以此方法實(shí)現(xiàn)師生共同體工程業(yè)務(wù)能力的雙向提升,從而實(shí)現(xiàn)新型教學(xué)體系和面向行業(yè)和社會(huì)的人才培養(yǎng)質(zhì)量的形成和提高。

(六)教學(xué)評(píng)價(jià)

多元化評(píng)價(jià)考核體系的主要目的是降低單一課堂或筆試考試的權(quán)重,從而對(duì)學(xué)生從實(shí)際問(wèn)題出發(fā),利用所具備的理論知識(shí)分析解決實(shí)際工程問(wèn)題能力的綜合評(píng)價(jià)與考量。

為此,我們降低了常規(guī)出勤成績(jī)和筆試成績(jī)的權(quán)重,增加工程設(shè)計(jì)或?qū)嵺`內(nèi)容的項(xiàng)目和權(quán)重,及其考核成果的多元化體現(xiàn)形式,包括實(shí)現(xiàn)某一特定目的工程設(shè)計(jì)的計(jì)算或設(shè)計(jì)軟件,設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)、工程圖紙、PowerPoint匯報(bào)展示等。新增考核內(nèi)容通過(guò)類似答辯的形式,衡量學(xué)生工程設(shè)計(jì)內(nèi)容的正確性、計(jì)算說(shuō)明書(shū)規(guī)范性、工程圖紙質(zhì)量,以及學(xué)生在工程項(xiàng)目執(zhí)行中的認(rèn)真程度(基于學(xué)生互評(píng)的結(jié)果)等。此外,參與開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)和參加工程競(jìng)賽亦酌情給予權(quán)重,最終進(jìn)行量化考核。綜合成績(jī)由平時(shí)成績(jī)、筆試成績(jī)和工程實(shí)踐成績(jī)綜合加權(quán)得出,以期能夠全面反映基于OBE導(dǎo)向的“大氣污染控制工程”的實(shí)際效果。

三、結(jié)束語(yǔ)

OBE貫穿以人為本、能力為本的教育理念,強(qiáng)調(diào)以實(shí)踐為重心、突出成果的學(xué)習(xí)能力。通過(guò)對(duì)“大氣污染控制工程”課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)結(jié)構(gòu)、教學(xué)過(guò)程、教學(xué)范圍、教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)評(píng)價(jià)體系等方面的探索和改進(jìn),實(shí)踐基于OBE理念的、強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐能力的“大氣污染控制工程”課程學(xué)習(xí)方法和策略,對(duì)提高新工科背景下大氣污染控制人才的創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有積極意義。通過(guò)上述教學(xué)

環(huán)節(jié)(一)和(二),旨在體現(xiàn)和回答OBE理念在“大氣污染控制工程”課程教學(xué)中的“學(xué)什么”和“為何學(xué)”的問(wèn)題;通過(guò)教學(xué)環(huán)節(jié)(二)至(五),旨在體現(xiàn)和回答“如何學(xué)”的問(wèn)題;通過(guò)環(huán)節(jié)(六),旨在體現(xiàn)和回答“已學(xué)到”的問(wèn)題。

后續(xù)改進(jìn)將進(jìn)一步集中在基于OBE理念導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式的全局優(yōu)化,探索“大氣污染控制工程”增強(qiáng)學(xué)習(xí)能力的長(zhǎng)效機(jī)制和國(guó)際工程教育的先進(jìn)理念,以期進(jìn)一步適應(yīng)具有國(guó)際化、專業(yè)化、特色化的能源與環(huán)境領(lǐng)域人才培養(yǎng)要求。