基于BOPPPS理念的工程专业课教学改革探析——以浙江工业大学为例

（浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014）

基于BOPPPS理念的工程专业课教学改革探析
——以浙江工业大学为例

韩 龙，任建莉，平传娟，徐 璋，钟英杰

（浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014）

在产出导向教育（OBE）改革背景下，针对工程专业课教学的典型问题，构建基于BOPPPS内涵的教学理念与方法，开展工程传热学教改实践。将教学过程重新设计，分为引入、目标、前测、参与式学习、后测和总结六个连贯环节，充分体现学生的中心地位。重构教学培养目标，构建重视知识学习、能力提高和素养形成的综合培养目标，完善目标达成度评价方式。重视课堂互动与学生反馈，持续改进教学质量。以上举措符合OBE教改的要求，显著改善了教学效果，为高校工程类专业课教学改革提供了有益借鉴。

工程教育；BOPPPS；教学改革

高质量人才是社会可持续健康发展的关键保障。我国高等工程教育的改革和发展虽然取得了显著成就，但还无法完全满足人全面发展的需求。其中一个突出的问题是科学的高等教育理念尚未牢固确立，促进大学生全面发展的育人模式和环境有待改善[1]。目前，政府和社会公众对高等教育教学质量的关注，正从课程内容本身过渡到学生学习的效果以及学生能力和素养获得了怎样的提高[2]。因此，产出导向教育得到我国高校尤其是地方高等工程院校的普遍重视。产出导向教育自20世纪80年代起在美国、加拿大、英国、澳大利亚等国家广泛应用，是国际工程教育认证标准《华盛顿协议》的核心内容[3]。我国2013年6月正式成为《华盛顿协议》的第21个预备成员国。教育部正逐渐对国内高校进行基于OBE标准的工程专业认证和管理。OBE要求教育机构首先明确毕业生应达到的培养目标，然后建立培养目标与课程教学体系详细匹配的矩阵关系，并且注重教学持续改进[4]。培养目标制定、培养目标实现以及教学持续改进是OBE的三个核心。然而，传统的教育观念和教学模式难以与OBE要求相适应，客观上需要更加科学的教育理念和教学方法作为教学改革的有效支撑。浙江工业大学机械工程专业于2014年顺利通过教育部的OBE工程专业认证。为此，工程传热学教学团队基于BOPPPS的内涵，以学生为中心，构建结合知识、能力和素养的综合培养目标，通过参与式学习、课堂互动反馈等方式持续改进提升教学质量，建立了与OBE相适应的教育理念和教学方法，进行了大量教学改革实践，为机械工程专业顺利通过OBE认证做出了贡献。

一、工程类专业课教学的典型问题及原因

工程传热学是研究由温差引起的热能传递规律的科学。该课程不但是能源动力专业最重要的一门基础课，而且被麻省理工大学、清华大学等列为机械工程、航空航天、化工制药等专业的核心与必修课程[5]。工程传热学具有许多工程类专业基础课的共同特征：理论性较强，涉及大量微积分知识和公式推导，学习难度大；教学方法多采用讲授式，教师主要关注授课内容的完整性、准确性。在传统教学模式下，课堂教学普遍存在学生被动接收、学生学习兴趣和应用知识等综合能力缺乏的问题[6]。这些问题产生的重要原因是师生学习主体关系错位、教学培养目标滞后和教学有效反馈机制缺失。

（一）师生学习主体关系错位

在传统教学模式中，教师是教学的主体。教师灌输式讲授占据了课堂大部分时间。教学内容以及如何开展教学基本由教师根据教学大纲和自身经验决定。教师主要关注是否按照既定教学计划完成课程讲授，却极少关心学生学习成效如何、学生能力和素质是否得到提高[6]。学生处于被动接受知识状态，丧失了学习中的主体地位。由于不能理解课程学习价值及其与工程实践具体联系，学生学习兴趣普遍不高，学习主动性差。

（二）教学培养目标滞后

目前，我国高等工程教育课堂教学侧重对理论知识的掌握，教学效果主要依据期末成绩进行评估。这样的做法无法评价学生综合能力和素质，忽略了学生的全面发展。在经济全球化和现代化建设加速发展的新形势下，高等工程人才应具备综合应用知识解决复杂问题的能力、合作与交流能力、职业责任感、创新思维等综合能力与素质[5]。然而上述素养普遍未被列入课堂教学的目标，反映出传统教学培养目标的滞后。

