基于OBE-CDIO教育理念的新型課堂教學(xué)探索
——以“精密機(jī)械設(shè)計”課程為例

賈冠偉，彭茂軍，何宇軒，李騰飛，常艷杰

（河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開封 475000）

為主動、積極地應(yīng)對即將到來的新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命，國家制定了一系列戰(zhàn)略方針，如“中國制造2025”等，重點推進(jìn)制造業(yè)、建筑業(yè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，在自主創(chuàng)新能力、科技信息化水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、資源利用效率等方面趕超國際先進(jìn)水平，以實現(xiàn)到2025年前完成基本工業(yè)化進(jìn)程、邁入制造業(yè)大國行列的目標(biāo)。自2017年以來，教育部統(tǒng)籌推動新工科建設(shè)，對當(dāng)前高校工科教育提出構(gòu)建工科專業(yè)新結(jié)構(gòu)、更新工程人才知識體系、創(chuàng)新工程教育方式與手段等要求［1］，助力實現(xiàn)教育強(qiáng)國夢。

一、傳統(tǒng)教學(xué)與實驗課程安排存在的局限性

“精密機(jī)械設(shè)計”是機(jī)械相關(guān)專業(yè)的一門核心專業(yè)課，其目的在于培養(yǎng)工科學(xué)生掌握常用機(jī)械零部件的設(shè)計原理和精密機(jī)械設(shè)計中包含的設(shè)計流程和思想；通過實驗課程認(rèn)識并操作一些典型機(jī)械裝置，使學(xué)生具有分析機(jī)械傳動裝置和設(shè)計簡單機(jī)械裝置的能力，初步了解機(jī)械領(lǐng)域相關(guān)工作。“精密機(jī)械設(shè)計”的基礎(chǔ)課程安排包括課堂理論知識講授及機(jī)械設(shè)計實驗，具有理論性深、實踐性強(qiáng)等特點，有助于提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。該課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式存在以下問題。

（一）課堂教學(xué)方式陳舊

以幻燈片演示為主的授課形式占據(jù)了大部分課堂時間，且難以調(diào)動學(xué)生的積極性，教師和學(xué)生之間缺乏有效溝通，導(dǎo)致教師對學(xué)生知識掌握程度難以把握，學(xué)生往往在所學(xué)知識未掌握牢固時便進(jìn)行后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)，課堂效果難以達(dá)到預(yù)期。

（二）實驗教學(xué)內(nèi)容固定且與實際工程應(yīng)用脫節(jié)

實驗過程以教師演示、學(xué)生模仿為主，難以調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生參與程度低；僅以實驗報告作為實驗課程的評分標(biāo)準(zhǔn)，評價方式過于單一，忽略了學(xué)生在實驗課中的參與度及創(chuàng)新能力，且一部分實驗報告內(nèi)容雷同，與實際工程沒有參考價值。

（三）實驗設(shè)備簡陋、師資力量薄弱

面對簡陋的實驗環(huán)境和設(shè)備，學(xué)生難以對機(jī)械實驗產(chǎn)生興趣，同時較少的實驗課時難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)培養(yǎng)目的。專職實驗教師較少，師資力量薄弱。

（四）缺乏團(tuán)隊合作項目

教學(xué)目的僅局限于課本知識及簡單的機(jī)械零件認(rèn)識，學(xué)生難以將學(xué)到的知識有效理解并應(yīng)用。同時缺乏團(tuán)隊合作項目，不利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力。

