系統工程視角下OBE理念導引的機械專業人才培養模式探析

曹陽　馬軍　都金光　劉琨　段留洋

［摘 要］針對現代制造業發展趨勢以及機械專業人才培養面臨的挑戰與機遇，結合工程認證背景下的OBE理念，課程組剖析了機械專業人才培養的系統工程觀，構建了以“理論講授—綜合訓練—創新實踐”為主線、課程體系改革與教學方法創新為支撐的“3+2”機械專業人才培養模式，提出了自適應可重構的機械專業模塊化課程體系，研究了問題驅動的教學方法，并以金屬切削過程課堂教學為案例進行了應用，最后總結了面向校企協同育人的機械專業人才培養創新實踐經驗。

［關鍵詞］工程教育專業認證；機械專業；人才培養；OBE；系統工程

［中圖分類號］ G640 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）10-0244-04

制造業作為人類社會賴以生存和發展的基礎，是社會物質財富的主要來源，而發達的制造業要有先進的制造技術與人才作為支撐[1]。改革開放40多年來，我國機械教育規模不斷擴大，質量得到了快速提升，基本構建了相對完善的機械人才培養體系，但在新時代背景下制造業產業結構不斷調整，產品更新速度不斷加快，知識有效周期也明顯縮短。有研究指出，工科畢業生的知識半衰期僅為4～6年，這些都對機制類專業人才培養提出了新的要求，特別是以物聯網、大數據、云計算、區塊鏈為代表的信息技術與制造業的深度融合，給機械類專業人才培養帶來了前所未有的機遇與挑戰。機械專業技術人才培養還存在與新興產業發展和新工科要求有所脫節的問題，具體表現在[2]：1.傳統機械專業受限于單一學科，專業知識體系窄化，不利于培養開放式綜合型機械專業人才；2.教學體系過多注重學生理解掌握知識，而忽視解決復雜工程問題的能力培養； 3.課程體系僅考慮專業知識的完整性，缺乏開放邊界，難以適應現代制造業多學科知識融合的特點；4.實踐教學未能有效面向工程實際，與企業合作不夠緊密，校企隔閡阻礙了人才與市場的匹配。因此，對傳統機械專業人才培養模式進行升級改造，培養適應新一輪科技革命與產業變革的機械專業技術人才迫在眉睫[3]。

成果導向教育（Outcomes-based Education，OBE）最早出現于美國和澳大利亞的基礎教育改革，OBE理念的核心在于實現三個轉變：從學科導向向目標導向轉變、從教師中心向學生中心轉變和從質量監控向持續改進轉變[4]。為了迎接新工業革命對高等工程教育的挑戰，從20世紀80年代到90年代早期，經過10多年的不斷發展，OBE形成了比較完整的理論體系，并在美國、英國、加拿大等國家成為教育改革的主流理念[5]。美國工程教育認證協會全面接受了OBE的理念，并將其貫穿于工程教育認證標準的始終。2013年6月，我國成為《華盛頓協議》簽約成員并陸續開展高等教育工程認證工作[6-7]。

本文以工程教育專業認證為背景，以培養具有系統工程觀的機械專業人才為根本任務，用OBE理念導引傳統機械專業人才培養模式的改革，這對培養符合工程認證需求的機械專業技術人才具有重要研究意義與實踐價值。

一、系統工程觀下的機械專業人才培養模式構建

（一）機械專業人才培養的系統工程觀

現代機械及產品往往是具有強耦合、層次化和非線性特點的復雜工程，如大飛機、航天器、盾構機、高端數控機床等，這不僅需要多學科領域知識的交叉融合，而且要能夠從系統認知的視角進行審視[8]。而當前單一固化的專業知識架構在很大程度上制約了學生跨學科的工程創新能力，因此現代制造工程背景下機械專業人才培養需要有系統工程觀。系統工程觀包括以下三個方面的認知。

1.機械專業人才培養模式是一個由經濟、社會和環境構成的相互作用的有機整體，其本質是通過人才培養活動與社會、經濟、環境發生物質、能量、信息交流。

2.機械專業人才培養模式是由高等教育范疇內各種與人才培養相聯系的主客體（企業、大學、科研機構、政府、行業機構）組成的、滿足特定功能的復雜系統。

3.隨著社會經濟的發展，機械專業人才培養模式與外部環境相互作用，其功能、結構與行為（課程建設、教學方法和創新實踐）會相應進行轉換或升級。

（二）系統工程視角下的機械專業人才培養模式

工程認證把創新和實踐提升到了前所未有的高度，要求新建設的工科專業和傳統工科專業交叉融合，面向未來的產業結構發展，發揮自身優勢與當地的行業產業緊密結合，主動對接地方區域經濟發展需要，深化產教融合、校企合作，增強學生的創新能力和創業能力，培養專業知識扎實、行業背景深厚、動手實踐能力強、適應行業發展的復合型工程技術人才[9]。

