新工科背景下融合CDIO-OBE和翻转课堂的混合教学模式探索

2022-04-03周蓉沈维蕾

物流技术 2022年2期

周蓉沈维蕾

[摘要]将CDIO工程教育理念、OBE教育理念和翻转课堂相结合，提出融合CDIO-OBE和翻转课堂的校本“设施规划与物流分析”课程教学模式改革新方案，符合“新工科”培养具备多学科交叉能力、批判性思维、具备国际竞争力和终生学习的高素质复合型创新设施设计和物流人才的专业培养目标和要求。教学实践表明，所提出的混合教学模式能够有效提升课程教学质量，可为高等教育教学的改革与创新提供参考。

[关键词]新工科;设施规划与物流分析;CDIO;翻转课堂;混合教学模式

[中图分类号]G642

[文献标识码]A

[文章编号]1005-152X（2022）02-0147-09

[收稿日期]2021-09-15

[基金项目]安徽省2020年高等学校省级质量工程教学研究项目（2020jyxm1484）

[作者简介]周蓉（1977-），女，四川德阳人，博士，讲师，研究方向：资源调度、物流系统优化等。

0引言

随着智能制造、工业4.0的提出与逐步展开，全国各地对于工业工程专业创新型人才的需求呈井喷状态[1]。然而，面对广阔的市场需求，我国创新型多元化工业工程人才储备明显匮乏，在智能工厂生产系统及智慧物流系统方面的创新型、高技能规划设计人才尤其不足[2]，呈现出传统工程人才相对过剩而创新型多元化高端人才短缺并存的不适应局面[3]。在此背景下，迫切需要高校，尤其是工科优势高校探索“新工科”人才培养模式，夯实、强化“新工科”建设与发展。新工科建设给高校的工科人才培养提出了更高要求和新标准，要更加注重培养学生的自主学习能力、工程实践能力、团队协作能力和创新能力，培养应用型、创新型、复合型的新工科人才[3]。

“设施规划与物流分析”（有的学校称为“物流工程”）是工业工程专业一门重要的专业基础课，目标是培养学生具备解决企业生产与管理过程中设施的空间组织与物料搬运的系统设计和改善的综合技术能力[4]。它是学生从管理学、机械制造技术基础、运筹学等纯理论知识转向实际应用的综合学习及实践的重要课程，也是培养学生综合分析能力、解决工程实际问题能力和创新设计能力的专业主干课程，是学生了解和掌握专业领域工程问题的实际设计分析的开端[5]，其教学质量会直接影响学生的专业技能。

“新工科”建设行动路线（“天大行动”）指出，要“问学生志趣变方法，创新工程教育方式与手段”[6]。因此，在新工科背景下，“设施规划与物流分析”课程的教学改革变得更加迫在眉睫、势在必行。

1“设施规划与物流分析”课程教学现状分析

“设施规划与物流分析”课程具有很强的理论性、工程性、综合性和设计性，主要由理论教学、实验教学和课程设计三个环节组成[7]。然而，由于受到课程教材、教学方式、教学条件和指导力量等多方面的限制，这些教学环节并不能真正激发学生创新意识。纵观各高校“设施规划与物流分析”课程教学现状，主要存在以下三个方面的问题：

（1）现有教材知识体系跟不上时代需求。各高校所用教材多为十几年前编写的书籍，版本较老、内容陈旧偏重理论推导[4]，大多数教材的知识体系未能涵盖服务于智能工厂和智慧物流等科技前沿领域的规划设计理论范畴，故无法满足新一代产业革命下诞生的“新工科”建设对高校工科人才提出的新要求和新标准。

（2）“重理论轻实践”的教学模式不利于学生创新能力培养。在理论教学中，通常以“教师为中心”，以传统书本章节内容顺序灌输式讲授，课堂缺乏学生互动，难以体现学生学习的主体作用，致使学生课堂体验效果差。在实验教学环节，实验项目大多处于理论验证、现象演示等較低层次上，缺乏综合创新类实验[8]，不能充分挖掘学生的实践创新能力;在课程设计环节，各高校基本以机械制造厂总平面布置设计作为课程设计题目[9]，题目单调内容简单，没能和现代行业企业对设施规划与设计类人才需求相结合，很难做到产学结合，容易与社会需求脱节。