二、OBE、CDIO教育理念簡述

OBE（Outcome-Based Education）即基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式，由美國學(xué)者Spady 最先提出并深入研究，自20 世紀(jì)80 年代廣泛應(yīng)用于美國、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家的基礎(chǔ)教育建設(shè)。該教育思想的核心在于為每一位學(xué)生提供基于合作的學(xué)習(xí)環(huán)境，使每一位學(xué)生都能發(fā)揮自己獨有的才能［2］。OBE 是基于成果導(dǎo)向反向設(shè)計組織并實施教學(xué)的教育模式［3］。對于學(xué)校和教師而言，OBE 教育理念要求其對學(xué)生在受教育后所能達(dá)到的成果有預(yù)期的規(guī)劃和架構(gòu)，并進(jìn)行課程設(shè)計和課程教學(xué)，輔佐學(xué)生達(dá)到預(yù)期成果［4］。OBE被認(rèn)為是教育未來發(fā)展的方向，對我國工程教育具有啟示意義，其經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展已形成較為完善的理論架構(gòu)［5-6］。

CDIO工程教育理念是由麻省理工學(xué)院等國際知名大學(xué)研究探索出的一種將理論課程和實驗課程有效結(jié)合，以學(xué)生為中心的先進(jìn)教育改革成果［7］。通過引入CDIO工程教育思想及結(jié)果和過程并重的評價體系，可打破傳統(tǒng)教學(xué)重演示性、輕探索性的局限［8-9］。注重學(xué)生實踐過程的完整性及工程化學(xué)習(xí)的主動性，可將理論知識與實驗課程有效地結(jié)合，解決實驗課程與理論缺乏聯(lián)系、學(xué)生做實驗難以下手、實驗過程單調(diào)重復(fù)且缺乏創(chuàng)新性等問題，使學(xué)生以主動的、實踐的、深入的、系統(tǒng)的方式進(jìn)行實驗課的學(xué)習(xí)。

三、基于OBE-CDIO理念的課程結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的“精密機(jī)械設(shè)計”課程以教師講解為主，以考試成績?yōu)橐罁?jù)評判學(xué)生掌握知識程度，在授課方式、教學(xué)反饋等方面不符合我國當(dāng)前對相關(guān)工科類人才的需求。因此，本文以“精密機(jī)械設(shè)計”課程為例，以O(shè)BE教育理念為主，將其作為整體教學(xué)方案的設(shè)計依據(jù)和指導(dǎo)思想，以學(xué)生作為整體教學(xué)方案的中心；以CDIO工程教育模式為輔，根據(jù)OBE培養(yǎng)理念的要求，運用CDIO工程教學(xué)設(shè)計理念進(jìn)行教學(xué)活動設(shè)計，理論課程采用翻轉(zhuǎn)課堂和對分課堂授課形式，實踐課則采用“微觀CDIO”實驗?zāi)Ｊ剑?gòu)建綜合教育質(zhì)量評價體系，跟蹤反饋當(dāng)前教學(xué)質(zhì)量及進(jìn)展。

（一）明確學(xué)生學(xué)習(xí)成果

以學(xué)生成果為導(dǎo)向，明確預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出，可使后續(xù)的教學(xué)活動有條不紊地進(jìn)行。結(jié)合學(xué)生培養(yǎng)方案要求及課程特點，OBE教育理念下“精密機(jī)械設(shè)計”基礎(chǔ)理論課的預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為：（1）掌握基本機(jī)械設(shè)計術(shù)語，使學(xué)生能理解并解釋精密機(jī)械設(shè)計相關(guān)的專業(yè)術(shù)語。（2）能利用基本概念和理論分析并解決精密機(jī)械設(shè)計中的實際工程問題。（3）能利用運動副、自由度等基本概念和分析方法解決精密機(jī)械設(shè)計中的工程問題。（4）理解并融會貫通常用機(jī)構(gòu)（包括平面四桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)）的工作原理、設(shè)計方法、選型。（5）了解通用機(jī)械零件參數(shù)、選型依據(jù)和設(shè)計方法。（6）學(xué)會利用機(jī)械手冊解決實際機(jī)械設(shè)計問題。

