基于OBE理念以達成度為導向的機械原理課程教學模式構建研究

胡 瑞，許春霞，熊 吉，唐 剛，盧全國，周睿迪

(南昌工程學院，江西省精密驅動與控制重點實驗室，330099，南昌)

0 引言

機械工業作為國民經濟發展的基石，通過響應中國制造2025和工業4.0國家發展戰略，發展機械人才創造高速發展條件，使制造業大國提升成為機械工業制造強國。目前正當我國機械行業發展迅猛，機械人才缺口大，對機械人才的培養至關重要。而《機械原理》作為機械人才培養的專業技術基礎課程，對其進行教學模式改革是專業建設的必然需求。《機械原理》課程在教學方面應該注重基礎理論與工程實際的結合。《機械原理》課程目前在教學內容中重心放在了機械結構及原理上，而忽視了理論和方法的結合，更像是其他課程的簡單重復從而導致學生失去興趣。這種單一的教學方式與考核方式讓學生缺乏對實踐的探索，教學應該全方位育人，否則學生所學知識與市場對專業人才能力的要求產生脫節[1-2]。針對這種現狀，秉承OBE成果導向、以學生為中心和持續改進的理念，將機械原理課程與工程教育認證標準結合，探索基于OBE工程教育理念的課程目標達成度教學模式[3]，對學生的工程實踐能力、綜合能力和創新能力的培養具有重要作用，可為提升機械類應用型專業人才培養質量及提高專業競爭力奠定重要基礎。

1 構建課程培養目標

由于課程培養目標是課程內容設計、過程管理和達成度評價的重要依據，本文將通過課程內容、教學目標和教學方法的有效實施先構建出課程培養目標。如圖1所示，本文通過畢業要求、課程目標指標點和課程目標相互之間的支撐和設計，實現學生在過程管理、實驗課、項目設計和期末考試中達成課程目標，進而達到指標點和畢業要求。針對整個機械專業課程體系制定的畢業要求指標點，將課程目標分成工程知識、問題分析、設計和開發解決方案、研究以及使用現代工具5個部分，分別對應所需要滿足的畢業要求，更好地使課程體系服務于畢業要求，如圖2所示課程目標與相應畢業要求的支撐關系。

圖1 課程培養目標流程圖

圖2 課程目標對畢業要求的支撐關系

2 以學生為中心的課程教學模式

《機械原理》是機械類專業的核心基礎課，其內容涉及常用機構的解析與設計方法、機械系統的設計規律及方案確定，這要求相關專業學生具備設計基本的機械系統運動方案能力和開展機械工程問題解析、方案解決和結果校核的能力[4-5]。根據機械專業《機械原理》課程要求，針對課程培養目標，通過以下課程內容設計、過程管理和教學方法創新以學生為中心的教學模式。

2.1 課程知識點剖析

以《機械原理》課程中解析平面機構自由度虛約束為例。為了改善構件的受力情況、增強機構的剛度和保證機械運轉性能，機構中有些運動副會引入虛約束，這些虛約束對運動不起獨立限制作用。在圖3所示的平行四邊形機構中，搖桿CD作圓周運動，在機構中增加一個與CD平行且等長的構件EF，虛約束EF不影響機構的運動，但機構的運動平穩性卻大大增強(如圖3(a)所示)。根據一個原動件只能提供一個自由度的機械原理，增加一個約束就會增加一個活動構件和2個轉動副，因此在計算機構自由度時應該減去虛約束數，即自由度F= 4x3-(6x2-1)=1。課堂講解過程中學生無法理解什么是虛約束以及是否需要增加虛約束，為了加深學生對虛約束的分析與理解，在課堂講解過程中增加了有/無虛約束下桿件運動的仿真實驗環節(如圖3(b)所示)。通過仿真可以實現機械機構的實際運動，使學生能夠加深對所學知識點的理解并做到舉一反三。

(a) (b)

2.2 項目設計

《機械原理》理論學習的目的是為了提高學生結合工程實際對機械結構的認知與分析能力，完成預期的學習目標[6]。項目設計以連桿機構及其實現運動和功能設計為例，實現機械機構的設計、討論、制作、測試、分析以及總結。通過項目設計總體過程使學生能夠更好地理解機械結構及其工作原理。課程設計一般分3個階段：第1階段小組任務分配，以具體任務陳述如下：設計一個助老機械，輔助老人日常生活。第2階段答疑解惑，通過一些創新比賽成果共同分享機械制作和測試經驗，一起分析、討論并解決在機械制作和測試過程中遇到的問題。第3階段模型建立和樣機制作，將學生做的三維模型進行運動仿真分析逐步完善數據，并開始制作樣機進行運動測試反饋實驗數據，做到仿真與樣機數據一致，同時做好總結。此項目設計與教學內容同步進行，旨在培養學生的動手能力與思考分析問題的能力。圖4為助老機械仿真圖和實物圖。

