基于OBE理念的機械制圖課程教學方式研究

董妍 張磊 趙恩蘭

摘? 要 分析傳統教學方式存在的問題，以OBE理念引導教學方式創新，通過開放3D打印室、附加模型二維碼、融合慕課資源、引入VR技術等方式提升學生空間想象力，激發學生的創新意識以及學習的主動性，并依據成果評價反饋，持續改進教學方式。

關鍵詞 OBE理念;機械類專業;機械制圖;3D打印實驗室;虛擬現實技術;慕課

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）06-0090-03

0 引言

OBE（Outcome-Based Education，成果導向教育）理念始于美國和澳大利亞的基礎教育改革。該理念在1981年由Spady率先提出，目前被認為是追求卓越教育的正確方向，并已形成比較完整的理論體系[1]。我國于2016年6月成為《華盛頓協議》的正式成員，該協議的大多數成員國以成果導向作為認證標準，以學生表現作為評價教學成果的主要依據。在OBE教學模式中，學生處于主導與中心地位，OBE理念更多強調的是學生學到了什么，而不是怎樣學習以及什么時間學習，滿足學生多元化的學習需求并打破傳統教育在時間上剛性的限制，根據學生學習能力的差異性進行個性化評定，并根據成果反饋持續改進原有的課程教學。用OBE理念引導課程改革，對促進教學具有重要的現實意義。

1 傳統教學方式的不足

機械制圖作為應用型本科院校機械類專業的專業核心課程，主要通過課堂教學以及實踐環節，講授制圖基礎知識、畫法幾何、零件圖以及裝配圖等內容，要求學生具備一定的空間想象、空間分析、空間構思的能力，具有較強的理論性和實用性。通過分析歷年學生課堂表現及試卷，可發現傳統教學主要存在以下幾點不足。

多媒體灌輸式教學，教師占主導，學生主動少? 傳統的教學方式以多媒體講授形式為主，輔以板書、動畫展示。對于理論性較強的章節，學生課堂上難免會感到枯燥乏味，不僅影響學習的積極性，而且會失去思考探索的主動性，最終影響整體的教學效果。

教學模型有限，不能滿足課堂需求? 機械制圖課程在大一學年開設，對于新生而言，無專業基礎和空間想象力薄弱這兩個因素成為他們學習制圖最大的阻力。雖然教學模型在一定程度上能幫助學生理解結構特征，但在組合體章節的學習中，并不是每個組合體例題都有相應的模型來輔助教學，而對于較復雜的零件圖以及裝配圖，更是缺少相應模型供學生觀摩及拆裝，僅使用動畫展示的方式并不能有效地培養學生的動手實踐及空間構思能力。空間想象能力薄弱的學生在學習組合體章節后，由于不能構思出空間結構特征，看不懂組合體三視圖，會嚴重影響后續學習的積極性。

教學內容繁多，課程學時少? 機械制圖知識點較多且關聯性強，但目前機械制圖課程總學時少，課堂教學進度安排緊湊，學生難以完全掌握整堂課知識點。另外，實踐學時有限，學生難以熟練掌握制圖技能。

2 以成果為導向的教學方式

OBE理念在很多方面吸納了布魯姆的掌握學習理論的特征：彈性的時間框架去實現教學目標;使用不同的資源去創設豐富的教育環境;使用形成性教學評價來反饋學習產出以改善教與學[2]。任課教師以明確學生學習后所達到的最大能力為前提，分析上述傳統教學方式存在的問題，對教學方式進行創新改革，主要通過3D打印技術、中國大學MOOC平臺、虛擬現實技術等，使課堂教學向課外延伸，充分調動學生學習的主動性，培養學生將理論轉變為應用的能力。此外，根據學情的差異性，制定階段性測試，利用評價反饋持續改進教學方法。

