基于OBE理念的虛實結合實訓教學體系實踐

趙 巍, 劉夢瑩, 劉學斌, 韓 柳

(天津職業技術師范大學 機械工程學院, 天津 300222)

1 OBE教育理念概述

OBE(outcome-based education)教育理念最早出現于20世紀90年代初期的美國和澳大利亞,是以結果為導向的教育[1],根據不同的學生素質、不同的學習環境、不同的學習目標提出特定的人才培養方案,方案包括課程體系和評價體系,是一種基于培養目標導向的反向設計[2]。在一個OBE體系中,所有這些都圍繞明確的學習結果來組織,這樣的體系是真正以全部學生為中心,確保學生在離開教育系統時擁有成功所需要的知識、能力和素質[3]。一個學校產出人才的多少決定了一個學校的教學質量和整體水平,而教學質量的高低需要一整套的教育評價體系進行測量,以OBE教育理念為教學課程建設的主線,貫穿于學生培養的全在校學習生命周期中,應能培養出一大批具有工程實踐能力的高素質復合型人才。

2 虛實實訓平臺開發背景

虛擬現實技術(virtual reality,VR)是一種以計算機硬件技術為載體、軟件技術為手段,通過視、聽、觸覺等作用于用戶,用來創建和體驗虛擬世界的技術[4]。在國外,VR技術已日趨成熟,美國的SensableTech公司的PHAN-TOM系統,實現了通過虛擬軟件平臺進行人機交互操作。我國在虛擬現實技術方面也日漸重視,但主要的開發應用單位仍停留在社會企業,高校教學中應用甚少。

隨著信息化的加快,實驗任務式教學被逐漸重視,并應用于科研和實訓中[5]。但是在實驗室建設中還有很多問題亟待解決,比如:實訓設備成本高、實訓設備少、教學效果差；學生實訓環境與企業的實際工作環境存在較大偏差、實訓用設備不能夠隨著企業的發展快速更新。另外,理論課程和實踐環節結合度不高,機械、控制、計算機等各門課程的集成度不高也是目前訓練環節、第二課堂創新創業環節存在的主要問題[6]。

為解決上述問題,基于OBE教學理念,開發了虛實結合的實訓平臺。為解決實訓中存在的一系列問題提出可行的解決辦法。

3 基于OBE的虛實平臺整體構架

OBE教學模式強調基于目標導向的反向設計課程體系,構建一個教育體系的閉環[7]。傳統的教學平臺體系如圖1所示。傳統的理論知識不考慮學生能力的培養,教學流程由理論課學習、實訓課學習、學生學習成果和期末考核組成,是一個開環的模式[8]。這樣的教學模式使教學偏重于以教師為中心,課堂更重視教師所教內容和學生所學內容,是為了期末考核和學習成果的授課形式,學生學習的積極性不高,學習過于被動,使得學習效果不好。

圖1 傳統的教學平臺體系

OBE教學理念的核心內容是建立以學生為中心、目標導向、持續改進的教學體系,在課堂中學生轉換為教學的主體,由被動的學習過程轉變為主動的探究提高自身能力的過程,在完成各項任務中能力得到了鍛煉和提升,教師根據學生的學習反映情況,對課程體系進行持續的改進。本文根據實訓平臺的特點和OBE教學理念的指導,建立了如圖2所示的教學平臺系統3P(presage, process and product)模型。

圖2 基于OBE理念的教學平臺體系

該教學平臺以企業調研的先進設備和生產線等PLC編程實訓內容為教學目標,在該目標的基礎上參考國外3P模型對課程體系的建設,開發實訓模型和實訓課程,同時采用了形成性檢測和成效檢驗方法對學生的學習成果進行考核,并將考核結果與最初制定的教學目標進行對比,完善教學目標[9]。該教學平臺的教學體系更注重學生畢業時得到了哪些能力,而不是是否通過了考試。

4 Irai軟件為核心的平臺教學系統構成

Irai軟件是一款虛實結合的運動仿真軟件,可使工業裝備和自動化系統的設計者能夠在逼真并且交互式的三維虛擬環境下測試產品,并實時監控、模擬設備的行為[10]。通過連接三維仿真模型與外部的控制器,如PLC或嵌入式虛擬控制器,Irai能夠在完全虛擬的環境下再現設備或機器在真實世界中的工作情況[11]。

具體使用流程如圖3所示,將Solid works等三維建模軟件所建立的三維模型導入Irai軟件,編寫PLC程序[12]。將定義的物理運動與PLC控制器中的各個接口相連接,通過A8軟件，PLC與VU Pro軟件建立一個通信工程,將寄存器地址賦予相應的動作即可完成通信,進行仿真實驗。

圖3 Irai軟件使用流程圖

5 實訓平臺教學資源開發

5.1 教學目標及教學案例

目前,我國正在實行的工程能力認證計劃,旨在培養學生的學習能力、研究能力、實踐能力、綜合能力等。本文的實訓教學目標圍繞這幾方面能力進行設定,將這些能力進行分解和細化,細分成各個小目標,融入到實訓任務中。設定并細化目標結構如圖4所示。

