[摘  要]基于新工科對工程能力的要求，針對專業課教學過程中存在的問題，結合知識分類理論，構建了面向工程能力培養的遞進式模塊化教學模式。該教學策略整合了傳統教學、問題式教學（PBL）、案例式教學（CBL）以及項目式教學（PJBL），并在教學評價體系中融合了過程性評價和形成性評價。以給排水科學與工程的專業課“建筑給水排水工程”為例，探討了模塊化教學模式的具體實施，為新工科教育提供了創新路徑和實踐指導。

[關鍵詞]新工科教育  工程能力  模塊化教學  過程性評價  形成性評價

基金項目：陜西省研究生教育綜合改革研究與實踐重點項目（YJSZG2023071）；西安理工大學教育教學改革研究項目“省屬高校青年研究生導師‘思政育人’勝任力現狀與提升路徑研究”；教育部產學合作協同育人項目（231000340150027）。


引  言

隨著科技的革命性創新和全球化發展，社會對工程人才所要具備的能力有了更高的要求。“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”為新工科建設正式拉開序幕，也為我們明確了大學生工程能力的培養方向。在新工科背景下，大學生工程能力的培養不僅關注傳統的工程技術和知識，更要強調跨學科整合、創新思維和工程實踐的相關技能。因此，工程能力的內涵不僅包括工程的辨識、常規工程、技術性復雜工程問題等技術性要求，還包括非技術性要求如工程表達、團隊合作、人文社科素養、工程倫理和社會責任感等。

工科專業課作為銜接基礎理論學習與專業領域實踐的橋梁，是鍛造大學生工程能力與專業素養的重要環節。在修完公共基礎課和專業基礎課之后，大學生通過專業課學習深入特定專業領域，這一過程不僅促進了他們對專業知識的理解和應用，還有效鍛煉了其應對復雜工程環境解決工程問題的能力。這些專業課的設置為提高大學生的專業素質、塑造復合型工程人才發揮了重要作用。

新工科背景下專業課教學培養工程能力面臨的問題和挑戰

在新工科背景下，工程能力內涵的擴展對專業課教學提出了新的要求。然而，審視當前的專業課教學實踐，不難發現其面臨一系列的問題與挑戰。

1.教學目標

當前，工科專業課的教學目標常常局限于本專業的理論知識及其應用，這種偏向性的聚焦與工程能力所需的多元化和綜合性內涵存在矛盾。專業課不僅可以傳授學生具體的專業知識和技能，也可以作為培養工程能力的有效媒介，在特定專業領域內提供切實的工程場景。通過這些具體的工程情境，學生能夠在實際操作中激發創新思維、強化應用理論知識、促進團隊協作。這種針對性和場景化的學習讓學生的工程能力更加緊貼實際需求，并能在未來工作中有效地展現。

2.學時受限

隨著專業技術的飛速發展，專業知識、理論及行業標準和規范均處于不斷演進和更新之中。然而，在新工科教育體系的框架下，一個顯著的現象是專業課教學時長普遍壓縮，這一現實情況與迅速擴展的專業知識和技術革新構成了凸顯矛盾。為應對這一挑戰，專業課教師不僅需要持續更新教學內容確保課程內容的時效性與前沿性，還應注重培養學生的自主學習能力。這不僅是應對學時壓縮的有效方式，更有助于幫助學生適應未來技術的快速迭代與行業的持續變革。

3.教學模式

在大學專業課教學中，統一的教學模式與工程能力的多維度內涵之間同樣存在著顯著矛盾。工程能力的構成涵蓋了從基礎到高級的不同層次，如從常規工程問題的辨識和解決，再提升到復雜工程難題的解決，每一個層次都對學生專業知識的應用提出了差異化的要求。同時，工程能力的全面性還要求學生具備其他技術性能力，如團隊協作、工程倫理思維、工程表達能力等，這些多維度的要求進一步增加了教學模式適應性的挑戰難度。為了促進學生在工程能力上的全面發展與均衡提升，專業課教師應摒棄傳統的一刀切教學模式，轉而采取更為靈活、多元且定制化的教學策略，以適應工程能力培養的復雜性與多樣性要求。

4.教學評價

專業課教學評價通常采用單一化的模式，這與教學目標設定的局限性和教學模式的固化緊密相關，它們共同構成了制約工程能力全面培養的瓶頸。具體而言，教學評價往往過度聚焦于對學生技術性知識掌握程度的量化評估，卻相對忽視了對工程能力在非技術性方面的考查。為了更好地滿足工程能力多維度的培養需求，教學評價需要與更廣泛的教學目標和多樣化的教學模式相匹配，更全面、動態地衡量和促進學生工程能力的多維度發展。

