基于OBE工程教育理念的機械原理課程設計改革

曾達幸　李飛　侯雨雷　宜亞麗　鄭立娟　張芳芳

摘要：針對當前《機械原理》課程設計的教學現(xiàn)狀，分析其不足，并基于OBE工程教育理念，對《機械原理》課程設計的教學模式改革進行了探討并付諸實踐。《機械原理》課程設計是機械類各專業(yè)學生在學習《機械原理》課程后進行的一個重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，其模式的改革為適應新形勢下對機械類學生機構(gòu)選型、機械系統(tǒng)運動方案設計和創(chuàng)新設計能力的培養(yǎng)提供了良好的平臺和借鑒，具有重要意義。

關鍵詞：OBE；工程教育；《機械原理》課程設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）21-0057-02

為了推進工程教育改革，促進中國工程教育的國際互認，培養(yǎng)與國際接軌的中國工程師，由專門的職業(yè)或行業(yè)協(xié)會（聯(lián)合會）、專業(yè)學會針對高等教育機構(gòu)開設了工程類專業(yè)實施專門性認證，工程教育認證強調(diào)工科專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量達到行業(yè)提出的基本質(zhì)量標準要求，是一種合格性評價[1，2]。工程教育專業(yè)認證強調(diào)的三個核心理念：產(chǎn)出導向（Outcome based education，簡稱OBE）、學生為中心、持續(xù)改進，這些理念代表了工程教育改革的方向，是一種先進的教育理念[3]。我國若要成為《華盛頓協(xié)議》正式簽約組織，就必須基于OBE理念，深化我國的工程教育改革和工程教育認證體制。

《機械原理》是機械類專業(yè)必修的一門重要的技術(shù)基礎課，它是研究機械的工作原理、構(gòu)成原理、設計原理與方法的一門學科，而《機械原理》課程設計是緊隨《機械原理》課程之后的實踐性教學環(huán)節(jié)，是《機械原理》課程的延伸[4]。基于OBE工程教育認證的12條畢業(yè)能力要求及課程規(guī)劃，《機械原理》課程設計需培養(yǎng)的主要能力包括：1）掌握工程基礎理論知識并能將其應用于工程問題（畢業(yè)要求1）；2）具有分析和解釋數(shù)據(jù)，得到合理、有效結(jié)論的能力（畢業(yè)要求2）；3）具有綜合運用機械設計理論和技術(shù)手段設計復雜機械系統(tǒng)、部件和過程的能力（畢業(yè)要求3）。

本文基于OBE工程教育理念對《機械原理》課程設計課程能力的上述四條要求，結(jié)合近年實踐經(jīng)驗，闡述我校《機械原理》課程設計改革模式，并為其《機械原理》課程設計改革提供參考。

一、機械傳動系統(tǒng)設計能力

《機械原理》內(nèi)容包括兩部分，其一是對現(xiàn)有機構(gòu)的學習，包括構(gòu)型分析、運動學和動力學的學習；其二是針對具體任務，利用所學機構(gòu)學知識，設計傳動方案。前者稱為分析，后者稱為型綜合，《機械原理》學習的最終目的，就是要達到型綜合的高度，《機械原理》課程設計正是鍛煉綜合能力的實踐教學。

遺憾的是，傳統(tǒng)的《機械原理》課程設計，體現(xiàn)不出OBE所要求的設計系統(tǒng)的能力，復雜機械系統(tǒng)更無從談起，因此，改革勢在必行。

基于OBE教學理念的課程設計改革使設計題目多樣化，調(diào)動學生設計的積極性而不限制其思維，并且課程設計只提出最終要求而不限制方法，為了讓學生在規(guī)定的時間內(nèi)獨立完成設計任務，題目不宜太深太復雜，其原則為：題目具有綜合性，以運動方案設計為主；題目要覆蓋《機械原理》課程的主要內(nèi)容；題目應結(jié)合生產(chǎn)實際，是學生在日常生活、生產(chǎn)實踐中所熟悉的；題目的設計結(jié)果應包括兩到三種基本機構(gòu)，也允許選用其他常用機構(gòu)或組合機構(gòu)；題目要有一定的靈活性和創(chuàng)新性，有利于發(fā)揮學生的創(chuàng)造力。

在設計題目確定后，需對已選題目提出三種運動方案，并經(jīng)反復論證，確定一種最佳運動方案進行設計和分析。這種自由選題的模式可大大提高同學的興趣。設計方案由學生獨立提出，經(jīng)獨立地分析、比較后確定最佳方案，以發(fā)揮其主觀性、創(chuàng)造力，使學生受到一次真實的設計訓練，進而提升其機械傳動系統(tǒng)設計能力。

此外，改革后的課程設計，學生們可以自由組合，每個小組自由選擇設計題目，小組成員分工協(xié)作，共同完成設計任務。從選題、論證、設計到最后提交設計成果，共同討論、研究，各自發(fā)揮自己的長處，不僅培養(yǎng)了創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，也使他們體會到團隊合作的作用。這也符合OBE培養(yǎng)大綱中工程畢業(yè)生個人能力和人際團隊能力培養(yǎng)的要求。

二、工程基礎理論知識應用能力

傳統(tǒng)的《機械原理》課程設計中，方案確定之后，其相關運動參數(shù)也隨之給定，每個學生需要做的就是繪制機構(gòu)運動簡圖，利用圖解法和解析法對所選機構(gòu)的位移、速度、加速度及力進行分析，并繪制機構(gòu)運動線圖和作誤差分析，最后編寫課程設計說明書。從本質(zhì)上來說，這樣的設計僅能算一次作業(yè)，效果并不理想。盡管學生都能按部就班地完成設計任務，但卻調(diào)動不了學生的設計興趣，對工程基礎理論知識的應用缺乏深刻理解，談不上對學生的畢業(yè)能力的培養(yǎng)。

