OBE理念下機械創新設計實踐課程教學研究與實踐

劉 峰, 石永軍

(中國石油大學(華東) 機電工程學院, 山東 青島 266580)

0 引 言

成果導向教育 (Outcome Based Education，OBE)是上世紀80年代由美國學者WilliamSpady率先提出，主要強調以下4個問題[1-2]：想讓學生取得什么樣的學習成果?希望學生取得這樣的學習成果的原因是什么?如何使得學生取得這些學習成果?如何衡量學生已經取得的學習成果?實踐中，OBE教學理念圍繞的基本原則[3]是：① 注重于有明顯意義的學習成果;② 為學生獲得學習成果提供支持;③ 為學生成功增加機會，對成功寄予較高的期待;④ 根據最終的學習成果對教學反向設計和開展教學活動。因此，OBE理念下的教學活動是圍繞學習成果來組織,并以學生為中心來展開的。

機械創新設計實踐課程是高等工科院校重要的綜合性實踐性課程。它由機械原理課程設計、機械設計課程設計、機械設計基礎課程設計和機械創新設計4部分組成[4-5]。該課程是繼工程圖學、機械原理、機械設計、機械制造工程基礎和機械創新設計課程學習之后進行的一門實踐性課程；是學生在大學學習生活中的一次綜合運用所學知識，對實際工程題目和創新題目全面的分析與設計，做到理論與實踐結合，對學生應用知識能力和創新能力培養具有重要意義。為此，國內一些高等院校相繼開展了機械創新設計實踐課程教學改革與研究，主要涉及教學內容的設計、考核方式的改革等。但在教學改革過程中也遇到一些問題，理論教學與實踐教學脫節，理論課程間銜接性差，不利于學生知識體系的形成；學生學習動力不足，學生不知所學知識的作用；學生科技創新活動熱情不高，積極性不足；學生的創新能力和創新精神缺乏；學生的實踐能力不足等[6]。針對上述問題，結合多年機械創新設計實踐課程教學經驗，通過對該課程的教學目的、內容和特點及OBE教學理念分析，發現該課程教學目標與OBE教學理念具有很高的契合度。為此，將OBE教學理念引入該課程教學活動中，在OBE理念的指導下，對機械創新設計實踐課程教學進行研究與實踐。通過教學活動的反向設計正向實施、教學內容的整合與提煉、傳統教學方式的轉變等，充分體現以學生為中心、以成果為導向的教學理念，旨在加強學生應用知識能力與創新能力的培養。

1 教學活動逆向設計正向實施

學習知識的目的在于應用和創造知識，而應用和創造知識所要的技能和創造力，歸根到底是能力。能力培養的主體是學生，而最能體現學生能力高低的標準是學習成果(Learning Outcome)。因此，本文依據OBE理念中的逆向設計正向實施原則，確定機械創新設計實踐課程教學活動的設計思路和實施步驟。

教學活動逆向設計的思路是：教學目標—學習要求—教學內容。首先，為了確保機械創新設計實踐課程教學活動設計的正確性，組織我院該課程的相關專家教授進行了討論、對本校2013～2015級122名車輛工程和機械制造及其自動化本科專業學生開展了課程教學目標的問卷調查和分組座談，參照教育部機械基礎課程教學指導委員會的教學目標，進一步明確機械創新設計實踐課程的教學目標是：使學生能夠熟練掌握機械設計、機械制造的相關基礎理論和方法，提高機械設計制造知識的應用能力，培養學生創新思維能力以及分析問題和解決問題的能力。根據上述教學目標確定具體的課程學習要求，并進一步整合和提煉課程教學內容。

教學活動正向實施的步驟為：講授教學內容—提出學習要求—培養相關能力—完成學習成果。首先，以產品為載體，在講解產品設計過程中對應用的各知識點提出具體的學習要求；然后，通過方案設計、分析計算、結構設計和加工制造等階段，進行實踐訓練，完成產品設計制造 (學習成果)，達到應用知識能力和創新能力培養的目標。