（三）教学反馈机制缺失

传统工程教育教学模式缺乏有效的教学反馈。一方面教师缺少对学科动态发展和教学过程的思考，难以及时总结教学中的问题和启发学生的创新思维[5]。另一方面学生虽对授课内容和教学方式感到不满，但缺少向教师提出疑问和反馈意见的保障机制[6]。在教师思考和学生反馈缺失的情况下，无法保障教学质量持续提高[4]。

改变传统教学存在的典型问题，关键在于从根本上转变教育教学观念。需要深刻理解学生全面发展的学习需要，制定重视学生能力和素养的综合培养目标，并采用有效机制保障师生互动和教学质量的持续改进。

二、BOPPPS内涵与新型培养理念建立

（一）BOPPPS发展现状

BOPPPS是加拿大教师技能培训体系（Instructional Skills Workshop，ISW）的理论基础，该体系在1976年由温哥华大学的道格拉斯·克尔（Douglas Kerr）团队创建[7]。BOPPPS将教学过程进行模块化分解，每一个英文字母分别代表一个相对独立的教学环节。BOPPPS既能为课堂教学提供思路和理论指导，又是实现教学培养目标的有效方法，目前已成为加拿大高等教育课堂教学的标准模式，在全世界也受到广泛重视[7-8]。根据2017年1月知网（CNKI）数据库最新检索，2014年之前，国内有关BOPPPS的研究文献仅有3篇。但是2015和2016年相关文献分别增加到14篇和31篇，总文献数量已达到52篇*CNKI数据库里以BOPPPS为关键词在“标题”字段中检索1915-2017年研究文献52篇， 2017年1月22日。。

（二）BOPPPS的内涵

BOPPPS理念遵从教育学和心理学有关人类注意力持续时间的规律，鉴于人集中注意力的时间最多不超过15分钟，将课堂教学分隔为引入（Bridge-in）、学习目标（Objective/Outcome）、先测（Pre-assessment）、参与式学习（Participatory Learning）、后测（Post-assessment）及总结（Summary）等六个起承转合的部分[9]。引入部分在课程开始前帮助学生认识课程的价值和意义，有利于激发学生学习的兴趣和启发学生的创造性思维；学习目标分为认知、技能和情感三个层次，体现了以学生为本，关注学生全面发展的理念[8-10]；前测帮助教师了解学生在知识、能力、素养等方面的个体差异，开展有针对性的教学活动；参与式学习充分尊重学生在学习中的中心地位，提倡师生和生生之间的互动，有助于培养学生的批判性思维、分析计算、合作交流等综合能力和素质，也有利于教师获取学生的反馈；后测主要评估培养目标的达成度，为教学的持续改进提供依据；总结帮助学生把握知识体系和培养目标，发现学习的不足。

（三）BOPPPS教育教学新理念

浙江工业大学工程传热学教学团队以BOPPPS内涵为基础，提出以学生为中心的教育观、构建重视学生综合能力和素质的培养目标、持续改进的教学发展观三者相结合的教育教学新理念，并以此作为OBE教学改革的指导思想。（1）以学生为中心的教育观。从以教师为中心、以课堂教学内容为中心向以学生为中心的教育观转变。摒弃传统教学中只关心教学内容和考试分数的做法，把学生学习及学生发展的需要作为关切重点，并将学生视作教学改革的重要参与者[11]。课堂教学活动始终以帮助学生达成培养目标作为根本出发点。在课堂教学环节的设计上，充分考虑如何启发学生思考、如何因材施教、如何引导学生主动学习，以及如何评估学生的学习成果。（2）重视学生能力和素质的综合培养目标。从以掌握知识为主向重视能力和素质的综合培养目标转变。构建知识传授、能力和素质提高相结合的综合培养目标。教师在课堂上除了讲授知识，还要以理论知识为载体，通过多样化的课堂教学方式培养学生识别、分析、解决复杂工程问题的能力、合作交流的能力，同时培养学生正确的价值观和职业责任感。此外，培养目标的达成度不以考试成绩作为唯一标准，需要采取合适的方式评估能力和素养目标的达成情况。（3）持续改进的教学发展观。从一成不变的教学向重视互动和反思的教学转变，树立持续改进的教学发展观。不断提高教师专业水平和加强师生互动是持续改进的两个重要基础。一方面，教师应结合学科发展和研究动态，在BOPPPS教学的引入环节不断增添新成果，激发学生学习兴趣和积极性。另一方面，教师应避免灌输式教学的弊端，在教学中有意识地增加师生互动，在课堂前测、参与式学习、后测等教学环节分别通过提问、课堂测试、问卷调查等多种方式获取学生的有效反馈，并以此作为教师反思和教学持续改进的直接依据。