（3）单调的课程质量评价方式不利于课程持续闭环改进。课程考核方式较为单调，学生成绩通常以期末考试成绩和实验分析报告评定，缺乏过程性考核、激励性考核机制，不能对设施规划与物流分析学习效果进行合理有效地评定、及时跟踪与反馈。更重要的是，考核指标仅考虑学生学习效果，鲜有指标涉及教师层面教学质量，课程质量评价体系缺乏完整性，将不利于课程未来的持续闭环改进。

综上所述，《设施规划与物流分析》课程的现有教学模式难以培养满足具备家国情怀、批判性思维、全球视野和国际竞争力的工程实践能力强、创新创业能力强的高素质复合型“新工科”设施规划设计和物流人才的需求。因此，在新工科建设路径指导下，如何在“设施规划与物流分析”课程教学过程中提高学生的自主学习能力、工程实践能力、团队协作能力和创新能力等综合素质，已成为“设施规划与物流分析”课程亟待解决的问题。

2CDIO工程教育理念和翻转课堂教学模式

CDIO是由美国麻省理工大学和瑞典皇家工学院等四所大学于2004年联合探索创立的工程教育理念和全新的国际工程教育与人才培养的创新模式，它强调工程教育应当关注实践并以科技为基础，以工程项目（包括产品、生产流程和系统）的生命周期为载体，让学生在有机联系的集成化课程群中，以主动学习和实践的方式学习工程技术，达到培养具有综合创新能力的创新型工程人才之目标[10]。

从国内教育界对CDIO近16年的研究、以及CIDO在“设施规划与物流分析”课程中的应用[11，12]来看，CDIO这个舶来品已经渗入到国内高校各专业人才培养、课程改革、实验室建设、职业培训、学生竞赛等领域并取得了较为显著的效果，是仍然存在一些问题，比较突出的是：CDIO并未真正融入课程实施过程，研究缺乏必要的数据支撑，CDIO模式的应用需要充分考虑实施效果的评价评价体系的建立[13]。

2.2翻转课堂教学模式

翻转课堂是2011年开始在美国兴起新型教育教学模式，是学生按照自己的学习进度在课前进行自主学习，然后在网络和课堂上师生共同进行问题解决并深度拓展学习的一种教学模式。翻转课堂与传统教学的一个主要区别是反转了原有的学习过程，课堂的把控权不再是教师，而是师生互动的一个教学环境，有助于提高学生学习兴趣，更好地理解和掌握知识[14]。

尽管翻转课堂被广泛应用于国内大中小学的多门课程教学之中，有关翻转课堂的课程研究呈现出一片欣欣向荣的景象，但是翻转课堂的本土化研究还不够、理论基础研究薄弱、教师创新能力不足等问题，大部分课堂翻转时仍以教师实施翻转教学为主，而忽略了学生视角下对翻转课堂的适应及个性化学习，使得翻转课堂仍然是传统或部分翻转，无法实现真正意义上的整体翻转。同时由于长时实证性研究欠缺、教学效果缺乏数据支撑、教学评价缺乏系统性以及翻转形式化等，容易忽略学生认知与思维体系的突破，造成知识碎片化和能力培养同质化，使得翻转课堂的有效性难以保证并提高[15]。

3融合CDIO-OBE和翻转课堂的“设施规划与物流分析”课程混合教学模式设计

CDIO工程教育理念和翻转课堂教学模式都是“以教师为主导，学生为主体”的教学精神的深入体现，将两者进行有机融合，不仅可以发挥CDIO培养工程实践和创新能力的优势，还可以发挥翻转课堂提高课堂效率的优势，实现优势互补和取长补短[16]。不少高校课程将二者融入到具体的课程实践中，取得了显著的成效，但大多数仍然存在停留于教学方式的简单融合、应用领域单一缺乏普适性推广、课程建设个体化忽略了理论课程与课程群或实践课程之间的相互联系[17]。这种表面或局部融合虽然能在较短时间内培

养学生的自主学习能力、工程应用实践和创新能力，但是却不能有效培养学生的知识迁移能力，不能满足新工科建设下具备多学科交叉能力、批判性思维、具备国际竞争力和终生学习的复合型创新人才的培养目标。因此，如何实现二者融合的有效性，实现教师和学生真正共同翻转，需要充分挖掘翻转课堂和CDIO理念的优势，对翻转课堂各环节和项目内容、课堂翻转实施方案、课程质量评价体系等方面进行有效设计，实现课程的全方位、系统性融合。

