基于OBE理念的能源與動(dòng)力工程專業(yè)傳熱學(xué)課程教學(xué)

趙海波，王金枝，吳 坤，華鳳皎

(1.煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院，山東煙臺(tái)，264005；2.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院汽車與船舶工程系，山東煙臺(tái)，264670)

一、研究問題的提出

成果導(dǎo)向教育(OBE)是一種以教育產(chǎn)出為目標(biāo)的教學(xué)新理念[1]，它不同于傳統(tǒng)教學(xué)強(qiáng)調(diào)的教師要教什么，而是關(guān)注學(xué)生要學(xué)會(huì)什么，其基本思想是以學(xué)生為中心，確定一個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)，圍繞這個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)組織和實(shí)施教學(xué)，最終讓學(xué)生達(dá)到確定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。[2]OBE理念是貫穿工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的核心理念。[3]工程教育專業(yè)認(rèn)證中非常重視OBE理念在專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用落實(shí)，也決定著專業(yè)能否獲得國際實(shí)質(zhì)等效標(biāo)準(zhǔn)下的辦學(xué)資質(zhì)認(rèn)可。

傳熱學(xué)是能源與動(dòng)力工程專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課，在制冷空調(diào)方向?qū)I(yè)課程知識(shí)鏈中起著基礎(chǔ)性作用。傳熱學(xué)課程主要學(xué)習(xí)熱量傳遞的基本概念、理論和計(jì)算方法，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀點(diǎn)、理論聯(lián)系實(shí)際和解決工程實(shí)際問題的能力，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)提供必要的理論基礎(chǔ)，最終服務(wù)于該專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。傳熱學(xué)涉及的概念多、理論性強(qiáng)、公式推導(dǎo)多，同時(shí)，該課程與工程實(shí)際結(jié)合緊密。因此，學(xué)生普遍感覺學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)習(xí)效果不理想。

為此，本文從課程目標(biāo)確立、教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)施與過程考核、達(dá)成度評(píng)價(jià)、持續(xù)改進(jìn)等方面探討OBE理念在傳熱學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，研究工程教育專業(yè)認(rèn)證中專業(yè)基礎(chǔ)課程目標(biāo)確定、課程達(dá)成度評(píng)價(jià)體系建立、持續(xù)改進(jìn)機(jī)制等關(guān)鍵問題，并以一個(gè)典型教學(xué)班級(jí)為例開展課程達(dá)成度數(shù)據(jù)分析，判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，同時(shí)指出課程教學(xué)過程中存在的問題及進(jìn)一步改進(jìn)的措施。

二、傳熱學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

傳熱學(xué)是一門綜合性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教學(xué)過程以教師為中心，圍繞教學(xué)大綱開展知識(shí)講授，以理論知識(shí)為主，具體涉及熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種基本傳熱方式的基本概念和基本原理，包括熱傳導(dǎo)問題分析、對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算、熱輻射基本定律與封閉空腔物體之間輻射傳熱計(jì)算等。傳統(tǒng)教學(xué)采用注重結(jié)果的單一成果評(píng)價(jià)方式，一般通過期末考試和平時(shí)作業(yè)考核學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，平時(shí)成績主要參考學(xué)生的出勤和作業(yè)完成情況，缺乏從整體層面對(duì)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)的全過程、多角度、開放式學(xué)生能力進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，學(xué)生學(xué)完課程后仍不能對(duì)一般傳熱問題進(jìn)行建模與分析，表明其知識(shí)運(yùn)用能力沒有達(dá)到要求。傳統(tǒng)的考核評(píng)價(jià)方式造成了知識(shí)傳授和教學(xué)結(jié)果相背離，無法真實(shí)反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和能力，無法考查各個(gè)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成程度。為此，高校需要針對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)及考核模式進(jìn)行改革，通過引入并貫徹OBE理念，建立起該課程的長期性、多元性評(píng)價(jià)考核體系，形成一個(gè)整體的評(píng)價(jià)結(jié)果。

三、課程目標(biāo)