根據上述目標結構,采用任務式教學方法,將通過企業調研開發的一批實訓項目進行分類,如圖5所示,按照由易到難的原則,將實訓任務分配到學生學習的各個階段中去(見表1),使項目貫穿于整個學生學習的全生命周期中,學生各項能力得到提高。

圖4 目標結構細化示意圖

圖5 結構分類示意圖

表1 各年級任務分配表

表1(續)

整個實訓過程貫穿于學生4年的學習課程中,引導學生從認識簡單的機械零部件和電器元件開始,逐漸可以操作基本的機床和生產線,使學生對所學專業產生興趣。

針對學生所學專業課程的進行,在二年級開設制圖課后,將各個模型進行繪制,培養學生機械識圖和制圖的能力,并且通過裝配體組裝訓練,使學生樹立系統的概念,了解任何一個零部件在整個系統中都有適當的位置,并能夠進行相應的運動學仿真。配合三年級學生開設的PLC程序控制基礎課程,實訓內容擴充到了PLC的程序編寫實訓項目,通過對理論課PLC編程內容的學習,學生通過實訓將自己編寫的程序與平臺提供的模型相連接,驗證程序的正確性,編程和探究能力得到提高。四年級是對之前學習的一個總結和升華,不僅使學生將自己的3D模型與控制程序連接起來實行仿真,還引導和鼓勵學生通過企業實習和企業調查,對企業真實生產線模型進行改進和創新,培養學生的創新能力和終身學習能力。

整個實訓平臺融入了OBE理念中第一課堂、第二課堂和第三課堂的內容,學生實現了自主探究式學習,能力得到了提高。

5.2 教學評價系統

由于實訓平臺中的實訓任務貫穿于學生四年的學習過程中,所以選擇形成性過程評價模式,結合學生在每個階段、每個任務中的各方面學習情況,并結合最后設計任務的完成,對學生進行評價。對每個學生建立學習檔案(見表2),并設計評價體系對學生每個階段所達到的能力與課程目標進行對比,得出學生最終成績。

表2 學生檔案體系

考核和評價要注意方式方法,注重對每個項目做出評價,最后形成整體評價,將評價結果與既定目標作對比,得到最終結果。應按時對畢業生進行回訪,檢驗畢業生獲得的能力在工作中是否發揮,是否有能力的遺漏,將鑒定結果進行分析,與教學目標進行對比,根據反饋來的學生情況對教學目標進行修改和完善。

6 結語

針對基于OBE理念的虛實結合實訓平臺開發進行了探討,開發了一整套實訓任務方案,提出了課程目標,并對實訓任務按照難易程度進行了分類,將實訓課程貫穿于學生在校學習的整個學習周期中,提出了基于OBE理念的學生能力的培養,根據課程內容和任務要求提出了評價方案,最后通過學生畢業后的就業質量對先前修訂的課程目標進行修改和完善,形成了一個教學系統的閉環,在學生能力培養方面提供一種新思路。

References)

[1] 周春月,劉穎,姚東偉,等.OBE理念下的本科生畢業實習創新[J].實驗技術與管理, 2016,33(10):19-22.

[2] 程超,劉詩瓊,劉紅崎,等.基于OBE理念修訂人才培養方案[J].中國地質教育,2016,41(1):41-44.

[3] 楊振.高校建筑類專業虛擬現實實驗室的建設與應用探析[J].實踐與探索，2017,7(1):49-52.

[4] Richter D. Infusing an interdisciplinary automation experience in engineering technology education[C]//Proceedings of the 2013 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition.Honolulu,2013.

[5] 關秋燕.OBE教育理念的課程教學模式改革[J].岳陽職業技術學院學報,2016,31(6):84-87.

[6] 韓同樣,劉志明,胡燕士,等.開放式工程訓練與OBE教學模式探索[J].實驗技術與管理. 2016,33(5):174-177.

[7] 顧佩華.基于“學習產出”(OBE)的工程教育模式[J].高等工程教育研究,2014,11(1):27-37.

[8] 鳳權.OBE教育模式下應用型人才培養的研究[J].安徽工程大學學報,2016,31(3):81-95.

[9] 劉彬.OBE視角下的PLC縱向課程群建設[J].實驗技術與管理,2016,33(3):5-11.

[10] Virtual Universe Pro V2用戶手冊[Z].北京:2013.

[11] Zhao W.Research on Virtual Simulation Training Course Construction Based on Irai Platform[C]//International Conference on Education Technology.2017:267-272.

[12] Liu M Y.Design and Realization of Simulation System Combined with Virtual Reality of Tool Controller Mechanism for Machining Center Based on Irai software[C]//3rd Annual International Conference on Mechanics and Mechanical Engineering.2016:199-203.