3.1混合教学模式总体思路

以“设施规划与物流分析”课程为例，融合CDIO-OBE和翻转课堂的混合教学模式总体改革思路如图1所示，从教学理念、教学目标、教学模式、教学方法和教学质量评价五个方面进行。基于新工科建设人才培养核心素养[18]，采用以成果为导向的OBE教育理念[19]制定“设施规划与物流分析”课程人才培养目标，细化为设施规划与物流管控能力、自主学习能力、批判思维能力、问题解决能力、沟通表达能力、知识迁移能力、团队协作能力、创新创造能力和社会责任感等9个能力指标点，并根据能力指标点逆向设计课程的教学目标，见表1，表中“掌握程度”为布鲁姆教育目标分类程度;将CDIO教育理念的案例和项目驱动式及小组讨论式教学法与翻转课堂相结合，借助先进的信息化技术实施线上线下、课内课外相结合的新工科背景下“设施规划与物流分析”课程混合教学模式改革探索。

3.2混合教学模式总体设计模型

混合教学模式采用CDIO-OBE理念组织教学内容，指导翻转课堂课前、课中和课后活动的设计，以案例/项目、小组讨论法等先进教学方法驱动教学活动开展，并辅以线上与线下、课内与课外、理论与实践相结合的方式强化学生的设施设计和物流分析等理论知识理解能力及实践应用能力，让学生以完成项目任务、在“做中学”的体验式学习方式内化知识为自身能力，最终以多元化课程质量评价机制对学生成绩与课程教学质量进行考核和系統评价，作为下一轮教学活动开展的反馈指导。融合CDIO-OBE和翻转课堂的混合教学模式的设计模型如图2所示

（见下式）。在这个体现课前、课中和课外、理论与实践等多

个维度、包含教师和学生等多个主体教学方式的总体设计模型中，以设施设计和物流分析案例和项目为主线，以项目分解的若干任务在课前进行自主学习与练习，在课中进行答疑解惑与案例讨论、课堂实训或深度测试，在课后进行大作业巩固演练，将这些环节以线上线下相结合的方式融入整个“设施规划与物流分析”课程教学过程中。

在该模型中，教师是教学各环节的设计者、组织者与指导者，学生是各教学环节的主体和体验式学习任务的完成者。融合CDIO-OBE和翻转课堂的混合教学模式对教师的专业能力提出了新的、更高标准的要求：（1）教师的教学设计能力要高屋建瓴。教师根据课堂教学目标和CDIO工程教育理念设计多种线上资源（包括教学视频、教学ppt、案例、项目和讨论主题等），这些资源应涵盖整个教学内容;以构思、设计、实现、运作为任务分解依据，将贯穿于整个课程课内外教学活动的教学案例/项目分解为多个可供学生选择学习与训练的小任务，这些小任务应难易适中，适合各个层次的学生。（2）教师的教学组织能力要灵活多样。教师通过网络教学平台（如雨课堂等）获取学生学习任务后的问题反馈并进行问题分类，以此确定下一次课堂环节教学方式。所选教学方式应首先以学生问题为出发点，利于因材施教并让课堂活起来、让学生动起来。（3）教师的教学指导能力要兼顾大局、张弛有度。教师主持课堂讨论环节，应能对各组讨论或单个同学的分析进行指导、点评，能引导他们的讨论深入并适时结束。

在学生端，通过课前任务完成和练习、问题反馈以及学习心得的完成可以构筑在设施设计方面的自我知识体系，利于教师发现个体差异;课内外多种形式教学活动的体验、课堂任务的完成，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程知识。同时，细分任务方式利于解决小组分工不明确、学习态度差的同学“搭便车”和小组边缘人的存在[17]等问题，从而提高课程整体教学质量。

3.3“设施规划与物流分析”课程项目设计与任务分解

四要素教学设计模型（4C/ID）是面向复杂学习的整体性教学设计模型，其教学设计包括四个要素：学习任务（1C）、支持性信息（2C）、即时性信息（3C）和分任务训练（4C），教学设计宗旨在于培养学生“举一反三”的能力[20]。其中，支持性信息类似于传统教学中的基础知识，主要采用翻转课堂课前预习和课后练习等教学方式呈现;即时性信息类似于传统教学中的应用练习，即针对不同应用环境即时性信息都是不确定的，需要学生自主分析实际问题，并将其所学的基础知识相关联，因此可采用研究性大作业、实验、课程设计和课中讨论、课后训练等教学方式呈现。本文借助四要素教学设计思想，根据“设施规划与物流分析”课程教学目标，将课程内容进行项目设计并进行任务分解。首先将教学内容设计为选址分析、布置设计、搬运系统分析、仓库规划设计和配送中心规划设计五大模块，划分各模块的支持性信息和即时性信息。综合这两类信息提炼四大类项目[11]涵盖课程五大模块内容以实现所有教学目标，具体可细化为10个项目，如图3所示。以布置设计和物料搬运系统分析为主要分解模块，将项目进行任务细分得到设施布局类任务、物料搬运系统类任务、实验任务、大作业和课程设计五大类“分任务训练”。选择典型的汽车制造企业或车间工程问题作为各项目研究对象。