三、BOPPPS新理念在工程传热学的实践探索

基于BOPPPS新理念，浙江工业大学工程传热学教学团队进行大量教改实践。首先，在教学设计上，将教学过程按照BOPPPS理念分为六个环节，教学过程各个环节充分体现学生在学习中的主体地位。其次，在培养目标制定和评价方面，增加利用相关知识解决复杂工程问题、合作交流、评价工程方案社会影响、履行职业责任义务等能力和素养目标，并且提高课堂测试和分组讨论在总成绩中的比重，完善教学目标达成度评价方式。最后，重视通过前测、参与式学习和后测环节获取学生的反馈，将其作为持续改进教学的依据。

（一）通过引入激发学习兴趣

引入部分帮助学生认识传热学的工程价值和重要意义。通过丰富的图片等多媒体资料启发学生思考传热学的规律和重要应用。例如，通过电脑CPU导热硅胶和换热风扇，阐述导热和强制对流两种热量传递方式。通过太空卫星的高新科技实例启发学生思考如何防止强辐射传热。在集总参数法部分，利用多媒体声图并茂地引入淬火工程实例，帮助学生理解非稳态导热的特点及其对优化淬火工艺、提高钢材加工质量的重要意义。实际案例的引入不但能介绍传热学理论知识的实用价值、激发学生兴趣和学习动力，而且有利于启发学生利用传热学知识创造性分析、解决复杂问题的能力。

（二）确立重视知识、能力和素养的综合培养目标

以稳态导热为例，教学目标设定为：掌握导热微分方程的一般表达式及建模方法；根据定解条件在15min内求解复杂一维稳态导热的温度场及传热量；结合建筑节能等实例理解导热的工程价值和节能意义。该教学目标包含了BOPPPS三个不同层次的培养目标：知识认知层面的目标是掌握导热微分方程的一般表达式；能力层面的目标是掌握导热问题的数学建模方法和计算求解具体的稳态导热问题；情感层面的目标是理解导热弱化对建筑节能的实际价值，培养学生作为节能工作者的责任感。再以集总参数法为例，教学目标设定为：在知识认知层面，掌握集总参数非稳态导热温度场表达式及适用条件；在能力培养层面，应能根据实际条件在10min内求解集总参数非稳态导热问题的温度场或特征时间；最后在情感和价值层面，深刻理解时间常数控制在淬火工艺控制的实用价值。

（三）课程前测评估学生个体差异

工程传热学涉及到大量的数学、物理知识，教师可在前测环节了解学生个体知识、能力等方面的差异，以便因材施教。例如，在讲授层流流动换热微分方程组时，通过提问了解学生是否熟悉应力、动量守恒定律等理论知识。针对基础薄弱的学生，重点阐释有关知识难点，减少学生理解动量微分方程和能量微分方程推导花费的时间，提高学习效率。又如，在集总参数法教学时，在前测提问毕渥特征数和热阻的概念，帮助学生理解集总参数法适用情况的特点。针对学生的回答，重点阐明物体导热热阻远小于对流热阻时，物体内部的温度趋向一致，此时非稳态导热问题的求解适合采用集总参数法。

（四）多种形式引导学生参与学习

课堂分组讨论和实例计算是引导学生积极参与学习的有效方法。例如，结合盛有高温热水的敞口玻璃杯，引导学生近距离观察、触摸玻璃杯，通过分组讨论总结该实例所呈现的所有热量传递方式和过程，加强课堂互动。再如，在集总参数法教学时，进行淬火工艺案例计算。利用10分钟的课堂时间，令学生求解淬火钢材在特定时间的温度变化。在案例计算基础上，通过提问启发学生思考集总参数法求解物体温度场的一般方法：判断适用条件、计算傅里叶特征数、求解物体温度变化。分组讨论既有利于提高学生分析复杂问题的能力，又能够培养学生创新思维以及合作交流的能力。案例计算能够锻炼学生解决实际复杂工程问题的能力和素养。因此，将参与式学习的结果列入学生总成绩，能够从能力和素养提高的角度完善教学培养目标达成度的评价方式。