開放3D打印實驗室? 3D打印技術屬于快速成型技術之一，不需模具和夾具，僅以數字模型文件為基礎，利用塑料等可黏合材料，即可逐層疊加構造模型。由于其工藝的特殊性，可加工外形和內部結構復雜程度較高的模型。對于機械類專業的學生而言，將3D打印技術融入教學過程可激發學生主動學習和自主創新的積極性，進而增強教學效果[3]。3D打印技術為學生提供了自主學習建模的平臺，空間想象力豐富且學習主動性較強的學生可以在課余時間自學建模軟件，從簡單模型入手，將二維平面圖轉換成三維立體圖。教師可以在此基礎上將班級分成若干學習小組，以基本掌握建模軟件的學生為組長，通過打印立體模型將二維視圖具體化，引導組內學生在實際參與過程中進一步熟悉掌握先前所學理論知識，提升實際理解的能力。學生在逐步了解3D打印技術后，會促進機械制圖課程的學習，激發學習興趣以及主動性。3D打印技術使學生將理論與實踐高度結合，真正意義上培養了學生實際應用的能力。此外，學生3D打印的模型可以豐富任課教師課堂上的輔助教學資源，并可用于促進空間想象力相對薄弱的學生逐步提升空間構思能力，有利于組合體章節的學習。

附加立體模型二維碼? 為了便于學生課下完成習題，在布置相關作業時針對部分難度較大、結構較復雜的習題，可以建立三維模型及動畫，或將作圖步驟詳細分解并生成二維碼，學生解題困難時可向任課教師要二維碼尋求幫助，通過掃描相應題目中的二維碼，獲取立體模型、提示等。通過面向學生調研，可知此方法比較受學生歡迎，將手機轉變成學習的工具，并具有一定的引導性和便利性。特別是空間想象、空間構思能力較差的學生，在解題過程中可通過對照三視圖及立體模型，更好地理解三視圖和與之相應的投影關系，逐步建立起良好的空間想象能力，非常適用于前期基本體、組合體的學習。但此方法要求學生具有較強的自制力，不可直接使用二維碼提示而缺少獨立思考，否則會影響學生主動探索求知的積極性，因此需要教師做好監督管理工作。

融合中國大學MOOC平臺精品資源? 慕課是大規模開放的在線課程，是“互聯網+教育”的產物。慕課的優勢是根據課程內容的特點進行模塊化處理，將每一個知識模塊進行劃分，最終形成短視頻的形式。慕課能高效精準地幫助學生解決在某一知識點上學習的困難，學生可依據自身情況進行選擇性學習，學習側重點清晰。機械制圖課程課堂時間有限，知識點安排緊湊，課堂上理解能力薄弱的學生很難完全跟上教學的節奏。因此，筆者為學生推薦北京理工大學國家精品課程“機械制圖及數字化表達”以及天津大學國家精品課程“工程圖學”，這兩門慕課能夠幫助這部分學生及時解決問題，他們可以反復觀看知識點相應視頻，并做針對性的課后練習以便熟練掌握知識點。慕課的應用完全遵從了OBE教學理念，在彈性時間內利用豐富的資源來完成教學目標，同時解決了傳統課程學時有限的問題。

引入虛擬現實技術? 虛擬現實（VR）技術是目前熱門的交互技術，基于計算機圖形學來構建虛擬的空間場景，用戶可以第一視角置身其中，通過將多個傳感器實時監測數據反饋到虛擬場景中，完成與虛擬場景的自然交互，使用戶具有真實環境的體驗感[4]。虛擬現實技術的基本特征為沉浸性、交互性以及想象性，此特性使虛擬現實技術非常適合與機械制圖教學相融合，學生可以佩戴特殊的頭盔及傳感設備，置身于虛擬環境中進行實時交互，實現無限制觀察三維空間的物體，并通過旋轉、放大等功能獲取較全面詳盡的認知。