OBE教學(xué)理念的產(chǎn)出可劃分為專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求和課程目標(biāo)三個(gè)層次。對(duì)一個(gè)專業(yè)而言，專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)就是畢業(yè)生五年后能達(dá)成的職業(yè)和專業(yè)成就。畢業(yè)要求是學(xué)生畢業(yè)時(shí)的產(chǎn)出，即學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)掌握的知識(shí)和能力。課程目標(biāo)是學(xué)生學(xué)完一門課程所要達(dá)到的目標(biāo)。專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)決定畢業(yè)要求，畢業(yè)要求決定課程目標(biāo)。反過來，課程目標(biāo)支撐畢業(yè)要求，畢業(yè)要求支持專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)?？梢?，OBE教學(xué)理念的成果產(chǎn)出最終要落實(shí)到每門課程的課程目標(biāo)上。因此，本文要按照OBE教學(xué)理念的要求，根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)確定畢業(yè)要求，再將畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)的知識(shí)、能力分解細(xì)化為知識(shí)和能力指標(biāo)點(diǎn)，各門課程通過支撐關(guān)系矩陣對(duì)接支撐這些指標(biāo)點(diǎn)，矩陣數(shù)值為課程支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的權(quán)重值。[4]課程對(duì)各指標(biāo)點(diǎn)的支撐具體由課程目標(biāo)來完成，通過課程目標(biāo)呼應(yīng)畢業(yè)要求并主導(dǎo)和決定教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。因此，教學(xué)目標(biāo)是OBE教學(xué)理念的基礎(chǔ)，其實(shí)現(xiàn)與否要通過達(dá)成度來評(píng)價(jià)。達(dá)成度的計(jì)算同時(shí)考慮了課程內(nèi)容和教學(xué)各環(huán)節(jié)，屬于過程性考核。有了課程目標(biāo)的達(dá)成度，就可以進(jìn)一步計(jì)算畢業(yè)要求、培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成情況，最終得到OBE教學(xué)理念的實(shí)現(xiàn)情況。可見，教學(xué)產(chǎn)出評(píng)價(jià)最終通過課程教學(xué)和課程目標(biāo)的達(dá)成來實(shí)現(xiàn)，這也說明，課程的過程考核是專業(yè)認(rèn)證工作的基本要求。

作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，傳熱學(xué)介紹的熱量傳遞方式及其規(guī)律等知識(shí)是后續(xù)專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)。本文通過分析畢業(yè)要求，確定了傳熱學(xué)支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，在制定傳熱學(xué)課程目標(biāo)時(shí)，以所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)為依據(jù)，做到至少有一個(gè)課程目標(biāo)與其中的一個(gè)畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)，并用課程教學(xué)內(nèi)容或環(huán)節(jié)有效支撐課程目標(biāo)，課程目標(biāo)還要能以適當(dāng)?shù)姆绞娇己撕饬俊?/p>

高校制定傳熱學(xué)課程目標(biāo)時(shí)，應(yīng)圍繞課程涉及的復(fù)雜工程問題，對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，確定與復(fù)雜工程問題有關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，針對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)定學(xué)習(xí)目標(biāo)、需要的授課學(xué)時(shí)，并開展教學(xué)設(shè)計(jì)。教師通過運(yùn)用課堂講解、案例教學(xué)、在線教學(xué)等方法和手段，引導(dǎo)學(xué)生重視學(xué)習(xí)過程，積極參與討論、作業(yè)、論文、實(shí)驗(yàn)等學(xué)習(xí)過程，提升學(xué)生感知、歸納和運(yùn)用知識(shí)的能力。在教學(xué)方面，教師可重點(diǎn)講授復(fù)雜工程問題中的傳熱數(shù)學(xué)建模、綜合設(shè)計(jì)與分析方法，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決與傳熱學(xué)相關(guān)的復(fù)雜工程問題，也可以帶領(lǐng)學(xué)有余力的學(xué)生參加學(xué)科與創(chuàng)新競賽，使學(xué)生不僅掌握傳熱學(xué)的基本知識(shí)點(diǎn)，還要學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)、提煉、分析和解決傳熱問題，提高運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決相關(guān)工程問題的能力。

根據(jù)上述分析和原則，本文將傳熱學(xué)課程目標(biāo)分為知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)。

知識(shí)目標(biāo)包括：

課程目標(biāo)1：能夠界定熱量傳遞基本方式，區(qū)分導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射，熟練計(jì)算導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射傳遞的熱量，會(huì)運(yùn)用熱阻分析法研究復(fù)雜制冷空調(diào)問題。

課程目標(biāo)2：能夠應(yīng)用傅里葉定律或?qū)嵛⒎址匠谭治鲇?jì)算常物性、無內(nèi)熱源的零維非穩(wěn)態(tài)、一維穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題(平壁、圓筒壁和等截面直肋片)，會(huì)使用熱平衡法計(jì)算求解二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，能提出并分析復(fù)雜制冷空調(diào)問題中的導(dǎo)熱控制方案。

課程目標(biāo)3：能夠分析無相變與有相變對(duì)流傳熱問題的流動(dòng)與傳熱特點(diǎn)，認(rèn)識(shí)相似原理在指導(dǎo)對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)中的作用，能運(yùn)用準(zhǔn)則方程(實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式)計(jì)算圓管及非圓形通道內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱、外掠單管及管束強(qiáng)制對(duì)流傳熱、大空間自然對(duì)流傳熱問題，能提出并分析復(fù)雜制冷空調(diào)問題中的對(duì)流傳熱控制方案。