（五）结合后测评估教学目标达成度

后测评价教学培养目标的达成情况。根据不同层次的培养目标，采取不同的后测评价方式。对知识层面（如黑体辐射四大定律）的培养目标，可通过课堂提问进行评价。对能力层面（如非稳态导热问题中温度场或特征时间的计算求解能力）的培养目标，除了采用课堂测试，还可通过学生填写能力完成清单评估。对情感和价值层面（如强化对流传热的节能价值）的培养目标，可利用填写反馈表的方式评估学生的达成情况。后测的结果与前测、参与式学习环节的学生反馈，共同组成教师反思教学不足和持续改进的直接依据。

（六）总结强化培养目标和学习成效

教师在课堂结束时应避免草草收尾，需要简明扼要总结知识要点和强调教学目标，帮助学生从整体上进一步把握理论体系和学习目标。对于表现优异的同学，教师可给予适当赞许，激发学生更高的学习热情。以集总参数法为例，课堂最后3分钟概述如下：以导热为例，利用图1总结导热问题的建模求解方法和包含的知识体系，明确导热问题求解的根本任务是获得导热温度场和热流量。集总参数法适用于求解毕渥数小于等于0.1的非稳态导热问题；应具备利用集总参数法求解复杂非稳态导热物体温度场和时间常数的能力；明确非稳态导热时间常数对淬火工艺控制等实例的工程价值（见图1）。

图1 传热学导热部分知识结构

四、BOPPPS理念教改实践效果

基于BOPPPS内涵的教学理念和方法，浙江工业大学工程传热学的教改实践取得了良好效果。以2015—2016第2学期为例，在总数为88人的机械工程学院大班教学中，课堂气氛变得非常活跃，学生低头率显著下降，学生的学习积极性相比采用传统教学模式有了显著改善。引入实例启发学生、结合前测因材施教、引导学生参与学习、利用后测评估目标达成度，这些措施的实施有效提高了教学效率，学生的综合能力和素养也得到有效提高。以集总参数法参与式学习的案例计算为例，全班有62人计算得到了淬火钢材的正确温度，占总人数的70%以上，同时有80人的计算思路和计算步骤基本正确，占总人数的90%以上；在集总参数法后测评估中，有71人反馈能够计算非稳态导热物体的特征时间，占总人数的80%以上，同时有83人能够理解时间常数对淬火工艺控制的实用价值，占总人数的94%以上。

综上所述，在工程教育认证国际化和OBE教学改革的背景下，基于BOPPPS内涵精心设计课堂教学过程，以学生为中心，构建重视知识、能力、素质的综合培养目标，通过课堂互动和学生反馈持续改进教学的理念与举措，在工程传热学教学实践中取得了良好效果，为高校工程类专业课程的教改提供了借鉴。

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（责任编辑：王惠芳）

On the teaching reformation for engineering courses based on the concept of BOPPPS——A case study of Zhejiang University of Technology

HAN Long, REN Jianli, PING Chuanjuan, XU Zhang， ZHONG Yingjie

（Institute of Energy and Power Engineering, College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China）

In the context of outcome based education （OBE）, new education and teaching values and methods are set up and teaching reformation practice of Engineering Heat Transfer is conducted based on BOPPPS concept, so as to solve the typical problems during conventional engineering course teaching. The teaching process is redesigned and divided into six continuous units of Bridge-in, Objectives, Pre-assessment, Participatory learning, Post-assessment and summary, greatly valuing the student-centered concept. Comprehensive cultivation objects emphasizing knowledge, ability and quality are reconstructed, while evaluating ways of objects accomplishment are promoted. Course interactions and students’ feedbacks are emphasized in order to continuously improve teaching quality. These taken measures conform to the requirements of OBE teaching reforming and significantly improve teaching effectiveness, which provide good reference for teaching reformation of other engineering disciplines.

engineering education; boppps; teaching reformation

2016-11-24

国家自然科学青年基金（51506186）；浙江省科技厅公益项目（2016C31103）；浙江工业大学精品课程建设项目（JPZX1602）

韩 龙（1983—），男，山东淄博人，讲师，博士，从事教学理论研究；通讯作者：任建莉（1975—），女，河南沁阳人，副教授，博士，从事传热学研究；平传娟（1978—），女，山东日照人讲师，博士，从事教学改革研究；徐 璋（1973—），男，江苏海门人，副教授，博士，从事热工学研究；钟英杰（1962—），男，浙江杭州人，教授，博士，从事热工学理论研究。

G642

A

1006-4303（2017）01-0103-05