基于OBE教學理念的課程設計改革使設計題目多樣化，只提出最終要求而不限制方法，學生可以充分地利用所學的理論知識去解決實際的問題。考慮到《機械原理》課程設計時間較短，教師在《機械原理》課程教學中，需提前做出安排，如現(xiàn)代工具的使用、軟件的學習、各種方法的比較、綜合性作業(yè)安排等。

任務的不確定性導致解決方法的多樣性。學生需要根據(jù)所選擇任務，基于所學的機構(gòu)學知識，甚至查閱相關文獻去設計解決方案，當多個設計方案確定后，需要比較各方案的優(yōu)缺點，必然會深入了解每個所設計的傳動方案，最終方案確定后，需對其進行結(jié)構(gòu)、運動學和動力學分析，因有了方案設計的深刻理解，設計的目的已非常清楚，在相應分析時，對方法的選擇和掌握自然水到渠成，加深了對所學理論知識的認識，明確了理論知識的實際應用，從而不至感覺學無所用。

三、分析和解釋數(shù)據(jù)能力

在我國的工程教育認證中，第二條畢業(yè)要求學生能夠應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結(jié)論[5]。傳統(tǒng)課程設計整個傳動方案為教師所指定，分析方法固定，無需學生深入了解，只需按部就班完成畫圖和分析即可，可見，傳統(tǒng)課程設計在第二條畢業(yè)能力要求上基本沒起到培養(yǎng)作用。

改革后的課程設計，從設計任務到設計方案的確定，均需要學生根據(jù)具體情況進行分析，然后根據(jù)所學知識，自己設計傳動方案，并需要通過多方案的比較而得出可行方案。在方案確定后，詳細設計傳動系統(tǒng)時，需要根據(jù)實際任務確定各參數(shù)，最后對機構(gòu)進行分析，并對數(shù)據(jù)進行誤差分析。為了更真實地讓學生理解數(shù)據(jù)的意義和正確性，要求學生對所設計的傳動方案進行全部或者部分的搭接實驗，通過搭接實物并測量參數(shù)，再與理論分析數(shù)據(jù)進行對比，找出誤差存在原因，從而得出相應結(jié)論。

四、考核方式的改進

評估學習產(chǎn)出是OBE教育模式中十分重要的環(huán)節(jié)，如何合理地對各項能力進行客觀評價，對課程的改革及持續(xù)改進有非常重要的作用，與課程設計所培養(yǎng)能力相對應，《機械原理》課程設計成績分為四部分：選題成績、平時成績、設計成績及答辯成績。各部分成績分值及考核依據(jù)如下。

選題成績占總成績的30%。主要考查設計機械傳動系統(tǒng)方案能力。每個團隊均需通過PPT形式，結(jié)合參考文獻查閱或調(diào)研情況，對自己團隊的設計任務進行說明，根據(jù)所定任務設計兩到三種機械傳動方案，每個方案中必須包含兩至三種典型傳動機構(gòu)，并且必須包含四桿以上連桿機構(gòu)。根據(jù)傳動方案是否合理、考慮是否周全、有無創(chuàng)新點、是否實用進行綜合考核。

平時成績占總成績的10%，主要依據(jù)設計階段的出勤情況和態(tài)度評定，這是設計正常進行的基本保證，也是初步對畢業(yè)要求9中個人與團隊能力的培養(yǎng)。

設計成績占總成績的40%，主要評估工程基礎理論知識應用能力與分析和解釋數(shù)據(jù)能力，根據(jù)所選擇分析方法、數(shù)據(jù)分析的正確性、模型建立、運動仿真、簡圖繪制等進行評價。

答辯成績占總成績的20%，各組將集中設計階段的工作及成果以PPT形式作匯報，主要介紹組員分工及完成情況，組員自評分，搭接視頻等，并回答提問，據(jù)此評判答辯成績。

通過此類考核方式，對畢業(yè)生的能力9（個人與團隊）和10（溝通，包括撰寫報告和陳述發(fā)言、清晰表達或回應指令）也起到初步培養(yǎng)的效果。

此外，上述基于OBE工程教育理念的考核方式對教師的教學投入提出很高要求。例如：教師需要投入較多的精力和心血研究繁瑣的教學目標分解和教學方法選擇，要求其自身具有扎實的專業(yè)理論知識、較廣博的基礎知識面、較強的動手能力及計算機應用能力。對設計中可能出現(xiàn)的各種方案及其特點要有充分認識，能夠正確引導學生，使他們經(jīng)過認真思考和分析比較后，可以選擇一個適當?shù)姆桨浮＿@樣才能適應當前實踐教學改革和發(fā)展的需要，從而有效引導學生積極思考，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。

五、結(jié)束語

經(jīng)過近兩年的實踐，發(fā)現(xiàn)根據(jù)OBE教學理念改革后的《機械原理》課程設計，為學生機械傳動系統(tǒng)設計能力、工程基礎理論知識應用能力、分析問題和解決問題的能力以及團隊合作和工程實踐能力的鍛煉和提高提供了很好的平臺，并確實取得了較好的效果。然而，OBE工程教學模式是一個系統(tǒng)的工程，無論是在設計內(nèi)容，還是在設計方法和評估方式上，還有很多需要完善之處，需要進一步的改革和探索，持續(xù)改進，以更好地培養(yǎng)學生相應的畢業(yè)能力，實現(xiàn)培養(yǎng)與國際接軌的中國工程師的目標。

參考文獻：

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[3]顧佩華，胡文龍，林鵬，等.基于“學習產(chǎn)出”（OBE）的工程教育模式——汕頭大學的實踐與探索[J].高等工程教育研究，2014，（1）：27-37.

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