基于OBE的工程圖學(xué)混合式教學(xué)新體系

王 妍，杜秀華，楊 蕊，祝 娟，曹喜承

(東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

工程教育專業(yè)認(rèn)證著重成果導(dǎo)向(outcome based education，OBE)、以學(xué)生為中心和持續(xù)改進(jìn)3 個方面。其中，OBE 教育作為一種先進(jìn)的教育理念，已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流[1]。OBE 強調(diào)以學(xué)生取得的學(xué)習(xí)效果引導(dǎo)教學(xué)設(shè)計和教學(xué)方法，并對照畢業(yè)生核心能力和要求來評價專業(yè)教育[2]，即要求學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題的能力和素質(zhì)。這種理念對引導(dǎo)和促進(jìn)專業(yè)建設(shè)與教學(xué)改革、保障和提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要[3]。

工程圖學(xué)作為工程教育的先導(dǎo)課程，對學(xué)生工程能力培養(yǎng)具有重要的作用。東北石油大學(xué)制圖教研組以機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)的《現(xiàn)代工程圖學(xué)》課程為載體，以O(shè)BE 教育理念為導(dǎo)向，強化實踐教學(xué)、三維引導(dǎo)和過程考核，改革和創(chuàng)新工程教育人才培養(yǎng)模式，提升教師和學(xué)生在疫情期間遠(yuǎn)程教學(xué)中的技術(shù)性和創(chuàng)新性[4]，構(gòu)建了以課上教學(xué)為主線，課內(nèi)與課外相結(jié)合、線上和線下相結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合的制圖教學(xué)新體系(圖1)，適度解決了遠(yuǎn)程教學(xué)中課堂互動性差、實踐和測繪教學(xué)難以及上機實戰(zhàn)少等 問題。

圖1 制圖教學(xué)新體系 Fig.1 New system of cartography teaching

1 一體化制圖知識與三維軟件

1.1 成果導(dǎo)向整合教學(xué)內(nèi)容

空間想象和思維方式是圖學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)的核心。三維設(shè)計軟件能夠?qū)W(xué)生的圖學(xué)學(xué)習(xí)從三維空間帶入到制圖教學(xué)的“繪圖”和“讀圖”教學(xué)過程中，深入了解形體分析法和線面分析法[4]。

《現(xiàn)代工程圖學(xué)(上)》在“立體的截交、相貫、組合體畫圖和讀圖”等教學(xué)環(huán)節(jié)，穿插展示三維模型和其視圖表達(dá)，使學(xué)生更深刻地理解“形體分析法”的意義，建模的同時能夠?qū)Τ叽绲淖饔谩⒎诸愐约俺叽鐦?biāo)注的要求有所理解；講授中，以簡單形體為元素，通過布爾運算構(gòu)形，加強了組合體構(gòu)造的完整性和嚴(yán)密性，同時與計算機建模的方法一致；通過投影生成工程圖，可更好地體會機件“表達(dá)方法”的含義以及技術(shù)要求的作用，建立復(fù)雜立體的分析和表達(dá)思路。

《現(xiàn)代工程圖學(xué)(上)》共32 學(xué)時，為線下理論知識講解和線上MOOC 平臺測試相結(jié)合的方式。在完成“幾何作圖、組合體、機件的表達(dá)方法”等7次線上測試作業(yè)的基礎(chǔ)上，還完成3 次線下測試，每次約10 min，以考察學(xué)生的階段性掌握情況。期末總評成績?yōu)椋?5%線上測試+5%考勤+5%課堂表現(xiàn)+15%線下測試+60%期末考試。

《現(xiàn)代工程圖學(xué)(下)》以“實踐主導(dǎo)”的理念整合教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生完成涵蓋標(biāo)準(zhǔn)件、常用件、各類典型零件和裝配體的理論學(xué)習(xí)；分階段完成三維軟件Solidworks 的學(xué)習(xí)和練習(xí)、零件圖的繪制；測繪完成全套裝配體的建模、虛擬裝配、運動仿真以及生成工程圖(圖2)。

圖2 《現(xiàn)代工程圖學(xué)(下)》一體化教學(xué) Fig.2 Integrated Teaching of“Modern Engineering Graphics (II)”