2 教學內容整合與提煉

機械創新設計實踐課程教學內容具有理論與實踐相結合、常規方法與新技術新方法相結合、靜態設計與動態研究相結合的特點[7]。該課程重點在于使學生掌握有關機械設計、制造的基本理論、基本方法和設計制造的能力，難點是該課程實踐性強、應用的知識點多，學生在有限的時間內難以全面完成。為此，將該課程教學聚焦于產品的設計與制造，體現教學活動的過程思維性，以便有步驟、有層次地推進教學，使學生獲得知識、獲得學習體驗并最終固化為能力[8]。從該課程所用知識的縱向和橫向聯系出發，按照產品設計制造的過程應用所學內容，并以產品為載體，實現理論和實踐的有機融合，從而構建起此課程完整的教學體系。

2.1 以產品為紐帶，將相關知識串聯起來

機械創新設計實踐課程應用知識點非常多，為使學生更加牢固地理解和掌握這些知識點，對本課程所用到的知識進行系統地梳理和歸納，按照知識點之間的縱向聯系，將相關知識點提煉為同一知識模塊，如表1所示。

表1 機械創新設計實踐知識模塊、內容及學習成果

由表1可見，將產品設計表達等相關知識點，構成工程圖學知識模塊；將方案設計、設計計算、結構設計等相關知識點，構成機械設計知識模塊；將加工工藝、零件制造、產品裝配等知識點，構成機械制造知識模塊；將結構表達創新、方案創新、結構創新和制造創新等知識點，構成機械創新知識模塊。這樣學生就可以按照產品設計制造這一主線，借助相關知識點之間的聯系，更加系統地學習各模塊的內容。同時，基于OBE的教學理念，在教學過程中，每一個知識模塊均提出具體的學習成果要求。

2.2 以產品設計制造過程為主線，將知識模塊整合為知識矩陣

通過上述各知識模塊的學習及模塊學習成果的完成，學生已經完成了機械創新設計實踐課程的基本教學任務。但是，學生對這些知識模塊之間的聯系以及各知識模塊對實現該課程教學目標的作用還是不夠清晰。為此，以產品設計制造過程為主線，將主要知識模塊整合為知識矩陣 (見圖 1)，一目了然地表明每一個知識模塊、課程教學目標與能力培養之間的關系，從而使學生明白“為什么學習該知識模塊”，明確各知識模塊對完成課程教學目標的作用。機械創新設計實踐課程的知識矩陣是該課程主要知識模塊內容的融合，充分體現了該課程的教學目標，其學習成果就是完成產品的設計制造。

圖1 知識矩陣與能力體現

2.3 以產品設計制造為橋梁，將教學內容在時空上延伸，實現理論與實踐的有機結合

結合我校機械創新設計實踐課程教學的實際情況，以成果為導向，積極開展以學生為中心的自主學習模式，充分利用學生的課余時間，實現教學內容在時間上的拓展；以產品設計制造為橋梁，引領學生走進圖書館查閱資料、走進實驗室驗證方案和制造產品，進行思維方法和實踐能力的訓練，將理論教學內容與實踐教學內容融為一體，實現教學內容在空間上的延伸。

將教學時空由課堂內的理論教學向實踐教學延伸,理論教學與實踐教學并重，如機械設計理論課程的學分與機械設計課程設計同等的學分；課堂內的實踐教學向校內學術活動與校外競賽活動等第二課堂擴展，如科技活動等的學分課沖抵機械創新設計實踐課程的學分；教學內容從教材內向教材外擴展，結合老師的科研課題，不斷提出新問題，引導學生參與問題的解決，如在課程設計內容中引入相關的智能機器人、智能汽車的設計。

2.4 以發展、聯系的觀點為導向，注重課程間滲透，實現應用知識能力和創新能力培養

以發展的觀點，闡述機械創新設計的歷史和發展，讓學生深刻地理解機械創新理論、技術的發展過程和規律、進而掌握機械創新的基本原理和技法、領會機械創新的思維方法，從而啟發學生創新的靈感，拓寬學生創新的思路[9]。如通過講解為了克服直齒圓柱齒輪傳動承載能力小、傳動不平穩的缺點發明了斜齒圓柱齒輪傳動；為了克服斜齒圓柱齒輪傳動存在軸向力的缺點發明了人字齒輪傳動等；來啟發學生不斷創新。以聯系的觀點，闡述機械創新設計實踐課程與先修課程的關系，注重課程之間的聯系，以拓展學生的知識面，培養學生的發散性思維能力，從而提高學生的創新能力。如將機械設計模塊中結構設計與機械制造模塊中的加工工藝相聯系，引導學生利用機械設計和機械制造課程的知識，設計出更合理的機器。