課程目標(biāo)4：能夠應(yīng)用斯忒藩-玻耳茲曼定律、基爾霍夫定律等輻射定律計(jì)算理想物體輻射問題，會(huì)應(yīng)用有效輻射、角系數(shù)計(jì)算不超過三個(gè)表面之間的輻射傳熱，正確認(rèn)識(shí)氣體輻射特點(diǎn)和影響氣體輻射發(fā)射率的因素，能提出并分析復(fù)雜制冷空調(diào)問題中的輻射傳熱控制方案。

課程目標(biāo)5：能夠分析典型傳熱問題和傳熱系數(shù)的組成，判斷計(jì)算臨界熱絕緣直徑，識(shí)別工程中典型換熱器的型式，運(yùn)用平均溫差法進(jìn)行換熱器的熱計(jì)算，能提出并分析復(fù)雜制冷空調(diào)問題中的換熱器傳熱控制方案。

能力目標(biāo)包括：問題分析能力、研究能力以及溝通和交流能力，對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)分別為：

課程目標(biāo)6：能夠辨別影響傳熱的因素，分析傳熱強(qiáng)化與削弱的途徑。能運(yùn)用基本原理，借助文獻(xiàn)研究，分析過程的影響因素，獲得有效結(jié)論。

課程目標(biāo)7：能夠基于熱工學(xué)科科學(xué)原理并采用傳熱學(xué)科學(xué)方法對(duì)制冷空調(diào)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

課程目標(biāo)8：掌握傳熱學(xué)英文術(shù)語，具備跨文化傳熱問題交流的語言和書面表達(dá)能力。能夠就制冷空調(diào)復(fù)雜工程問題與業(yè)界同行及社會(huì)公眾進(jìn)行有效溝通和交流，包括撰寫報(bào)告和設(shè)計(jì)文稿、陳述發(fā)言、清晰表達(dá)或回應(yīng)指令，并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進(jìn)行溝通和交流。

四、教學(xué)環(huán)節(jié)與實(shí)施

在OBE教學(xué)理念中，各教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與實(shí)施為課程目標(biāo)的評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支持，并進(jìn)一步支持畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成。

傳熱學(xué)課程對(duì)應(yīng)的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)為：

1.2能掌握能源動(dòng)力類工程基礎(chǔ)知識(shí)，具有分析工程問題中機(jī)械、電子、力學(xué)、熱工原理的能力。

2.4能運(yùn)用專業(yè)基本原理，借助文獻(xiàn)研究，分析過程的影響因素，獲得有效結(jié)論。

4.1能夠基于科學(xué)原理，調(diào)研和分析解決復(fù)雜工程問題的方案。

10.3熟練掌握一門外語，具備基本的跨文化交流的語言和書面表達(dá)能力。

上述指標(biāo)點(diǎn)中，畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1.2由課程目標(biāo)1—5支撐，畢業(yè)要求2.4由課程目標(biāo)6支撐，畢業(yè)要求4.1由課程目標(biāo)7支撐，畢業(yè)要求10.3由課程目標(biāo)8支撐。每個(gè)課程目標(biāo)由不同的考核環(huán)節(jié)來評(píng)價(jià)達(dá)成度，如課程目標(biāo)1—5以及8的考核環(huán)節(jié)有期末考試、考勤和課后作業(yè)，對(duì)應(yīng)權(quán)重分別為0.7、0.1和0.2，課程目標(biāo)6—7的考核環(huán)節(jié)為小論文。其中的考勤不僅是線下課堂的點(diǎn)名，還包括線上教學(xué)視頻、教學(xué)資料的學(xué)習(xí)情況以及參與討論發(fā)言情況；考試環(huán)節(jié)是在期末考試結(jié)束后，將試卷中的每個(gè)考題與課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)，累積匯總計(jì)算支撐結(jié)果；小論文是精心設(shè)計(jì)的與實(shí)際工程相關(guān)的題目，如運(yùn)用外掠單管強(qiáng)制對(duì)流傳熱知識(shí)解釋熱線風(fēng)速儀的測量原理，并分析相關(guān)的研究現(xiàn)狀，編制計(jì)算程序開展參數(shù)分析等，還有利用傳熱學(xué)所學(xué)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式、傳熱過程傳熱系數(shù)計(jì)算原理、對(duì)數(shù)平均溫差、換熱器類型等知識(shí)，通過綜合分析完成一個(gè)換熱器的熱設(shè)計(jì)。

五、達(dá)成度評(píng)價(jià)