聚焦工程能力培養的教學模式

1.專業課教學目標

在新工科背景下，專業課教學目標的制定應充分體現工程能力的多維內涵。專業課不僅是專業知識傳授的基石，更是連接理論與實踐、技術素養與綜合素養的橋梁。鑒于此，我們提出了“倒T型”教學目標設計框架，以促進學生工程能力的均衡發展。該框架中，縱軸代表教學目標的深度，從工程問題的初步辨識，到常規問題解決方案的提出，直至能夠應對復雜多變的工程挑戰；橫軸象征教學目標的廣度，不僅聚焦技術性技能的培養，還廣泛涵蓋非技術性能力，如工程表達能力、社會約束意識、工程倫理觀念、人文素養等。綜合二者，旨在實現學生技術性和非技術性能力的均衡發展，使其能夠滿足新工科時代行業對復合型人才的需求。值得注意的是，任何單一專業課程的設置雖難以獨立承擔起全面塑造學生工程能力的重任，但各專業課程教學目標的制定與實施，必須緊密圍繞并服務于各自院校及專業的培養方案，通過合理布局與選擇性側重進行協同育人，共同促進學生工程能力的全面發展。

以西安理工大學給排水科學與工程的專業課程“建筑給水排水工程”為例。基于專業的培養方案，該課程需要強支撐畢業要求1-4“能夠將相關專業知識和數學模型方法用于給排水科學與工程專業領域復雜工程問題解決方案的比較與綜合”，中等支撐畢業要求2-3“能認識到解決給排水科學與工程專業領域復雜工程問題存在多種可選擇的方案，并能通過廣泛查閱各種相關文獻資料尋求可替代的解決方案”和畢業要求6-1“熟悉給排水科學與工程專業相關的技術規范、標準體系、知識產權、產業政策和法律法規，理解不同社會文化對工程活動的影響”。因此，“建筑給水排水工程”課程的教學目標不僅要強化學生解決復雜工程問題的能力，還應兼顧人文社會科學素養的培育，力求培養出既具備深厚專業功底又能在多元文化環境中有效溝通、合規操作的給排水專業人才。

2.教學知識點梳理

隨著各領域技術的迅猛發展，日新月異的專業知識與專業課學時資源的有限性之間的矛盾日益凸顯。專業課教師必須認識到，在有限的課堂時間內全面覆蓋所有專業知識的不現實性，以及學生職業生涯中持續學習的重要性。因此，教師在教學設計之初，對教學內容與知識點的梳理與分類顯得尤為關鍵。基于Anderson和Krathwohl的經典理論框架，我們可將知識劃分為四個維度：事實性知識，即具體、明確的事實與信息；概念性知識，涵蓋對事物、事件或抽象概念間復雜關系的深入理解；程序性知識，涉及執行特定任務、過程、策略與方法所需的知識；元認知知識，強調對學習策略、認知技能及其有效運用的自我理解與調控。上述不同類型的知識對工程能力的各個層次提供了不同的支持。在強化工程能力培養的過程中，可以根據不同階段的需求，側重于不同類型的知識學習。此外，在教學內容整合過程中，教師應緊跟學科前沿，適時融入最新的理論成果、技術革新、工藝改進及設備應用，確保教學內容的時效性與實用性。為進一步促進學生的自主學習與多元化學習需求，構建專業課知識圖譜并配套數字化教學資源庫成為必要之舉。該資源庫可涵蓋多媒體課件、在線課程、虛擬仿真實驗、典型案例集、項目案例庫以及習題庫等，這些資源不僅可為學生提供靈活多樣的學習路徑，還為豐富教學手段提供了基礎。

3.模塊化教學

為滿足工程能力培養的多層次和多維度需求，本研究在詳細梳理知識點的基礎上，對專業課教學內容進行模塊化劃分。隨后，在各教學模塊中創新性地融入了“遞進式”教學模式（如圖1所示），以期實現知識傳授與工程能力培養的深度融合。具體而言，此教學模式分為以下幾個遞進層次：導學模塊，以傳統式教學作為基石，側重于高效傳授該專業課的基礎理論框架與元認知技能；問題式教學（PBL）模塊，將關鍵概念與實際問題相關聯，鼓勵學生將理論知識應用于實際工程問題；案例式教學（CBL）模塊，以實際工程案例為載體，引導學生應用專業基本理論知識和程序性知識解決常規和復雜實際工程問題；項目式教學（PJBL）模塊，通過獨立實踐項目的設計和實施，使學生在解決實際工程問題的過程中綜合發展多維度工程能力。通過上述“遞進式”的教學模式，逐步深化學生的參與度，豐富其學習體驗，并依據不同的教學目標精準施策，幫助學生在快速變化的工程領域中更好地適應和成長。在推行“遞進式”模塊化教學時，需緊密結合專業課程的具體教學目標及本專業畢業要求的支撐體系，科學合理地劃分教學內容模塊，精心調配各類教學策略的應用比例，以確保教學模式的有效性與針對性。