3 轉變傳統教學方式，促進學生自主學習

3.1 強化思維訓練，促使教學活動由“重做輕思”到“做思結合”的轉變

思考是創新的關鍵，只有善于思考，才可能有創新、有發展。思考從質疑開始，經過質疑后，才可達到深刻理解。以創新設計的題目為基礎，在教師的有效引導下，學生針對設計題目進行探究，更加有利于培養學生的創新能力[10]。因此，將機械創新設計實踐每個知識模塊的重點內容根據設計的階段整理成幾個主要問題，然后以問題為驅動，為學生提供自主學習的空間，誘導學生在設計的過程中主動思考；同時，老師指導設計時注重講思路、講方法，引導學生學會思考，從而培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力[11]。例如，機械設計模塊中的軸的結構設計知識點是該模塊的重點和難點，該內容實踐性強，涉及到的知識點多。結合該教學內容的特點，在教學中，預先設置問題 “如何校核軸的強度”，讓學生獨立思考；然后以此問題引出軸的強度校核計算需要軸上所有尺寸確定好后才能進行；最后，在給予學生啟迪和引導的基礎上，鼓勵學生自己利用力學的知識去分析計算。接下來，借助同學設計的軸不同，使學生產生疑惑、發現問題，利用上述已有知識去分析問題，并通過查閱相關的文獻資料盡可能地解決問題。

3.2 以學生為中心，實現設計活動從封閉性向開放性的轉變

傳統的機械設計創新實踐是圍繞著教師、教室、教材展開的。在這種情況下，學生獲取的知識局限于教師的講授，教師的講授局限于教室，講授的內容局限于課程設計指導書。在這樣過于單一和封閉的設計活動空間內，難以實現教學內容、教學過程和思維空間的全面開放，難以做到以學生為中心的開放式教學[12]。為此，需要切實轉變設計活動方式，以學生為中心，充分調動學生的主觀能動性，促使設計活動在時間上從課內向課外延伸，在空間上從設計室向圖書館、實驗室拓展，在設計題目上從老師指定題目向學生自擬題目擴充，使學生真正做到“樂做”“會做”，在“做”和“思”的基礎上實現創新。例如，機械設計模塊的課程設計是多年一貫制的減速器設計，學生根據指導書和往屆學生的資料，不用多加思考就可完成設計任務，學生的興趣不高。針對這種情況鼓勵學生自擬題目進行設計，若學生自擬不出題目則由老師根據科研課題提出子課題由學生做；若上述兩種題目都沒有，則學生做傳統減速器設計題目，但需要學生編制減速器裝配工藝和零件加工工藝，最后學生設計完成后通過3D打印做成實物，這樣就激發起學生對設計的興趣，從而達成本知識模塊的學習成果。

3.3 樹立“多重角色”教學觀，促進教學活動由灌輸到討論的轉變

在當今，大學教師應該扮演三重角色：① 應當成為學生所學知識“參照系”的提供者[13]。為此，需要自我不斷學習提高，了解學科前沿，適時融入最新科研成果，為學生提供一個有縱深感的知識“參照系”。② 應當成為學生獲取知識的“討論者”[14]。教師不能以知識的“占有者”自居，把教學活動作為向學生灌輸知識的渠道，而應以“討論者”的姿態，使教學活動成為學生有足夠自由思考和自由表達空間的知識和思維討論的過程。③ 應當成為學生探求專業知識的“同路人”。教師應當為積極的專業知識探索者和創造者[15]。基于上述觀點，在教學中引導學生把握課程的系統性，逐步理解和掌握課程的重點和難點，促使學生構建起自己的知識體系。在教學內容中吸納最新研究成果，如軸的強度計算不僅用傳統的彎扭組合校核計算，還引導學生用Ansys軟件進行分析，引起學生對知識的興趣；同時，在教學活動中，采用研究型教學方式實現知識討論和思維討論，通過對知識難點、熱點問題的探討，拓寬學生的視野，拓展學生的思維，在傳授知識的同時，著力培養探索精神和創新能力。