鄭州輕工業大學（以下簡稱“我校”）作為一所地方工科大學，積極響應以OBE理念導引創新傳統機械人才培養模式的號召，優化教育教學資源，從系統工程視角探索新的人才培養模式，在人才培養過程中強化行業企業需求導向，以人才培養質量為核心，圍繞“教”“學”“做”三個環節，以 “理論講授—綜合訓練—創新實踐”為主線，以課程體系改革與教學方法創新為支撐，以培養創新型、應用型技術人才，服務中原地區和黃河流域的區域經濟建設為目標，創造性地構建了由理論講授、綜合訓練、創新實踐三大功能系統和課程體系、教學方法兩大支撐系統集合而成的“3+2”機制專業人才培養模式，如圖1 所示。

二、OBE理念導引的機械專業人才培養模式的實現

（一）自適應可重構的模塊化課程體系

目前，專業課程體系改革已經成為機械專業教學改革的主要任務。由于缺乏對社會需求的精準把握，機械專業缺乏以完整的學科體系為出發點設置課程的理念，從而造成理論教學多、實踐教學少，必修課多、選修課少以及課程之間的聯系不緊密等問題，影響了學生的專業認知水平，導致學生專業能力和素質與社會需求脫節，缺乏前瞻性和綜合性等[10-11]。機械專業人才培養必須探索并構建“理論知識寬泛、應用能力突出”的課程體系。

因此，我校以提高課程針對性、實踐性、時效性和開放性為目的，構建了通識教育、專業教育和職業發展3個課程平臺，并按照“功能—結構”模塊化解耦原則，劃分并設立了思政教育、科技人文、身心修養、專業基礎、專業核心、專業綜合、專業技能、工程實踐和科技創新9個課程模塊，如圖2所示。我校課程體系的特色包括以下幾方面。

1.強調思政教育與專業教育的有機統一。大學的任務是培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人，思政教育與專業教育相結合可以更好地立德樹人，努力使學生認識自身價值，樹立社會主義核心價值觀，自覺承擔社會責任。

2.精煉和整合課程內容，優化專業課與選修課的比例，在保留主干課程的基礎上，進一步增加選修課程的比例，給予學生自主學習的有效空間，促使學生經常參與趣味性的學習實踐活動，達到全面培養學生專業技能特長的效果。

3.在專業知識結構上，根據學生的認知規律，構建 了三個層次的“能力進階”模塊：專業基礎能力模塊、專業核心能力模塊和專業綜合能力模塊。每個模塊相對獨立，有各自的主題和特定的目標，模塊之間又相互聯系，使多學科交叉融合。

4.傳統課程與網絡課程相結合，增加線上線下互動課程的比例，不僅達到合理調配教學資源、滿足學生個性化學習需要的目的，而且提高了教學資源供給的針對性，從而保證了學生在OBE理念下進行創新學習的效果。

（二）問題驅動的機械專業教學方法

好奇心是人類進步的源泉，保持學生對“問題”與生俱來的好奇，是激發其不斷探索學習的驅動力。問題驅動教學法（Problem-Based Learning，PBL）就是將學生置于具體問題的情境中，使其通過獨立思考和合作學習完成對問題的分析、推理、綜合與引申。與其他教學方法相比，PBL更注重培養學習者面對問題時的意識和思維，以及處理問題的能力。問題驅動更符合人類認知的基本規律，因此PBL被視為能擴展學生創新能力和批判性思維能力的最具創新性的教學方法[12]。

PBL中問題是核心，問題如何產生，以及產生什么問題是關鍵，這都需要結合具體的專業背景和教學案例進行設定。總體而言，應該注意以下幾點。

1.問題設定應從工程實踐中來再到工程實踐中去，從反映專業本質的本源性問題入手，通過分析、綜合和概括過渡到普適性的原理與規律。

2.問題設定應符合人的認知規律，即應由淺入深、由表及里、由具體到抽象、由現象到本質，環環相扣，體現出該教學方法的互動性。

3.問題設定應該有一定的必要性，不要因問而問，而是因教而設問；還要有一定的啟發性，既考慮學生的學習興趣，又要保證教學的有序性。

將問題驅動作為一種教學理念融入機械專業教學，首先要選取合適的工程背景，設計出承載問題的工程案例；然后教師引導學生圍繞案例進行分析和推理，一步步過渡到案例背后的本源性問題；接著學生發揮主觀能動性，以團隊協作的方式，運用多方面知識建立問題模型并求解；最后學生以科學規范的形式提供求解結果。整個過程以問題為核心、以案例為載體，將各方面的知識融合在一起，培養學生解決實際問題的能力。