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以“建筑給水排水工程”為例，課程初期聚焦于導學模塊。該模塊采用傳統課堂教學的方式，旨在幫助學生搭建起對該課程全面而系統的理論認知框架，同時促進學生對該領域元認知技能的掌握與提升。具體而言，導學模塊通過詳細闡述建筑給水排水工程的基本概論，系統地勾勒出該專業課程的核心結構與知識脈絡，全面覆蓋建筑給水系統、消防系統、排水系統、熱水系統以及小區給水排水系統等核心知識領域，為學生后續學習打下堅實的理論基礎。在元認知技能的培養上，引導學生深入理解課程內容的重點與難點，并針對性地提供高效學習策略；推薦最新的標準、規范、設計手冊及專業網站，教會學生如何有效獲取、篩選及利用本專業領域的最新信息與動態，為其后續深入學習及實踐應用奠定基礎。

PBL模塊涉及的教學內容包括“建筑給水排水工程”中建筑給水系統及其計算，該模塊是基于BOPPPs模式進行教學設計的。在正式授課前，安排學生自學指定內容，以事實性知識為主，如建筑給水系統的基本分類、組成。導入環節以典型案例（如迪拜哈利法塔給水系統）為橋梁，激發學生興趣并自然過渡到課程主題，為后續學習奠定情境基礎。隨后，向學生明確教學目標和重點、難點，并進行課前測試掌握學生對事實性知識的儲備情況。在課堂實施過程中，采用參與式學習策略并以問題式教學為主，針對關鍵的概念性知識，如給水設計秒流量、給水系統水壓等，提出問題、引導學生討論與探索，深化其理解與認識。對于程序性知識，如給水管網的水力計算則結合傳統授課方式，確保學生能夠系統掌握計算原理與方法。通過本模塊的學習，加深學生對概念性知識的理解和應用，促進元認知技能的發展。

CBL教學模塊依然秉承BOPPPs教學模式，以“建筑給水排水工程”為例，主要包含建筑消防系統和排水系統的內容。相較于先前論述的PBL教學模塊，CBL模塊具有以下特點：（1）課前學習要求和隨堂前測內容不僅涵蓋了事實性知識，還增加了對概念性知識的要求；（2）教師基于隨堂前測反饋，精準識別學生尚未牢固掌握的重點概念性知識，進而實施針對性的講授，確保教學資源的有效配置；（3）采用案例式教學作為參與式學習的核心策略，教師精選實際工程案例，如典型建筑消火栓給水系統的水力計算等，鼓勵學生以小組為單位，深入剖析討論案例中的關鍵問題；（4）在教師引導下，學生獨立完成工程案例的設計計算；（5）教師結合學生討論情況與提交的成果，系統總結案例分析中存在的問題，通過深度剖析與綜合講解，將本模塊的知識點以立體、全面的方式呈現給學生。CBL教學模塊進一步強化了學生的學習參與度，通過典型工程案例的分析，鼓勵學生帶著疑問和思考開展對程序性知識的學習。同時，該模塊引導學生查閱相關技術規范和標準，以解決實際工程問題，這一過程不僅提升了學生的工程實踐能力，還促進了元認知知識在建筑給排水領域內的應用。

PJBL模塊為模塊化教學的最后一部分，在該模塊中課程主要涉及的內容包括建筑熱水系統和小區給水排水系統。首先，教師明確教學目標和自學內容，涵蓋事實性、概念性和程序性知識。然后，通過隨堂前測掌握學生的預備知識水平，并在隨后的課程中重點闡述熱水系統講解其基本原理、常見問題，為后續項目式學習奠定基礎。在此基礎上，教師布置項目任務，如“典型建筑的熱水系統設計”，鼓勵學生以團隊協作的形式進行項目設計。為確保教學質量與學習效果，在項目式學習的過程中應參照專業實際工程設計流程，設置三個階段匯報——設計方案評審會、設計階段例會、圖紙會審會。以某建筑熱水系統設計為例，在設計方案評審會上，要求學生對集中熱水供應系統的供水方案進行比選，計算確定系統所需耗熱量、熱水量和熱媒耗量，并合理選擇水加熱設備和貯熱設備；設計階段例會則聚焦熱水和回水管道布置、水力計算結果的匯報，教師針對設計難點如回水管網水力計算等進行針對性指導；在圖紙會審會上，學生需詳細闡述熱水系統附件與設備的配置、計算依據及選擇理由，整理完整的工程材料清單并進行項目總結匯報。通過一系列分階段的項目實踐與教學反饋，PJBL模塊不僅鼓勵學生的自主學習，還提升了他們解決復雜工程問題的能力，促進了專業知識的內化與工程能力的提升。