機械制圖課程的VR技術應用主要包括兩方面。

1）虛擬零件模型，主要適用于零件圖章節。由于大一學生無專業背景，接觸機械零件的機會極少，在學習零件圖章節時未免會覺得課堂枯燥且零件圖難以讀懂，而通過虛擬現實技術，學生可清晰觀看各個零件的三維立體結構。在表達零件的內部結構時，通常采用剖視圖的表達方法。以內形復雜的箱體類零件為例，空間想象力較差的學生難以理解零件哪些部分被剖切，剖切后哪些外輪廓線不需要畫出，剖視圖中哪些部分要畫剖面線。此時可利用虛擬現實技術對零件進行剖切，學生可對剖切后的零件進行操作，實現分合展示，清晰了解零件剖切后的內部結構。

2）虛擬拆裝，適用于裝配圖章節的學習。利用虛擬現實技術可將機器中各零件進行拆卸、組裝，幫助學生理解機器的工作原理、裝配體的結構特征以及各零件間的裝配關系，使學生讀懂相應裝配圖。以柱塞泵為例，部分學生無法理解柱塞泵工作時吸油、排油的過程，對于兩個單向閥的工作原理理解不透徹。通過虛擬現實技術，學生可模擬柱塞泵工作過程，仔細觀察單向閥的結構特征、閥體的內部結構等。虛擬現實技術的應用能很好地解決目前教學過程中缺少零件模型及機器供學生觀摩、拆裝的問題，從而有效提升學生的空間分析、空間想象能力，進而激發學生的科技創新能力。

設計個性化階段性測試? OBE教育理念中十分重要的一個環節是評估成果產出。專業教育成果評價方法主要有四種：課程成果分析法、評分表分析法、問卷調查法、檔案袋評價法等[5]。筆者在課程教學中主要采用課程成果分析法和問卷調查法，結合學生學情的差異性，設計多檔個性化階段性測試，通過統計測試成績，了解學生的知識點掌握情況以及相應能力水平;通過對比學生多次成績，了解學生的能力提升情況。此外，對學生發放調查問卷，調查內容涵蓋學生相關能力達成度的自我評定以及對于課程教學方式的意見和建議，請學生如實填寫。最終將測試成績反饋和問卷反饋綜合起來，反映學生能力達成的真實情況;依據評價反饋結果，對課程后續教學方式的一些細節進行微調，以保證學生最終能力的達成。在課程結束后，基于學生的期末課程考核成績，計算各指標點達成度和課程達成度，總結反思教與學的兩個過程，獲取形成性評價，進而不斷改善教學方式的細節，使之具有較強的有效性和普適性。

3 結語

用OBE理念引導機械制圖課程改革，改善傳統教學方式，突出教師在教學中的主導性，將學生置于教學活動的中心地位，通過引入熱門的3D打印技術、虛擬現實技術以及豐富的教學資源，為學生創設多元化的教學環境。改革實踐表明，此教學方式解決了傳統機械制圖課程教學內容繁多而課時有限的矛盾，有效提升了學生學習的積極性，促進了學生相關能力的達成。

參考文獻

[1]李志義，朱泓，劉志軍，等.用成果導向教育理念引導高等工程教育教學改革[J].高等工程教育研究，2014（2）：29-34，70.

[2]顧佩華，胡文龍，林鵬，等.基于“學習產出”（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.

[3]高成德，馮佩，帥詞俊，等.3D打印技術在機械制圖課程中的教學改革探索[J].科技資訊，2020（17）：22-23.

[4]牛亞峰，吳聞宇，周蕾，等.融合虛擬現實技術的交互式電子技術手冊在機械制圖教學中的展望[J].機械設計，2018（S2）：51-53.

[5]王玉.專業教育的成果評價及持續改進研究[D].遼寧：大連理工大學，2017.

作者：董妍，徐州工程學院，助理實驗師，研究方向為磁性形狀記憶合金;張磊，徐州工程學院，副教授，研究方向為工業工程質量控制;趙恩蘭，徐州工程學院，實驗師，研究方向為激光加工（221000）。