案例分享丨基于BOPPPS模型的教学创新设计
The following article is from 高等工程教育研究 Author 金鑫等
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导读
新工科背景下机械工程教育改革亟需进一步创新课程知识体系、教学手段与方式。以重庆大学机械设计课程为例，开展基于BOPPPS教学模式的课程教学创新设计，深度融合成果导向教育（OBE）与对分课堂（PAD Class）理念。通过问卷调查以及学生评教结果显示，教学模式可以显著提升学生学习效率和效果，为工程教育课程教学创新设计提供借鉴和参考。
作者丨金鑫 李良军 杜静 岳勇
来源丨高等工程教育研究
作者简介：金鑫，重庆大学机械及运载工程学院副教授、博士生导师，工学博士；李良军，重庆大学机械及运载工程学院副教授；杜静，重庆大学机械及运载工程学院教授、博士生导师，工学博士；岳勇，新疆农业大学机电工程学院副教授，工学博士。
建设创新型国家、实施“中国制造2025”和让更多中国制造变成中国创造，对工科专业尤其是机械专业大学生创新能力的培养提出了更高的要求。在此时代背景下，教育部提出开展“新工科”建设，“复旦共识”“天大行动”“北京指南”极大拓宽了高等教育改革的新路径。2017年以来，教育部连续下发通知，推进新工科建设与实践，积极探索形成领先世界的有中国特色的工程教育新模式、新经验。[1-3]
新产业、新技术、新模式、新业态为特征的新经济模式下，先进制造中不断涌现的复杂工程问题，对工程教育尤其是机械工程教育培养引领未来的兼具开放思维、探索精神、科学素养、人文情怀的卓越人才提出了更高的要求。机械设计课程作为机械工程教育核心专业课程，课程改革应积极面向“新工科”建设要求，力争改革创新。[4,5]
01
传统的教学方法与问题
中国大学20世纪50年代开始采用苏联模式，建成了机械、电气、材料、自动化等主要工科专业门类齐全的体系，是在较窄范围的专业领域内进行人才培养，符合我国当时国防和经济建设的需求。20世纪90年代，为适应时代发展需要，进行了厚基础、宽口径的工程人才培养模式改革，培养人才的大工程视野得到一定程度的提升。进入21世纪以来，全球科技创新空前密集活跃，对人才知识、能力、素质需求变得更为苛刻，作为机械工程专业核心课程的机械设计，其问题也逐渐暴露[6-9]，具体表现在：
1.教学内容陈旧
传统机械设计课程教材内容陈旧、更新慢，对新产业发展带来的新技术和新知识更新滞后，高阶性、挑战度、创新性不够，严重影响教育的有效性。在新工科背景之下，应适当融入创新思维、创新技法和现代设计方法，要求任课教师必须站在工程前沿，及时引入学科前沿知识。
2.创新培养教学模式不足
虽然通过MOOC/SPOC信息化教学手段结合翻转课堂，课堂教学效率得到进一步提升，但教学实践依然可能陷入由“课堂灌输”向“视频灌输”的误区。教学重知识传授、轻能力和素质发展，学生参与、互动和反馈不充分。传统课堂教学一味空泛地谈论创新，无法给出具体实践指导，学生不清楚该在哪些方向创新以及如何创新。
3.课程贯通欠缺
机械设计课程体系结构内容关联性不够紧密，前后所修课程间缺乏清晰的衔接，造成学生知识架构不清晰。譬如，学生在学习“机械设计”课程时，会发现某些基本概念，比如应力、强度、应变、瞬心等，在前导课程如“材料力学”“理论力学”中都有涉及，却无法将其有机结合，造成学生知识点零散不成体系。需要对课程之间的衔接和关联进行全面梳理，理清知识脉络，使知识结构明晰化。
02
相关概念
1.成果导向教育理念（Outcome-Based Education，OBE）
成果导向教育理念（OBE）由William Spady提出兴起至今，已形成完整教育理论体系。因其理念的先进性、科学性、实用性，OBE逐渐被美国、加拿大、欧盟等西方国家全面接受，并广泛应用于工程人才培养模式改革及国际专业认证标准设计。
OBE教育理念以预期学习产出为中心，据此组织、实施和评价教学活动关键环节，采用逆向思维方式进行课程建设。以最终确定的学习成果为起点，反向进行课程设计，考虑如何有效取得学习成果，开展教学活动，并对教学过程进行评价和考核，即确定学习成果→构建课程体系→确定教学策略→自我参照评价→持续改进。[10]
2.BOPPPS教学模型