為了更準(zhǔn)確地計(jì)算課程的達(dá)成度，教師在平時(shí)教學(xué)中要注意各項(xiàng)教學(xué)資料的收集，如考勤記錄、作業(yè)與小論文完成情況以及期末考試試卷，并按照教學(xué)目標(biāo)以及支撐的畢業(yè)要求，將教學(xué)資料進(jìn)行整理分類，包括每個(gè)教學(xué)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的考勤、作業(yè)、考試題目個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)的總成績和學(xué)生的平均成績，作為達(dá)成度計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。有了這些數(shù)據(jù)后，按下式計(jì)算達(dá)成度。[5-6]

達(dá)成度評(píng)價(jià)值=達(dá)成度目標(biāo)值×

計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表可知，新的達(dá)成度計(jì)算是按照各個(gè)課程目標(biāo)分別進(jìn)行的。分析各教學(xué)環(huán)節(jié)情況可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的考勤得分普遍較高，而期末考試得分相對(duì)稍低，期末考試中課程目標(biāo)3、4、5平均得分較低，分別為18.3、9.9和7.3，得分占理論分值的比例分別為63.1%、61.9%和60.8%。分析各課程目標(biāo)達(dá)成情況可以看出，課程目標(biāo)1和8的達(dá)成情況較好，分別為0.085和0.082，課程目標(biāo)5和6稍差，只有0.071和0.07，但總體上各項(xiàng)教學(xué)目標(biāo)均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)(70%)。因此，可以認(rèn)為傳熱學(xué)課程各項(xiàng)目標(biāo)均已完成。

表1 “傳熱學(xué)”課程達(dá)成度計(jì)算表

六、持續(xù)改進(jìn)

從各教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)果可以看出，傳熱學(xué)教學(xué)仍有改進(jìn)空間，尤其是學(xué)生期末考試和小論文得分不夠理想，課后作業(yè)也需提高。從教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況看，課程目標(biāo)3、4、5達(dá)成度相對(duì)較低，教師需在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)方面進(jìn)一步改進(jìn)。因此，為了更好地貫徹OBE教學(xué)理念，教師在今后教學(xué)中需在以下方面繼續(xù)改進(jìn)。

首先，進(jìn)一步提升學(xué)生的問題分析與研究能力。教師在教學(xué)環(huán)節(jié)中可設(shè)置與課程相關(guān)的創(chuàng)新題目，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的傳熱學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問題，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提高其問題分析與研究能力。其次，為更好地達(dá)成各教學(xué)目標(biāo)，教師需借助新型教學(xué)手段改進(jìn)教學(xué)，包括進(jìn)一步建設(shè)在線課程，完善教學(xué)資源，開展線上與線下混合教學(xué)，增進(jìn)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的交流互動(dòng)，強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)過程管理。目前，煙臺(tái)大學(xué)傳熱學(xué)在線課程已完成建設(shè)，線上教學(xué)視頻也已覆蓋全部知識(shí)點(diǎn)，還建立了討論區(qū)供學(xué)生交流答疑。在實(shí)際教學(xué)過程中，教師要增加在線課程的使用，讓學(xué)生充分利用和重視在線課程的學(xué)習(xí)。再次，雙語教學(xué)仍有待加強(qiáng)。傳熱學(xué)課程為雙語教學(xué)課程，教師在教學(xué)過程中開展了多種形式的雙語教學(xué)探索與實(shí)踐，包括全部英語教學(xué)、部分英語教學(xué)、全部英文考試題等。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，采用全部英語教學(xué)和全部英文考試題效果不太理想，教師即使盡量采用簡潔、常用的英語詞匯命題，仍有一部分學(xué)生會(huì)因無法理解題意而放棄作答，導(dǎo)致出現(xiàn)大面積卷面空白。因此，學(xué)校在近幾年的考核中放棄了以往的全英語命題的方式，采用中文命題，雙語部分用英文術(shù)語、翻譯等檢測方式(分值占比10%左右)。這樣既全面客觀地考查了學(xué)生的傳熱總體學(xué)習(xí)情況，也對(duì)雙語學(xué)習(xí)進(jìn)行了考核，起到了支撐交流與溝通畢業(yè)要求指標(biāo)的作用。

七、結(jié)論

本文開展了OBE理念在傳熱學(xué)課程教學(xué)中的探索與實(shí)踐。按照OBE理念，確定了傳熱學(xué)課程的五個(gè)知識(shí)目標(biāo)和三個(gè)能力目標(biāo)，針對(duì)每個(gè)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)了期末考試、考勤、作業(yè)、效率等教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生進(jìn)行過程考核，計(jì)算各目標(biāo)的達(dá)成度，根據(jù)達(dá)成度計(jì)算結(jié)果提出持續(xù)改進(jìn)措施。本研究為工程教育專業(yè)認(rèn)證中專業(yè)基礎(chǔ)課程的課程目標(biāo)確定、達(dá)成度評(píng)價(jià)、持續(xù)改進(jìn)機(jī)制等關(guān)鍵問題的解決提供了參考。