3.4混合教学模式的多元化评价体系

教学评价是对教学质量的检测，对教学的反馈，也是取得优良教学效果的外在压力和有力保障。新工科背景下的设施规划与物流分析教学要求更注重培养学生解决实际工程问题的能力和创新能力，教学过程更注重学生的过程性学习，因此课程成绩评价应更强调过程性评测，成绩评定不但要综合试卷理论考试、作业和实验报告、课堂表现和考勤等方面，而且要更注重过程性阶段检验和学生能力的评价，以多维度、全方位展现学生能力为目标来多元考核学生所学课程的成绩。

新工科背景下的“设施规划与物流分析”混合教学模式的教学评价，其评价对象不仅包含学生是否具备工程创新能力，还包含教师的工程能力是否符合企业要求，工程项目本身是否能激起学生的学习兴趣，课前教学资料是否满足工程项目知识需要、是否具有引导性等。参与教学评价的人员应包括学生、任课教师、其他专业教师和企业工程师等多方人员。基于融合CDIO和翻转课堂的“设施规划与物流分析”课程教学的实际情况，本文以“分层考核”为核心，设计了包括学生评价和教师评价的两大类指标体系对学生的课程成绩和教师的教学效果进行评价，形成“过程+期末”、“线上+线下”、

“教师+学生”的立体化评价方式，见表2。针对学生课程成绩评定，学生评价包括组间评价和组内评价，教师评价包括个人评价和小组评价;针对教师教学效果评定，教师评价包括教师自评和其他教师他评。兼顾课前、课中和课后的过程性评价和学生试卷理论考试成绩的学习成效评价并重、兼顾教师

“教”的能力和学生“学”的能力以及课程的综合教学质量并重的“设施规划与物流分析”课程混合教学模式评价原则，不仅可以全面有效地评价学生学习效果，而且可以为下一轮课程教学提供反馈指导，有助于帮助教师提高课程教学质量，促进课程教学的循环改善。

4“设施规划与物流分析”课程混合教学模式应用效果分析

2020-2021年第二学期，针对工业工程专业，开展了融合CDIO和翻转课堂的校本“设施规划与物流分析”课程混合教学模式改革实践，74名学生参与了该课程学习。本研究进行了问卷调查分析，同时利用雨课堂平台提供的分析功能对学生学习行为进行了数据分析。

（1）调查问卷分析。本研究对学生进行了问卷调查，调查问卷采用五点量表，按照5分制计分。问卷结果表明，学生能自主完成基于雨课堂的课前预习（均值4.64，标准差0.862），对新的教学模式比较感兴趣（均值4.13，标准差0.97），认为有利于启发思维（均值4.13，标准差0.85），认为课程项目各作业任务难以程度适中（均值3.45，标准差0.89），认为课程培养了专业技能、问题解决能力、创新创造能力、自主学习能力、知识迁移能力、沟通表达能力和团队协作能力（均值4.59，标准差0.89），比传统课堂教学模式的效率高、内容深、互动多（均值4.55，标准差0.81）。

（2）平台数据分析。雨课堂提供了多元统计功能，包括学生到课次数、课程ppt观看页数和观看时长、视频观看率和观看时长、课前预习任务练习题和课后作业题完成情况、课中测试情况等。这些情况反映和解释学生的课前自主预习行为和课后知识巩固情况，以及课中知识内化情况等。平均视频反刍比，通过计算学生观看视频时长与视频自身长度之比，反映各学生重复观看视频次数，能有效反映学生对视频的感兴趣程度和对视频内容的理解程度。雨课堂统计了74名学生观看课程22个视频的时长，具体统计数据见表3。可以看出，除少数几个学生未能完成个别视频的完整观看外，绝大部分学生都能完成视频观看，其中17.6%的同学花费了1.5倍以上时间反复学习，说明学生的课前自主学习情况良好。以“如何为工厂选址”部分为例，视频长度31.2min，雨课堂统计数据表明，视频观看率为100%，学生平均观看时间为41.15min，平均视频反刍比为1.31，表明学生反复观看过该视频，反映出学生对该部分内容比较感兴趣，或者认为该知识点存在一定难度，在课中老师应该重点讲解和组织讨论，便于学生深入理解和掌握。