以機械制造基礎這門專業基礎課為例。金屬切削變形屬于機械制造過程范疇，任何金屬切削過程都存在積屑瘤以及不同類型切屑的形成，這是涉及金屬切削基本原理的本源性問題。圖3以積屑瘤以及四種不同類型切屑的形成為例，說明問題驅動在機械制造基礎課程中的運用。

人類的思維認知存在階段性，在上述教學進程中，討論和總結都是必不可少的環節。討論環節是一個頭腦風暴式的思想碰撞過程，在此環節學生思維活躍，有時可能出現不同見解，這樣會使教學不一定能完全按設定開展，這就需要教師給予學生必要的引導和提示。問題總結就像是對百家爭鳴的統一，也像是對諸子思想的提煉，從而達到對問題尋根溯源的目的，否則討論將變得“剪不斷、理還亂”。隨著教學進程的推移，問題也從教與學雙方都很熟悉的一些現象級問題，過渡到學生不完全熟悉的原理與規律的認識和理解上。整個學習過程不再是學生孤軍深入，而是師生協同推進。

（三）基于校企合作協同育人的創新創業實踐

校企協同育人模式將學校與企業的優質資源進行整合，為學生提供更好的學習、實踐與就業平臺，從而提升學生的就業競爭力，增加學生的就業機會，同時也為企業提供充足的后備人才，實現企業持久穩定的發展。目前，校企雙方對校企協同育人的重要性雖已達成共識，但在實踐中往往存在高校一頭熱、企業反應冷淡的現象。究其原因，企業的根本是獲取利潤。因此校企合作時，一是要打通人才需求側與供給側的溝通渠道，二是要建立與校企深度合作的長效機械，三是要讓企業以“合作主體”而不是“參與者”的身份融入合作中，這樣才能保證企業的長久積極性，使校企合作育人穩定向前發展[13-14]。基于上述實踐，總結出以下四點經驗。

1.地方高校人才培養定位應面向地方工業經濟需求，要在課程的傳授與建設中融入企業的生產需求及特點，共同組建一支高素質的專業教師團隊，包括安排教師前往企業學習先進的機械技能，不斷更新教師的專業知識，進而使學生得到更加優質的教育。同時，引進企業導師來校上課，把企業的職業標準、技術技能標準融入課程教學中，讓學生對企業的真實崗位有一定的了解。

2.要突出課程設計、畢業設計等實踐環節解決工程實際問題的導向作用。一方面，把企業真實案例融入課程設計、畢業設計中，使實踐教學與工程實際密切聯系；另一方面，實施項目制教學法，項目組學生對項目背景、研究內容和可行性進行分析，之后申請立項、開題和驗收，教師參與指導和答辯。獨立完成一個項目不僅能使學生了解項目整體流程， 而且能提高學生資料收集、文章撰寫、解決問題的能力。

3.建設虛擬仿真實驗實訓平臺。通過Hyperworks軟件、AR/VR等技術將實訓車間布局、設備、生產線工藝流程數字化，構建與實際生產線裝備高度逼真的虛擬系統，采取“虛實結合、教學聯動”的實訓方法，不僅有效地支撐了學生的創新實踐，而且彌補了當前很多高校面臨的工業自動化實驗裝備采購運維費用高、占地空間較大、上機實訓人數有限以及操作安全隱患難以避免等不足。

4. 要以學科競賽為抓手，將“雙創”教育貫穿于機械專業人才培養全過程。可以組織學生參加全國機械創新設計大賽、中國“互聯網+”大學生創新創業大賽、“西門子杯”中國智能制造挑戰賽、“創青春”全國大學生創業大賽等以提高學生的綜合實踐與創新能力。

三、結語

當前，制造業正處在從工業3.0到工業4.0的新一輪變革時代，中國制造也正在向中國創造邁進。工程教育專業認證下的OBE理念及系統工程觀賦予了機械專業人才培養新的要求。只有將機械專業人才培養落實到以人才培養質量為核心，以課程體系改革與教學方法創新為支撐，以 “理論講授—綜合訓練—創新實踐”為主線的改革實踐中，才能培養出創造未來的卓越工程人才。2019年，我校機械設計制造及自動化專業成功入選國家及河南省一流本科專業建設名單，這也是踐行新工科背景下機械類專業人才培養模式的一次良好實證。下一步，課題組將以大數據、物聯網、新一代人工智能技術“升級”機械專業，著力培養學生智能設計、智能制造和智能服務能力，以“智能制造工程班”為載體，打通機械、信息、控制、計算機、管理等學科邊界，培養兼具制造工程與科技創新能力的卓越工程人才，實現專業結構與人才培養模式的戰略性調整。

［ 參 考 文 獻 ］

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［責任編輯：鐘 嵐］