（二）設(shè)計授課方式

明確學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期產(chǎn)出后，為保證后續(xù)教學(xué)活動能有效地幫助學(xué)生達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)成果，采用“宏觀CDIO”設(shè)計理念對教學(xué)方案進(jìn)行構(gòu)建。“宏觀CDIO”設(shè)計理念是指將CDIO核心理念從產(chǎn)品開發(fā)到產(chǎn)品運行的整個生命周期擴(kuò)大應(yīng)用到整個教學(xué)實施體系，依據(jù)CDIO理念的四個實施步驟精準(zhǔn)有效地構(gòu)建基于OBE理念的授課方式。在OBE理念下，“宏觀CDIO”設(shè)計理念設(shè)計下教學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計包括構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行這四個階段，各階段任務(wù)分別為：（1）分析并落實教學(xué)目標(biāo)，確定不同階段學(xué)生的能力培養(yǎng)。（2）以學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期產(chǎn)出為導(dǎo)向設(shè)計課程結(jié)構(gòu)與教學(xué)方法。（3）根據(jù)設(shè)計階段的方案確定理論課與實踐課的授課形式。（4）設(shè)計有效的綜合教學(xué)質(zhì)量評價體系反饋教學(xué)的實際進(jìn)展，根據(jù)反饋結(jié)果持續(xù)改進(jìn)。

（三）理論課教學(xué)實施形式

采用“宏觀CDIO”理念教學(xué)實施體系后，根據(jù)設(shè)計階段的要求，在課程理論知識講解中，穿插采用翻轉(zhuǎn)課堂和對分課堂授課模式。

翻轉(zhuǎn)課堂的實質(zhì)在于教學(xué)模式的“翻轉(zhuǎn)”：通過網(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)程通信手段，讓學(xué)生在課前對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行自主學(xué)習(xí)；課堂中在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行問題討論，并結(jié)合課堂提問和測試等方法檢驗自學(xué)成果，加深對知識點的理解；課下可通過完成作業(yè)或思考題等手段，對課堂知識進(jìn)一步鞏固。相比于傳統(tǒng)的授課方式，翻轉(zhuǎn)課堂的課前、課中和課后三段，形成了循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)路徑［10］，即從課上學(xué)習(xí)、交流、鞏固到課前預(yù)習(xí)、課上師生互動、課后知識鞏固，使不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生都可以有效地達(dá)到預(yù)期教學(xué)成果。

對分課堂講究先教后學(xué)［11］，兼顧了傳統(tǒng)教學(xué)方法和討論式教學(xué)方法的優(yōu)點。教師需將授課內(nèi)容精練化，在課上幫助學(xué)生構(gòu)建知識體系框架；課下學(xué)生自主閱讀教材或資料，將知識消化吸收，并將遇到的問題在下次課的討論環(huán)節(jié)進(jìn)行集中討論。對分課堂的授課形式可應(yīng)用在課程重難知識點的講解中，教師在課堂上通過細(xì)致的講解，使學(xué)生理解課程知識體系和各知識點，以便后續(xù)翻轉(zhuǎn)課堂的課前學(xué)習(xí)有效開展。

以齒輪傳動為例，精密機(jī)械設(shè)計中關(guān)于齒輪的內(nèi)容分為齒輪機(jī)構(gòu)和齒輪傳動兩部分，包括從齒輪的基本尺寸到齒輪嚙合，再到齒輪強(qiáng)度計算。在齒輪傳動傳統(tǒng)教學(xué)方法講授過程中，以教師講解、演示為主，師生間溝通少，學(xué)生學(xué)習(xí)效果很難得到保證。對于齒輪基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)這部分內(nèi)容，教學(xué)大綱規(guī)定為重點知識，對于初次學(xué)習(xí)齒輪結(jié)構(gòu)的學(xué)生而言也屬于難點，故可通過對分課堂授課方法引入齒輪基本尺寸的知識點，學(xué)生在了解齒輪基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)后，自主了解齒輪的特征、應(yīng)用，遇到的問題可在下次課討論環(huán)節(jié)集中解決，既鞏固了所學(xué)的知識點，又銜接了后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容。