雨课堂统计了74名学生完成课前练习、课堂测试和课后作业、大作业等情况。课前练习主要检测学生课前自主预习效果，一般为5-9题，形式包括选择和问答题;课堂测试主要检测课堂深入学习效果，一般为5-7题，主要以计算和分析题为主;课后作业主要检测学生课后知识巩固情况，一般为4-7题，主要以计算、问答和分析题为主;大作业主要检测学生整门课程知识的综合掌握与运用能力，一般为1-2题，主要以综合规划和物流分析题为主。统计表明，课前练习完成率为100%，平均得分均在96分以上。以“设施选址”课前练习为例，平均得分为96.8分，其中100分学生占比为79.7%，85-100分學生占比92.4%，75-85分学生占比7.6%，说明学生在“设施选址”课前预习效果较好，绝大部分同学（超过92.4%）能理解课前视频及ppt内容。课堂测试完成率为99%（个别学生因病缺勤），除了“物流设施设备”知识点的平均得分为78.5分外，其余知识点的最低平均得分为92.8分，说明在结合CDIO项目/案例的翻转课堂深入讲解与小组讨论后，学生对知识点能更加全面深入理解与掌握，学生个体的知识内化效果较好。“物流设施设备”知识点得分较低，说明该知识点的工程实践性很强，需要学生从物流各种设施设备的外观、型号、规格、参数上进行详细分析，同时结合工厂实习从感官、理论和实际应用中去理解把握各种物流设施的使用场合和选用条件。课后作业完成率为100%，平均得分均在97分以上，以“物流分析方法”知识点为例，平均得分为97.2分，100分学生占比为59.5%，85-100分学生占比93.7%，75-85分学生占比2.6%，60-75分学生占比为3.8%，得分较低的学生存在的问题是分析题理解不够全面。大作业完成率为100%，平均得分为90.6分，100分学生占比为16.5%，85-100分学生占比83.5%，75-85分学生占比12.7%，60-75分学生占比为3.8%，得分较低的学生存在的问题是数据来源不够清晰、分析过程不够细致。数据分析表明学生完成任务、测试及作业情况良好。此外，“设施规划与物流分析”课程的实验和课程设计等实践环节数据也说明绝大部分学生对给定条件下设施布置和物流分析工程问题的分析和解决能力良好，部分学生表现出较强的创新能力。

由于融合CDIO和翻转课堂的混合教学模式以项目/案例为教学驱动方式，注重学生课前自主学习效果、课内讨论的师生互动和课后作业的巩固提升，使学生能够更好地理解和掌握所学课程内容。“设施规划与物流分析”课程各环节设计注重理论教学和实践教学内容之间、数学建模教学与计算机仿真教学之间、基础理论教学与学科前沿之间、实践教学与工程实际应用之间的紧密结合，同时课程考核方式和考核对象的多元化与考核激励目的之间紧密结合。通过本课程的学习，使学生具备解决当前制造和服务领域设施规划与物流管控问题的基本能力，培养学生在科学研究和工程事务处理上不惧困难的坚强毅力和批判创新的思维能力，促进学生专业素质和家国情怀素养的提高。同时，通过本课程的教学，培养教师对学生知识理解和吸收能力差异的观察能力，促使教师以学生为中心有针对性、创新性地设计教学环节，促进教师职业技能和专业素质的提升，从而实现“设施规划与物流分析”课程教学质量的持续改进。

5结论

融合CIDO-OBE和翻转课堂的“设施规划与物流分析”混合教学模式突破时空限制，兼顾学生的个体差异性，实现了学生从理论知识学习到综合创新实践技能培养的平滑过渡，同时促使教师专业素质和“教的能力”的提升，促进课程质量持续闭环改进，从而为新工科背景下工业工程专业教学改革提供了有益思路。然而，CDIO工程教育理念和翻转课堂同是教学改革浪潮下的舶来品，良好的本土化应用与创新还需持续不断地优化融合CDIO和翻转课堂混合教学模式的各个环节，全面提升教师的专业素质与课程创新设计能力，优化完善课程质量评价体系，从而为社会和国家培养更多的具有国际竞争力的设施规划设计人才。

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