3.4 培養綜合應用知識學習觀，實現教學活動從知識型向能力型轉變

史秋衡等[16]指出大學生的學習觀主要有2種：“應用知識”學習觀和“記憶知識”學習觀。“應用知識”學習觀認為學習是應用知識、解決實際問題、提高自身能力和實現自我發展；“記憶知識”學習觀認為學習是記憶知識和信息。持不同學習觀會促使其采用不同的學習策略和學習方式。因此，大學生的學習觀會直接影響到學習方式，并通過學習方式間接影響學習成果。為此，結合在OBE理念下設計的機械創新設計實踐課程的 “能力型”教學目標，采用討論式、探究式、啟發式等教學方式，促使學生利用已有知識，積極主動思考，發現和提出問題，進而分析和解決問題，獨立完成所設計的題目。由此，幫助學生形成“應用知識”學習觀，并以產品設計作為能力培養的載體，使整個設計活動成為能力主宰下的知識學習的過程。

4 改革學習成果評價方式

結合OBE理念，在制定評價標準時，注重提高對學生學習的預期，制定具有一定挑戰性的可執行標準，以鼓勵學生深度學習。在評價過程中，適當分離基礎內容和創新性內容的考核，區分學生的個體差異，在時間和資源上保障每位學生都有達成學習成果的機會。最后，采用過程評價與結果評價相結合的方式，對學生達成的學習成果進行綜合評價。具體來講，學習成果的評價包括2個方面：① 知識模塊學習成果的評價。在教學過程中，根據每個學生各知識模塊的學習成果與理想成果的接近程度，評判學生該模塊的學習情況。如：機械設計模塊中的課程設計，學生對自己選定的題目進行設計，老師通過日常的指導、檢查和對話評判學生知識模塊學習收獲。② 知識矩陣學習成果的評價。教師通過學生上交設計的圖紙、設計說明書、在實驗室中打印成的3D模型或制作成的實物，教師給出學生學習成果評判。最后，教師對學生專業知識的掌握程度、應用知識分析和解決問題能力以及創新能力進行評判，根據學生學習成果達成度給出學生合理的成績。

5 結 語

OBE是一種系統的、具有創新力的現代教學理念，將其引入機械創新設計實踐課程教學中是一次積極的嘗試。通過教學活動的反向設計正向實施，最大限度地保證了教學目標與學習成果的達成度。在機械創新設計實踐課程教學活動中，以學習成果—產品設計制造為主線，實現了課程“知識模塊”和“知識矩陣”之間的無縫連接，較模塊化教學更能體現教學活動的過程性思維，較傳統教學更易實現理論與實踐的有機結合，從而為學生構建起了更加完善的課程知識體系。

以學生為中心，改革傳統的教學方式，實現教學活動由“重做輕思”到“做思結合”,由“封閉性”到“開放性”,由“灌輸式”到“討論式”,由“知識型”向“能力型”的轉變，激發學生求知欲、探索欲，開發學生的創新潛能，進一步提高學生應用知識能力、解決實際問題的能力以及創新能力。OBE理念下機械創新設計實踐課程教學實踐取得了明顯的效果，① 校內外專家對機械創新設計實踐課程改革給予高度評價，認為其在高校實踐教學中是一種創新，把機械類的知識融合在一起，對學生綜合運用知識能力和創新能力都有較大的促進作用，有利于學生的創新能力和實踐能力的提高;② 學生在課程之后總結體會中寫到:在機械創新設計實踐課程中既學會了如何應用所學知識解決問題的能力，又鍛煉了工程表達、設計和加工制造等多方面的能力。雖然辛苦，但是非常有意義，值得;③ 老師指導國家級大學生創新實踐項目58項，指導“大學生創新創業訓練計劃”創新訓練項目87項。通過老師指導或協助，在挑戰杯全國大學生課外學術科技作品競賽、大學生節能減排社會實踐與科技競賽、大學生三維數字創新設計大賽、中國大學生創意創業大賽、山東省機電產品創新設計大賽中獲得各類獎項156項，大學生申請專利158項，表現出逐年增加的趨勢。但是，在設計實踐中也發現部分學生的“學習目標”不夠明確，導致“學習成果”達不到預期，這有待于課程知識模塊學習成果的進一步細化以及教學方法和評價方式的進一步完善。