(a)三維仿真模型 (b)實物樣機

2.3 學科競賽

大學生學科競賽在可以激發學生創造力的前提下，還能更充分地結合所學專業知識解決困難(本文以參加全國大學生機械創新設計大賽、大學生“挑戰杯”科技競賽為例)，也是提升課程目標達成度的主要途徑之一。通過學科競賽的參加和體會收獲，不僅僅是對學生理論學習的一次升華，更重要的是能夠系統性地提升學生實踐動手能力[7]。近5 年來，作者及其他指導老師應用本文《機械原理》課程中基于OBE理念以達成度為導向的工程教育教學模式，指導學生榮獲機械類創新設計類競賽獎近30項，其中包括國家級榮譽12項，省級榮譽18項。

2.4 課程討論與交流

在《機械原理》課程的學習過程中，課程討論與交流可以幫助學生自主探索和合作交流，真正掌握解決復雜機械工程問題。學生通過自身感受，體會《機械原理》課程的要領，在這基礎上交流想法，各抒己見，才能夠真正體現學生自主探索的過程，課程討論與交流才能發揮真正功效。

2.5 線上與線下教學相結合

《機械原理》課程采用線下與線上相結合的教學方式。線下將課堂上的重點、難點知識通過相關機構桿件及其機械零部件的機構運動錄像或其仿真動畫上傳以解決其抽象難理解的問題，并實現網絡定時在線答疑和留言解惑，同時還可以將課程實驗、課程設計以及課程交流討論等環節實現網絡學習。多途徑的教學方式可以滿足學生的不同需求，服務更多的人群[8]。

3 制定課程考核方式與評價標準

《機械原理》課程考核方式在原有基礎上重新樹立了以提高學生創新能力為主要目的和以考查學生熟練運用專業知識解決問題為重要內容的主旨。因此，除了基本的成績考核，本課程成績考核將項目設計列入考核當中，并進行評分。具體要求及成績評定方法如下。

3.1 過程管理

過程管理占課程成績的10%，又分為平時作業考核和大作業考核。課后完成各章節知識點的復習和章節小題，以加深學生對各個章節知識點的聯系和實際運用能力，按作業完成程度成績的5%計入總成績。另外，可布置上機、軟件應用或產品方案設計等大作業，主要考核學生自主學習，并應用所學內容解決工程問題的能力。按5%計入總成績。

3.2 實驗課

實驗成績占課程成績的10%，主要考核學生按要求操作實驗設備，根據其實驗準備、實驗操作、實驗報告等綜合評定成績。

3.3 項目設計

項目設計主要考核學生對課程的綜合理解和運用，要求學生按照項目設計題目分組進行。首先確定目標做可行性研究報告，再進行初步設計，收集材料，設計圖紙，最后實物制作。未按時完成項目設計作業的，此項成績按零分計。

3.4 期末考試

期末考試占課程成績的70%。考查主要分為3個部分：第1部分機械基礎知識，主要以選擇填空和判斷題為主，考查學生對機械概念和機械基礎知識的掌握，占考試的30%。第2部分基本原理應用，主要以知識簡答和問題分析為主，考查學生運用機械原理解決問題的能力，占考試的40%。第3部分機械結構分析與計算，考查學生解決較復雜機構問題的綜合運用能力。考試命題要符合《機械原理》課程考核主旨，充分反映學生運用所學內容解決問題的能力，難度相當。

4 課程目標達成度分析

本文將《機械原理》課程目標達成度評價分為課程的分目標達成度評價和課程的總目標達成度評價，通過平時考核、實驗考核和期末考試等部分直接考核學生對知識的掌握及對專業知識的應用情況，對參與課程的所有學生的實際學習成果進行評價，分析課程目標達成度結果[9]。根據過程管理、實驗課、項目設計和期末考試得分，本文將詳解機械原理課程的目標達成度的計算過程和方法(見表1)。D(D1、D2、D3)、P(P1、P2、P3)和S分別為課程目標達成度、過程管理平均得分和實驗課平均得分；項目設計平均得分J的加權系數設為α1，期末考試平均得分K(K1、K2、K3)的加權系數為α2。通過課程分目標的考核環節得分和加權系數可以計算獲得相對應的課程分目標達成度值，進而依據由學生總成績平均得分計算獲得課程總目標的達成度值。

表1 課程目標達成度分析及計算方法

《機械原理》課程目標達成度應用課程目標達成度評價標準，其取值是所有課程目標評價結果的最低值。根據所有分目標評價結果期望值的達成度分析，當課程目標達成度低于期望值時，應該及時商榷做出調整以及需要改進的方案。當課程目標達成度高于期望值時，總結經驗反復驗證形成能夠進行推廣的《機械原理》課程教學模式。

5 結束語

根據《機械原理》課程在課程體系中的作用，本文圍繞畢業要求在過程管理、實驗課、項目設計和期末考試中制定合理的課程目標。通過OBE教學理念構建了《機械原理》課程教學模式，然后根據課程目標以提高學生創新能力為主要目的和以考查學生熟練運用專業知識解決問題為重要內容的主旨，設計教學內容及其相匹配的考核方式等，最后基于課程目標達成度評價標準進行課程目標達成度分析，通過調整和改進達到基于OBE理念以達成度為導向的《機械原理》課程模式的教學推廣。基于《機械原理》課程改革的上述闡述發現，OBE作為一種基于服務工程教育和提升學生解決工程實際問題能力的先進教育理念，有利于新時代創新人才的培養，這也為機械類專業其他課程的教學改革提供了值得借鑒的解決思路和設計方案。