(1) 充分利用Solidworks 軟件的資源庫，強化學(xué)生對國標(biāo)代號、規(guī)格尺寸、結(jié)構(gòu)、用途、裝配關(guān)系和投影的認(rèn)知[5]。

(2) 通過對各類零件三維建模及生成工程圖，使學(xué)生充分理解典型零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸標(biāo)注及視圖表達(dá)；通過零件圖的手繪，鞏固對典型零件表達(dá)方案及零件技術(shù)要求的理解。

(3) 通過對裝配體運動仿真及拆裝動畫，深入了解裝配體工作原理及裝配過程，提高工程認(rèn)知。

(4) 最后通過對裝配體及其各零件整體三維建模并手繪工程圖，全面提升學(xué)生工程實踐和設(shè)計能力。

《現(xiàn)代工程圖學(xué)(下)》共64 學(xué)時，包含上機和尺規(guī)實踐各16 學(xué)時。尺規(guī)繪圖完成4 張A3 典型零件圖；上機實踐包含8 次Solidworks 電子作業(yè)，限時提交。目的是希望學(xué)生能夠?qū)蓪W(xué)期的知識融合起來，在手繪和計算機操作上均有全面、快速和深入的提高。期末總評成績的構(gòu)成：5%線上測試+含5%考勤+5%課堂表現(xiàn)+15%作業(yè)(電子作業(yè)+尺規(guī)作業(yè))+20%尺規(guī)繪圖+50%期末考試。

1.2 強調(diào)OBE 教學(xué)理念

1.2.1 以學(xué)生為中心

以學(xué)生為中心是工程教育認(rèn)證強調(diào)的核心理念。

(1) 課上理論知識重點突出，節(jié)約出時間給學(xué)生充當(dāng)課堂上的主角；

(2) 教師通過提問、課堂測試、階段測試等互動了解學(xué)生在線聽課動態(tài)，檢測學(xué)生掌握情況；

(3) 教師提問時引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生理論聯(lián)系實際，與課程結(jié)合，多說多練；

(4) 積極地交流討論，鍛煉學(xué)生表達(dá)能力，提高其主動性、積極性。

在授課學(xué)時不變、多樣的教學(xué)手段、增大的作業(yè)量和教學(xué)難度情況下，以學(xué)生為中心考慮到學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)，在課前進(jìn)行有效引導(dǎo)，簡潔列出本堂課的重點難點，使學(xué)生課上能有的放矢；課上調(diào)增練習(xí)時間，選擇有代表性的典型習(xí)題，少講多練，結(jié)合線上測試解決重點疑難問題；課下的在線作業(yè)以圖形選擇題的方式取代大量手工繪圖的作業(yè)，減少學(xué)生作業(yè)負(fù)擔(dān)。此外，教研組還通過問卷調(diào)查、交流等方式與學(xué)生溝通，了解學(xué)生課業(yè)負(fù)擔(dān)、上課方式、作業(yè)形式等方面的意見，及時調(diào)整教學(xué)方案及手段。在教學(xué)改革的第一年，老師雖做好規(guī)劃，也較之前更加忙碌和緊張，但也收到了良好的學(xué)習(xí)效果。

1.2.2 團(tuán)隊協(xié)作學(xué)習(xí)模式

引入基于OBE 的“項目驅(qū)動”學(xué)習(xí)的教學(xué)理念[6-7]，特別是在《現(xiàn)代工程圖學(xué)(下)》中，學(xué)生可以依托三維軟件，以零件圖為載體設(shè)計表達(dá)方案。以項目小組形式，完成三維建模、方案分析、對比決策，確定最終方案，并尺規(guī)繪制出最終工程圖。在教學(xué)過程中，教師分段布置作業(yè)，各項目組長負(fù)責(zé)分解任務(wù)，組員分工合作，共享所有思路和意見，完成項目作業(yè)。在項目完成過程中，組員之間必須充分溝通，互相協(xié)作，從而培養(yǎng)團(tuán)隊精神和責(zé)任心。

疫情期間的教學(xué)和上述實踐均為在線完成，從結(jié)果看，線上教學(xué)增加了學(xué)生的自由發(fā)揮空間，私下單獨分組設(shè)計，老師定時檢查，有問題隨時線上溝通，真正做到從“單打獨斗”到“團(tuán)隊合作”的轉(zhuǎn)變。