（四）實驗課教學(xué)實施形式

“精密機(jī)械設(shè)計”是一門重實踐的工程類專業(yè)課，授課形式包含理論課和實驗課，其中實驗課的開設(shè)目的是讓學(xué)生通過課堂上理論知識的學(xué)習(xí)，經(jīng)過實驗操作加深對理論知識的理解，并用理論知識解決實驗時遇到的實際工程問題，使學(xué)生掌握現(xiàn)代化的實驗方法和測試手段，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力。

傳統(tǒng)的實驗課授課方式以教師講解操作為主，學(xué)生模仿完成每次實驗的步驟，難以激發(fā)學(xué)生的主動性。“微觀CDIO”工程教育理念將CDIO工程理念的四個實施階段細(xì)化到每一個具體的實驗，以小組為單元依照CDIO教學(xué)理念進(jìn)行不同學(xué)時的實驗教學(xué)。河南大學(xué)物理與電子學(xué)院“精密機(jī)械設(shè)計”基礎(chǔ)實驗課程擁有一套與理論課程配套、可組裝拆卸的機(jī)械實驗裝置，以理論課講解順序為流程，以機(jī)械實驗裝置為載體，應(yīng)用“微觀CDIO”實驗教學(xué)理念幫助學(xué)生高效、有興趣地進(jìn)行機(jī)械實驗學(xué)習(xí)，達(dá)到OBE理念要求的預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出。

下面以軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，闡述基于CDIO模式的實驗教學(xué)流程。（1）構(gòu)思階段：首先查閱文獻(xiàn)了解軸的種類、制造材料及用途，在此基礎(chǔ)上識別軸上基本零件，如大小直齒輪、大小斜齒輪、軸承座、軸承透蓋、套筒、軸端擋板、鍵及石棉密封墊等，了解它們的特點和使用要求，最后理解軸系整體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。（2）設(shè)計階段：經(jīng)過構(gòu)思階段對軸及軸相關(guān)零件、裝配要求了解，根據(jù)個人喜好及對軸的掌握程度，選擇不同的軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，如單級齒輪減速器輸入軸、二級齒輪減速器輸入軸、蝸桿減速器輸入軸、錐齒輪減速器輸入軸等，然后選擇所需的軸上零件，并按照裝配要求繪制相應(yīng)的軸系結(jié)構(gòu)裝配草圖。（3）實施階段：參照設(shè)計階段的零部件選型、結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計方案，按要求進(jìn)行實際軸系結(jié)構(gòu)的裝配。（4）運行階段：根據(jù)工程調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)對所裝配的軸系結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)試，驗證所設(shè)計結(jié)構(gòu)是否符合實際使用標(biāo)準(zhǔn)。

（五）綜合教學(xué)質(zhì)量評價體系的設(shè)計

制定長期有效的教學(xué)質(zhì)量評價體系可以評估OBE-CDIO教學(xué)理念的實際應(yīng)用效果，以便有效掌握學(xué)生對知識體系的理解程度。基于OBECDIO教學(xué)理念，精密機(jī)械設(shè)計綜合教學(xué)質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)可采用多元化、綜合化的評估手段考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、創(chuàng)新能力及學(xué)習(xí)態(tài)度。

相比于傳統(tǒng)的授課方式，基于OBE-CDIO模式的“精密機(jī)械設(shè)計”基礎(chǔ)課堂與實驗教學(xué)模式，符合我國當(dāng)前工程類專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。以多元化的教學(xué)方案貫穿教育過程，基于OBE教育理念的理論課設(shè)計以成果為導(dǎo)向，進(jìn)而確定了翻轉(zhuǎn)課堂和對分課堂相結(jié)合的授課模式，打破了傳統(tǒng)課堂重演示、輕探索的局限性；以CDIO為理念的實驗課從實際工程項目流程出發(fā)，以構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行四個階段為實驗流程，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作精神、創(chuàng)新思維和工程實踐能力。