BOPPPS教学模型源于加拿大教师技能培训，以教学目标导向、以学生为中心，由引入（Bridge-in）、目标（Objective/Outcome）、前测（Pre-assessment）、参与式学习（Participatory Learning）、后测（Post-assessment）、总结（Summary）6个教学环节构成。[11,12]
模型在教学理念上强调学生“学到了什么”，而非教师“教了什么”。教学目标设定清晰，符合认知规律，便于达成度评价。教学方法上要求学生主动积极参与学习，并及时获得学生反馈信息，调整后续教学环节，促进教学目标的顺利达成。
3.对分课堂（PAD Class）
对分课堂是复旦大学心理系张学新老师提出的课堂教学改革新模式。核心理念是分配一半课堂时间给教师讲授，另一半给学生讨论，并把讲授和讨论时间错开。将原有讲授法和讨论法进行解构与重构：把教与学活动分为精讲留白、学生独学、小组讨论、答疑点评四个步骤。[13]
针对“机械设计”课程教学过程中存在的问题，重庆大学机械设计课程组运用 BOPPPS教学模型改进课程教学设计，深度融合成果导向教育（OBE）与对分课堂（PAD Class）理念。以前沿工程案例导入提升课程高阶性、创新性、挑战度；以BOPPPS和对分课堂实践提升学生参与度、积极性，形成创新培养教学模式；通过BOPPPS模型前测、后测、总结理清知识点，贯通课程知识体系。基于OBE教育理念，以课堂目标达成为中心，组织、实施和评价教学活动关键环节，充分调动学生学习积极性和创造性，见图1。
03
基于BOPPPS模型的混合式教学设计
混合式教学设计遵循“OBE教育理念是BOPPPS模型的灵魂，BOPPPS和对分课堂是OBE的实践体现”原则。
1.导入（Bridge-in）
通过导入环节让学生快速了解课堂主题，激发学习兴趣。通过引入课程教学团队教师主持、参与的国家重点研发计划、国家科技支撑计划项目中的前沿技术作为案例，见表1。覆盖课程关键零部件设计，激发学生求知欲，使其感受机械工程领域最新发展和技术思想的同时，讲好中国故事，强调“机器功能+中国制造+重庆大学贡献”。例如，在讲授齿轮传动内容时，通过给学生观看大国重器——最大涡轮压裂车开发视频，提出为高效开采页岩气资源，如何设计压裂车，其中传动系统的作用是什么？问题高度契合齿轮设计主题，引发学生思考，激发其内在学习兴趣。
表 1 典型科技转化项目与成果
2.目标（Objective）
教学目标是课程教学设计中至关重要的部分。根据OBE教学理念，章节目标根据毕业要求→课程目标→章节目标→课堂目标层层分解。重庆大学机械设计课程组确定“工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、使用现代工具”作为课程对应的毕业要求，培养学生具有“深厚知识底蕴、扎实专业基础”的知识目标，具有“宽广产业视野、复合应用实践”的能力目标，以及具有“强烈社会责任、敏锐创新意识”的素质目标。
根据上述四大毕业要求，采用OBE理念反向细化到机械设计课程每一章节的教学目标，见表2。通过导入（B）引入课堂目标（O），开展后续教学活动，帮助学生建立更有逻辑的课程知识体系，避免出现知识点一盘散沙的问题。
表 2 机械设计课程对专业毕业要求的支撑关系
3.前测（Pre-assessment）
前测检验学生对先导基础知识掌握程度，着力加强课程内外关联性，引导学生建立问题空间及知识相互关联性。例如，高性能齿轮设计分析与制造涉及动力学、疲劳设计、切削工艺、塑性成型与热处理、噪声、寿命、润滑理论、接触分析、材料、宏观几何设计、微观修形设计、传动误差等多课程交叉知识，需要体现多学科交叉的系统性和综合性、实践性和创新性。
因此，前测环节课程组先要考察学生对先导课程相关知识点的掌握情况，其次考察学生对本堂课知识准备情况，让教学目的更加聚焦、明确。课程组基于自主研制的在线试题库及组卷系统[14]，采用雨课堂发布选择题快速测试，评价学生前期基础及预习掌握情况。
4.参与式学习（Participatory Learning）
本环节基于重庆大学可重构研讨教室，通过对分课堂，重点关注学生参与、互动和反馈，包括四个环节：
精讲留白：教师根据学习前测情况，对课堂教学课件调整，酌情加强学生预习效果不佳和理解相对困难的知识点。通过前沿案例为驱动，重点讲授课堂内容知识框架、知识点前后关系。