1.3 MOOC 平臺保障配套

“學(xué)習(xí)通”上MOOC 平臺的建設(shè)成為《現(xiàn)代工程圖學(xué)》課程的有力保障，定位在幫助學(xué)生學(xué)會圖學(xué)思維方式，提供開放的自主學(xué)習(xí)的環(huán)境[8-9]。教師將相關(guān)資料提前上傳至平臺的“課程資料”，并在每周課前，發(fā)布本周教學(xué)重點和課程任務(wù)。學(xué)生可提前看教學(xué)視頻，做在線測試，課上再配合線上直播講解及互動，深入理解和掌握知識點，課下通過作業(yè)鞏固理解。

課程用到平臺的學(xué)習(xí)視頻、試題庫、課程資料、作業(yè)、考試、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。具體如下：

(1) 學(xué)習(xí)視頻的碎片化。按照知識點錄制MOOC 視頻，使學(xué)生能夠根據(jù)需要準(zhǔn)確定位視頻，可短時、高效地選擇觀看。

(2) 建設(shè)完善的試題庫。按照章節(jié)知識點構(gòu)成和試題題型，整合出完整課程試題庫，其是發(fā)布試卷和作業(yè)的基礎(chǔ)題庫。

(3) 完備的課程資料。線上教學(xué)沒有教材，教師需要將相關(guān)的教學(xué)課件、章節(jié)重點、習(xí)題集參考立體圖示和電子答案提前上傳至“課程資料”。

(4) 考試系統(tǒng)。建立試題庫，利用組卷功能，進(jìn)行各種形式的測試和考試，全面檢查和考核學(xué)生對知識的掌握情況，自動或手動按知識點和題庫選題組卷。組卷套數(shù)上限20 套，題目亂序和選項亂序保證“同題不同卷”，真實考察學(xué)生的知識掌握情況。重做次數(shù)上限最多100 遍，每遍隨機抽取不同套題，取最高成績。該出題方式利用了學(xué)生追求高分的心里，通過題海戰(zhàn)術(shù)，達(dá)到從量變到質(zhì)變。甚至，結(jié)合期末考試具體要求設(shè)置后，作者利用考試系統(tǒng)實現(xiàn)了期末考試的“非作圖題”部分的出卷工作。

(5) 在線測試貫穿教學(xué)。①課后測試。按照知識點分階段發(fā)布測試內(nèi)容；②課堂測試。直播進(jìn)行中，發(fā)布測試檢查及督促學(xué)生集中注意力；③手繪測試作業(yè)。利用學(xué)習(xí)通“作業(yè)”功能，將手繪題目發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生完成后拍照上傳，教師在線批改反饋。

(6) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計。掌握學(xué)生從課前、課中到課后的整體學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，包括視頻任務(wù)點觀看情況、在線測試成績統(tǒng)計、各項作業(yè)完成情況等，對學(xué)生進(jìn)行綜合評價及成績評定。

圖3 為“學(xué)習(xí)通”MOOC 平臺部分應(yīng)用界面。測試完成后系統(tǒng)自動、實時地判斷對錯、計算分值，并給出答案及題解提示。通過“學(xué)習(xí)通”平臺，可對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和態(tài)度有更客觀和清晰的認(rèn)識，同時也能了解各知識點學(xué)生掌握的情況和學(xué)習(xí)難點，有針對性地進(jìn)行進(jìn)一步講解。

圖3 “學(xué)習(xí)通”MOOC 平臺應(yīng)用((a)考試及批改情況；(b)任務(wù)點、綜合成績分布和課程學(xué)習(xí)進(jìn)度；(c)學(xué)生訪問統(tǒng)計；(d)課程完成情況) Fig.3 Application of MOOC platform ((a) Examination and marking;(b) Task points,comprehensive grades and the course progress;(c) Students’ visiting statistics;(d) Completion situation of the course)

