基于OBE教育理念的材料成型及控制工程專業虛擬仿真實踐教學改革研究

向東 李珍 王平 楊眉 呂東莉

【摘要】虛擬仿真實踐教學是培養材料成型及控制工程專業本科生實踐創新能力的重要環節，也是改革傳統教學方法的重要引領手段之一。西南石油大學材料成型及控制工程專業以培養油氣裝備制造為特色的創新型應用人才為目標，針對實踐教學現狀，引入OBE教育理念，通過創新教學模式、優化教學目標設計、調整教學產出和構建教學反饋機制，提升了學生的虛擬仿真技能和實踐創新能力。

【關鍵詞】OBE材料成型及控制工程虛擬仿真實踐教學

【基金項目】西南石油大學材料科學與工程學院“一流本科專業建設”項目資助（2019CLY-JG-013）。

【中圖分類號】G642????? 【文獻標識碼】A???? 【文章編號】2095-3089（2021）11-0113-03

成果導向教育（OBE）是基于學習產出的教育模式，以教育結果為導向，由美國首先提出來，在美國、英國、加拿大等國家成為了教育改革的主流理念，也是目前代表教育改革的主導方向[1-2]。OBE強調人人都能成功、個性化評定、精熟教學內容、績效責任和能力本位，要求學校和教師先明確學習成果，讓學生通過個性化學習過程完成自我實現的目標，再借助成果反饋來優化現有的課程設計與教學過程[3-5]。材料成型及控制工程是我國國民經濟和制造業發展的核心專業，在我國較多工科院校均有開設，實踐創新能力是學生專業能力的重要體現，而虛擬仿真實踐教學又是培養本專業學生實踐創新能力的重要環節[6-8]。本文主要對材料成型及控制工程專業虛擬仿真實踐教學的現狀進行了分析，展示了西南石油大學基于OBE教育理念在本專業虛擬仿真實踐教學改革中的實施案例，同時為其他理工科專業的實踐教學改革提供借鑒。

一、虛擬仿真實踐教學現狀分析

通過市場調研發現，近年來企業急需材料成型虛擬仿真技術人才，虛擬仿真已成為工業制造領域的重要技術手段。國外對材料成型虛擬仿真技術的研究和應用較早，國內起步相對較晚，但是由于該技術對于本專業領域具有重要的引領作用，因此目前國內較多的普通高校和職業技術院校也廣泛開設了一些虛擬仿真實驗項目，建立了虛擬仿真實驗平臺。其中，清華大學、華南理工大學、中南大學、北京科技大學、鄭州大學等先后建設了材料類國家級虛擬仿真實驗教學中心;江蘇科技大學、河南科技大學建設了材料類省級虛擬仿真實驗教學中心[9]。

可以預見的是，材料成型虛擬仿真實踐教學將成為今后國內外本專業教育界對傳統教學模式進行改革、提升人才培養質量的重要方向，也是開展先進教育理念深入實施的重要手段之一，因此備受世界各國教育界的關注。雖然國內的虛擬仿真教學方法應用較國外略晚，但發展非常迅速，目前單從技術掌握程度來說，國內與國外已無明顯差別，而在普及應用上，顯然與國外還有較大差距[10]。近年來，國內在材料成型虛擬仿真實踐教學方面已進行了諸多探索，并且在虛擬仿真教學資源和平臺建設方面也取得了一些成果。

但是，現階段在材料成型及控制工程專業虛擬仿真實踐教學中，還面臨一些重要問題亟待突破[1]：（1）實踐教學理念與社會實際需求脫節，教學內容主要局限于理論知識的驗證，與生產實際相差較遠，難以實現對學生實踐創新能力的培養，無法滿足社會對創新型應用人才的迫切需求;（2）實踐教學體系培養模式單一，未從學生個性化發展方面考慮，實踐教學體系在因材施教方面明顯不足;（3）實踐教學缺乏互動性，很少通過實際工程案例啟發學生的創造性思維，使學生缺乏觸類旁通和舉一反三的能力，甚至導致學生失去對虛擬仿真技術學習和實踐的熱情;（4）考核手段單一，許多高校僅將實驗報告作為評判學生虛擬仿真實踐環節完成情況的唯一評判標準，很難對學生是否達到預期能力目標進行合理評價。

二、基于OBE教育理念的虛擬仿真實踐教學改革

1.改革思路

將OBE教育理念與材料成型及控制工程專業虛擬仿真實踐教學有機結合，在以下幾個方面形成改革思路[11]：（1）轉變實踐教學模式。在OBE教育理念下，實踐教學不僅要滿足專業要求，還要受到業界專家、用人單位、畢業學生等的評價。其次，在OBE教育理念下，實踐教學不僅要考慮學生畢業時要達成的能力目標，還要以此為依據進行反向構建實踐教學內容和設計教學方法。（2）轉變教學目標設計要求。在傳統教育理念中，教學目標是讓學生掌握本專業的實驗知識及技能，未能與實際需求緊密結合。但在 OBE教育理念下，實踐教學目標的設計不僅要滿足社會發展對學科的要求，還要考慮到用人單位真正的需求，以及如何在實踐教學中讓學生獲得個人長遠發展的知識、素質和技能等。（3）轉變實踐教學產出模式。傳統的實踐教學體系產出的是滿足專業課程體系的畢業生。在 OBE教育理念下，核心在于實踐教學要為所有學生取得發展提供幫助，給每位學生提供充足的學習資源和因材施教的學習機會。（4）構建實踐教學反饋機制。傳統的實踐教學模式是一個開環機制，學生通過教學環節后能否達成培養目標以及能否滿足社會需求難以把握。OBE教育理念下的實踐教學最重要的一環就是反饋環節，只有對學生的知識、技能、品質、能力進行量化，才能真正獲得成果產出的實際效果，從而持續改進培養目標和實踐教學方法。