在進行模塊化教學時，可采取以下輔助手段保證教學效果：（1）構建專業課的知識圖譜，整合數字教學資源，為學生提供直觀的學習路徑，提升自主學習效果；（2）結合大數據和人工智能技術，動態監控并分析學生對知識點的掌握情況，基于分析結果調整教學策略；（3）強化學生的學習參與度，避免只有部分學生參與課堂討論和項目匯報，具體措施包括分組時盡量使每個組的能力均衡，制定角色輪換機制，依托智慧化教學平臺和在線協作辦公工具鼓勵同輩評價，確保全員參與討論與匯報活動；（4）實施畢業生助教機制，教師可邀請正在進行建筑給排水畢業設計的高年級學生參與助教，特別是在PJBL教學模塊中對各小組進行點對點指導和討論，有效彌補師資數量不足的短板；（5）優化教學評價策略，具體詳見下節論述。

4.面向學生工程能力的教學評價

教學評價是提高教學質量和學生學習效果的關鍵因素，其策略的設計和實施需緊密圍繞具體課程的教學目標和教學模式。針對前述模塊化教學，本研究提出在傳統結課考試評價的基礎上融合“過程性評價”與“形成性評價”機制，實現對學生學習活動的動態及全方位評估，進而促進學生工程能力多維度均衡發展。過程性評價側重學習過程中的持續觀察和評估，聚焦學習動機的激發、學習態度的培養和元認知知識的應用。具體評價策略包括隨堂前測、課堂表現（如討論發言情況、項目匯報情況等）、課后作業及課程總結等。鑒于過程性評價工作量較大，本研究提倡以學生自評與同輩互評為主，輔以智能教學平臺評價，既確保了評價的時效性與客觀性，又促進了學生的自主學習與自我反思。形成性評價聚焦課程教學目標的達成，旨在量化學生學習現狀與預期課程教學目標之間的差距。以教師評價為主導，輔以學生自評，通過課堂后測、問卷調查、階段測試和學生總結等多元化手段收集數據。教師依據評價結果及時調整教學策略，形成教學效果監測與持續改進的閉環機制。

以“建筑給水排水工程”為例的教學評價實踐如表1所示。針對不同教學模塊，本研究設計了差異化評價策略。導學模塊沿襲傳統教學模式，通過課堂表現和隨堂測試檢驗學生的知識吸收情況，以調查問卷和總結自評查看學生對專業課元認知知識的掌握。對于PBL模塊和CBL模塊，通過隨堂前測了解學生的自學成效。采用同輩互評的方式評價學生的課堂表現，以此激勵學生積極參與到課堂學習當中。通過隨堂后測和課后作業進一步強化學生對教學內容的掌握。此外，還可以通過階段測試來掌握每個教學模塊完成后學生課程目標的達成情況。在PJBL模塊中，過程性評價以同輩互評和學生自評為主，主要針對課堂表現，包括工程項目的問題討論和匯報情況。而形成性評價則側重于教師評價，通過階段測試與學生總結的有機結合，全面評價學生的學習成效。通過實施上述多元化的評價策略，有效提高了學生的學習參與度，加強了教師與學生之間的互動溝通，提升了學生的學習體驗。這些評價策略還為教師在教學過程中持續改進方式提供了有力的支持和依據。

表1  基于模塊化教學的“建筑給水排水工程”課程教學評價策略

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結  語

本研究基于新工科教育理念，以給排水科學與工程專業的“建筑給水排水工程”為例，深入探討了工科專業課的教學目標制定、教學內容梳理、模塊化教學方法及其評價策略，旨在多維度、全面培養工科學生的工程能力。通過模塊化教學的設計和實施，本研究成功融合了傳統教學、問題式教學、案例式教學和項目式教學等多種教學方法，形成“遞進式”教學模式。在教學評價方面，引入過程性評價和形成性評價，提升了學生的教學活動參與度，為教學活動的持續改進提供了科學依據，確保了學生能力培養與教學目標的一致性。本研究的教學實踐表明，綜合運用多元化教學策略和評價體系能有效提升學生綜合應用課程專業知識的能力，激發學生對本專業工程實踐的深厚興趣，并實質性地增強其解決復雜工程問題的能力。此外，通過該教學模式的優化，能夠使學生更好地適應工程領域的需求，為學生的職業生涯和終身學習打下堅實基礎。

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（邱曉鵬、張耀中、李家科、王東琦：西安理工大學水利水電學院）

責任編輯：張言