2 面向線上學(xué)習(xí)的實踐教學(xué)模式

2.1 上機實踐培養(yǎng)創(chuàng)新能力

上機實踐主要應(yīng)用Solidworks 軟件。疫情期間由學(xué)生在各自電腦上進(jìn)行，課程4 學(xué)時聯(lián)排，講授完即進(jìn)行限時上機作業(yè)，下課提交。整個過程，教師通過語音、留言、錄制視頻或遠(yuǎn)程操控學(xué)生電腦的方式隨時答疑。這種對于軟件的線上授課方式優(yōu)于線下的課堂授課。部分學(xué)生課前會在學(xué)習(xí)通上觀看視頻進(jìn)行預(yù)習(xí)，對直播不理解的命令學(xué)生既可以回看視頻，也可以隨時聯(lián)系老師進(jìn)行解答。

更為重要的是軟件教學(xué)顯著提高了學(xué)生的三維空間構(gòu)思力和創(chuàng)新力。如在建模過程中，同一立體，既可以拉伸生成也可以旋轉(zhuǎn)生成，既可以先總體輪廓后局部細(xì)節(jié)，也可以逐部分累加建模，建模的分析思路是對學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計的培訓(xùn)和考驗[10]。另外，三維實體的清晰構(gòu)型，不僅能幫助學(xué)生理解立體，還可以將模型轉(zhuǎn)換成相似的新立體。在由簡入繁的機件建模中和反復(fù)訓(xùn)練中，可在短時間內(nèi)啟發(fā)學(xué)生思維，提高創(chuàng)新能力。

2.2 尺規(guī)實踐打好堅實基礎(chǔ)

適當(dāng)增加實踐課學(xué)時，縮減基礎(chǔ)理論知識講授細(xì)節(jié)或轉(zhuǎn)放到MOOC 網(wǎng)站讓學(xué)生提前自主學(xué)習(xí)，這可有效縮減理論課時間而補充在實踐課中。通過手工繪制，能夠在消化理論知識的同時提高學(xué)生的動手能力。

教研組共同甄選出48 道具有代表性的零件，主要針對典型軸套類、盤蓋類、叉架類和箱體類零件進(jìn)行，鍛煉學(xué)生對各種構(gòu)型機件的熟練度。每周每組一個題目，提交A3 白圖，部分零件模型如圖4 所示。依托三維軟件，小組內(nèi)部討論，完成各自題目的三維建模、方案分析、對比決策，最終確定表達(dá)方案。表1 為實踐項目所覆蓋知識點及要求。

圖4 部分典型零件實踐模型 Fig.4 Practice model of partial typical parts

2.3 測繪綜合強化實踐能力

疫情期間的測繪教學(xué)，由于不能實現(xiàn)真正的測量，教研組是通過給出各角度帶尺寸的三維軸測圖來實現(xiàn)的，如圖5 所示。測繪之前，教師通過實物模型展示、課件講解及動畫演示等，為學(xué)生講解機器的作用、工作原理、裝配關(guān)系以及拆裝順序等。學(xué)生根據(jù)資料，對裝配體和零件進(jìn)行理解和拆解，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、形狀和用途，確定合適的表達(dá)方案，在坐標(biāo)紙上徒手繪制出零件草圖、裝配示意圖、并尺規(guī)繪制出所有零件和裝配體的工程圖，同時利用軟件進(jìn)行三維建模，投影為工程圖。通過測繪實驗，學(xué)生將2 學(xué)期的教學(xué)內(nèi)容，從“理論-尺規(guī)繪圖-軟件”進(jìn)行了全方位綜合強化，極大地提高了工程實踐能力。不足之處為，學(xué)生沒有真實接觸到測量工具，只有“繪”沒有“測”，對常用測量工具及測量方法掌握不足。

3 多元化過程考核

3.1 考核內(nèi)容和方法

考核方式能成功助推從課堂管理到全程參與的轉(zhuǎn)變。考核體系應(yīng)包含課程的所有學(xué)習(xí)成果，全面考查學(xué)生的綜合能力，尤其是工程實踐能力和創(chuàng)新能力[11]?；贠BE 教育模式，教研組建立了多樣化考核體系，設(shè)置多項考核內(nèi)容和指標(biāo)，如圖6所示。

圖6 多元化考核體系 Fig.6 Diversified appraisal system

該考核體系注重學(xué)習(xí)過程、實踐能力和創(chuàng)新能力考核，動態(tài)把握學(xué)生知識和能力的發(fā)展水平，綜合各項指標(biāo)得到學(xué)生的總評成績，全面地考核與評價對學(xué)生起到了良好地引導(dǎo)和規(guī)范作用，有效避免個別學(xué)生考試投機的不良現(xiàn)象。