学生独学：学生不讨论、不交流，根据课堂上给的教学课件，学习具体知识点内容，并总结归纳学习过程中存在的问题。
小组讨论：3~5人一组讨论解决个人学习中存在的问题。结合导入的前沿工程案例，活学活用该堂课所讲零件强度理论，由教师给定参数，分组开展关键零件设计、校核。
答疑点评：教师解答学生讨论环节中出现问题较为集中的地方，根据不同组设计校核结果，进行本环节内容小结。
5.后测（Post-assessment）
此环节重点关注学生本堂课知识掌握情况，分为课堂后测和课后阶段后测。课堂后测仍旧使用在线试题库及组卷系统，设置5个选择题和5个填空题，通过雨课堂实施，根据测试结果找出课堂学习存在的问题；课后阶段后测设置作业与自学考核、文献报告与综述考核、项目设计、专题大作业，基于OBE理念，考察课程目标达成情况。
6.总结（Summary）
总结分为课堂总结和课后总结。课堂总结为结合后测结果，教师系统总结本次教学内容知识架构和体系。课后总结为每章结束后，学生绘制零件设计思维导图，教师根据调查问卷+课后测试结果+作业批改+项目设计等完成情况，基于OBE教育理念，对BOPPPS各环节反馈、完善，形成教学设计闭环。
04
BOPPPS混合式教学设计案例
1.设计案例
基于雨课堂，结合学堂在线课程资源、在线试题库及组卷系统，综合分析“机械设计”课程特点，完成基于BOPPPS 模型的机械设计课程混合教学设计，表3、图2具体呈现了我们以第4章“齿轮传动强度计算”为例所进行的教学设计实践过程。
表 3 齿轮强度计算教学设计
2.OBE导向动态评价考核
为形成面向教学过程、OBE导向的综合考核方法，采用多层次综合评价，课程考核除期末考试成绩外（权重60%），BOPPPS模型在课后阶段后侧环节（P）设置作业与自学考核、文献报告与综述考核、项目设计、专题作业，权重40%。其中，作业与自学考核考察课程目标1（分值权重8%）、课程目标2（分值权重4%）；文献报告与综述考核考察课程目标1（分值权重4%）、课程目标3（分值权重4%）；项目设计考察课程目标1（分值权重8%）、课程目标4（分值权重4%）；专题作业考察课程目标4（分值权重8%）。基于OBE理念设计的平时考核评价细则见表4。
表 4 机械设计课程平时考核评价细则表
参考文献
[1]国家制造强国建设战略咨询委员会. 中国制造2025蓝皮书(2018)[M].北京:电子工业出版社，2018.
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[4]陆国栋，李拓宇. 新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究，2017(3):20-26.
[5]李拓宇，李飞，陆国栋. 面向“中国制造2025”的工程科技人才培养质量提升路径探析[J]. 高等工程教育研究，2015(6):17-23.
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[7]闻邦椿. 产品设计方法学——兼论产品的顶层设计与系统化设计[M].北京:机械工业出版社，2012:52-64.
[8]李良军，金鑫，朱正伟，等. 融合创新范式下“中国制造2025”人才模型和课程规划[J].高等工程教育研究，2018(4):18-24.
[9]李良军，金鑫，周佳. 分布式制造领域人才培养体系的构建[J].高等工程教育研究，2017(5):72-79.
[10]张男星，张炼，王新凤，等. 理解OBE:起源、核心与实践边界[J].高等工程教育研究，2020(3):109-115.
[11]董桂伟，赵国群，管延锦. 基于雨课堂和BOPPPS模型的有效教学模式探索[J].高等工程教育研究，2020(5):176-182.
[12]赵红，彭周华，朱景伟，等. 基于BOPPPS模型的混合式教学研究与实践[J]．航海教育研究，2022(2):41-45．
[13]孙传猛，杜红棉，李晓，等. 融合OBE与PAD理念的智能控制课程教学模式研究[J].高等工程教育研究，2022(1):157-162.
[14]李良军，金鑫，陈永洪. 机械设计在线试题库及组卷系统[M].北京:高等教育出版社，2021.
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