2.實施案例

西南石油大學材料成型及控制工程專業一直重視學生的實踐能力培養，結合學校優勢和特色，基于OBE教育理念建立了“大型沖壓件成形過程虛擬仿真實驗”省級虛擬仿真實驗項目。近年來，依托本實驗項目有效提升了學生的虛擬仿真技能和實踐創新能力，并在以下幾個方面進行了深入的教學改革探索：（1）在創新實踐教學模式方面，提出VES（Virtual training+Expert demon stra

tion+Self?practice）即“虛擬學習+專家示范+自主實踐”的教學模式，學生借助虛擬網絡平臺開展前期模具拆裝、塑性工藝及模具知識學習;教師根據實驗任務分析該零件成形特點、成形虛擬仿真的基本方法，在虛擬實驗平臺上集中向學生示范整個模擬過程的實驗步驟，引導學生利用虛擬仿真實驗平臺自主完成整個實踐操作，結合理論知識分析工藝參數變化對金屬塑性流動過程、應力應變場變化的影響規律;學生在自主探索過程發現問題即時求助，及時解決問題，實現“以虛補實”的新型實踐教學模式。仿真實驗可使學生通過校園網在宿舍、圖書館或者其他地方自行登錄進行開放學習，學生以小組的方式，協同操作，共同完成最終的零件加工任務。（2）在優化實踐教學目標設計方面，圍繞企業實際工程應用需求提出項目目標任務，通過本項目進一步加深學生對塑性加工工藝及模具內容的理解與認識，將抽象的概念和理論直觀化、形象化，建立學生全面分析問題的意識，達到培養學生知其然也知其所以然的目的。（3）在調整實踐教學產出方面，充分調研企業和學生實際需求，將“教、學、做”融為一體，培養學生利用現代計算機工具對零件成形過程進行綜合分析的能力，提高對油氣設備零部件成形設計、模擬、優化的能力，全面提升學生的創新思維意識與工程實踐能力。（4）在構建實踐教學反饋機制方面，學生除了通過小組討論、個人匯報、實驗報告等方式完成實驗考核，還通過覆蓋全過程的線上、線下調查問卷等方式掌握學生實際學習情況，并與企業緊密對接定期對實踐教學目標進行修訂。

3.實施效果

本專業基于“大型沖壓件成形過程虛擬仿真實驗”省級虛擬仿真實驗項目，學生從中鞏固了理論知識，加強了對理論知識的消化和理解，并且相關其他理論課程考試通過率也有一定增加。調查問卷結果表明，38%的學生認為通過虛擬仿真項目學習到很多的課堂之外知識以及沖壓成形過程中的一些注意事項，59%的學生認為很大程度上提升了主觀能動性和自主學習的興趣，只有3%的學生認為提升效果還不夠明顯，沒有學生認為這樣的教學模式是無效的。除此之外，由于學生對于虛擬仿真技術的興趣得到大幅提升，因此積極主動參加本專業與虛擬仿真有關學科競賽的學生增加了56%，學生的創新意識和實踐創新能力得到進一步提升。當學生具備相關專業理論知識和虛擬仿真技能后，學生還踴躍參與學院教師的科研項目，其中15%的學生與教師一起申報專利，32%的學生與教師合作發表學術論文，使得學生得到極大的鍛煉，為畢業后進入企業工作或者進一步深造打下了堅實基礎。

三、存在的問題與建議

目前本專業虛擬仿真實踐教學中，還存在的問題主要是受到材料成型虛擬仿真軟件資源的限制，教師及學生可利用的軟件資源還略顯不足，難以對各個專業方向開展類似的基于OBE理念的虛擬仿真教學改革。同時，還需進一步提升教師和學生的積極性，對開設本專業虛擬仿真實踐教學項目給予一定的政策、資金和技術支持，鼓勵教師參與學校甚至更高層次的教改立項。

在將來的虛擬仿真實踐教學中，主要有以下幾點建議：（1）教育主管部門應加大投入力度，搭建更加完善的虛擬仿真教學軟硬件設備和平臺，包括建立貼近工程實際的數字化學習條件和現代化虛擬仿真教學環境;（2）各高校應重視對虛擬仿真教學資源的全面應用，加強校企聯合研發，同時制定相應的激勵機制，鼓勵教師參與平臺建設和使用;（3）教師務必努力適應新的教學模式，不斷提升自身專業素質，加強虛擬仿真實踐教學改革，深入嘗試將OBE理念全方位地融入虛擬仿真實踐教學各個環節中;（4）學生應更加自覺制定學習目標和規劃，積極主動利用虛擬仿真教學軟硬件平臺，提升自身創新意識與實踐創新能力。

四、結語

OBE教育理念在材料成型及控制工程專業虛擬仿真實踐教學中極大提高了教學效果，有效培養了學生的虛擬仿真技能和實踐創新能力，能夠更好地適應社會和用人單位對本專業創新型應用人才的實際需求。通過創新教學模式、優化教學目標設計、調整教學產出和構建教學反饋機制，讓學生不再是傳統教育模式下的普通本科畢業生，而是一個基于成果產出、富于創新思維的成功學習者。

參考文獻：

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作者簡介：

向東（1987年12月-），男，四川渠縣人，西南石油大學副教授，博士，研究方向：材料加工。