疫情期間的考核模式在評定成績時考慮了平時成績、階段成績、上機操作成績、實踐繪圖成績等幾方面。其中平時成績又有在線測試、課堂測試、視頻觀看、平時作業(yè)、出勤和課堂表現(xiàn)等幾部分。

新考核體系并未對平時成績的全部構(gòu)成進(jìn)行考核標(biāo)準(zhǔn)的無縫制定。留出了觀看視頻和平時表現(xiàn)環(huán)節(jié)由任課教師自主確定，以避免學(xué)生的為難情緒。但在線測試和階段測試教研組進(jìn)行了統(tǒng)一考核規(guī)劃，提前印好題量和難度相同的幾套測試題，任課教師隨機抽取，統(tǒng)一批改，保證公平公正。過程考核的特點，使得學(xué)生想拿特別高分和特別低分都很難，每個環(huán)節(jié)都要努力，所以未出現(xiàn)特別差的成績，85 分為優(yōu)秀。

新體系的考核評價機制效果明顯，體現(xiàn)在學(xué)生的繪圖質(zhì)量、繪圖速度上和計算機建模方面的大幅進(jìn)步，增加的實踐訓(xùn)練，確實提高了學(xué)生圖學(xué)能力。學(xué)生對參加全國成圖技術(shù)與產(chǎn)品建模大賽的熱情也更加高漲，真正體現(xiàn)了OBE 的教育理念。

3.2 跟蹤與改進(jìn)

在疫情下的線上教學(xué)中，任課教師需引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，同時加強學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)效果的反饋與評測[12]。從學(xué)生到課及聽課狀態(tài)的監(jiān)管，再到課后作業(yè)的完成情況，教師每次課后將學(xué)習(xí)效果反饋到班級學(xué)生群，每2 周教研組召開一次研討會，總結(jié)問題、規(guī)劃工作，逐步摸索出適合疫情期間的教學(xué)方法，目標(biāo)是希望學(xué)生在不斷的引導(dǎo)和鞭策中，學(xué)會知識，從“他教”走向“自學(xué)”。

后續(xù)教學(xué)中，將根據(jù)每年的學(xué)科熱點和學(xué)生學(xué)習(xí)效果更新教學(xué)課件和講稿；根據(jù)學(xué)生作業(yè)反饋問題，改進(jìn)講解和練習(xí)題庫；結(jié)合學(xué)生評價進(jìn)行課程教學(xué)方式方法的適當(dāng)調(diào)整；根據(jù)學(xué)生反應(yīng)和工程實際，延伸學(xué)生感興趣且有意義的知識點。

4 結(jié) 論

“基于OBE 的工程圖學(xué)教學(xué)新體系”克服疫情期困難，全程貫徹工程教育專業(yè)認(rèn)證的“成果導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進(jìn)”理念。新體系著眼于培養(yǎng)學(xué)生的圖學(xué)素養(yǎng)，融入了計算機實體造型，加強了實踐繪圖環(huán)節(jié)，提供了自主學(xué)習(xí)平臺，改善了考核機制，大大拓寬了制圖課教學(xué)的知識面和受訓(xùn)面。從2019 年起，經(jīng)過1 年多的摸索與實踐，已逐步完善，每年有近400 余名機械工程類學(xué)生參與其中。該體系的教學(xué)效果未以學(xué)習(xí)成績作簡單對比，是因為同一教師同時授課的班級之間也會出現(xiàn)整體分?jǐn)?shù)存在差異的情況。本教學(xué)體系更關(guān)注學(xué)生反饋的學(xué)習(xí)效果和作業(yè)完成的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整，持續(xù)改進(jìn)。

新教學(xué)體系需要老師、學(xué)生、硬件軟件和教學(xué)方案設(shè)計等多方面支撐方能較好地在有限的教學(xué)學(xué)時高效完成。新體系的正常運行還需要學(xué)校的政策支持以及教師更多的辛勤付出。該體系中的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)思想已在《現(xiàn)代工程圖學(xué)》和《工程制圖》2 門慕課中有所體現(xiàn)。其中《工程制圖》已被認(rèn)定為省級精品在線開放課程。