基于OBE理念的“MATLAB及工程應用”教學及評價體系改革

孔俊超 鄭祥 路玲

摘?要：基于OBE理念，結合工程教育認證要求和課程自身特點，改變傳統教學重教輕學的不足，構建學什么、怎么學、如何多學、學得如何為主線的教學及評價體系。以畢業要求指標點的達成度量化學生學習情況，突出培養學生的編程能力、協作能力、創新能力，滿足社會對本專業人才能力的需要。

關鍵詞：OBE；MATLAB；工程應用

中圖分類號：TH111；G642.0??文獻標識碼：A

Abstract：Based?on?the?concept?of?OBE，this?paper?combined?with?the?requirements?of?engineering?education?certification?and?the?characteristics?of?the?course，to?change?the?deficiency?of?traditional?teaching?of?pay?more?attention?to?teaching?than?learning.Build?a?curriculum?system?that?focuses?on?what?to?learn，how?to?learn，how?to?learn?more，and?how?to?learn.To?quantify?students'?learning?situation?based?on?the?degree?of?graduation?requirements.Highlight?the?cultivation?of?students'?programming?ability，collaboration?ability，and?innovation?ability，and?satisfy?the?society?needs?for?the?talent?ability?of?this?major.

Keywords：OBE；MATLAB；Engineering?application

1?概述

“MATLAB及工程應用”課程是一門以高等數學、線性代數、C語言、理論力學、機械原理等課程為基礎的機械類專業課程［1］。通過本課程的學習，學生能夠掌握矩陣運算和函數文件創建，并分析實際工程中常見機構的運動學、動力學特性，從而培養學生的編程能力、協作能力、創新能力［23］。傳統教學通常是以教師為中心，學生被動學習，教學效果不理想［4］。OBE的教學理念是成果導向教學，以學生為中心，更注重學生的學［5］。而工程教育專業認證也是從“教師的教為中心”變為“學生的學為中心”，突出培養學生的能力［67］。因此，基于OBE理念的工程教育專業認證的“MATLAB及工程應用”課程教學改革十分有必要。

2?課程的畢業要求

根據本校以應用型學科專業建設為重點，立足地方，面向行業，深化產教融合的辦學定位［8］。結合機械設計制造及自動化專業應培養具備創新精神、實踐能力、團結協作能力的高素質應用型人才，制定12條畢業要求和29個指標點。結合“MATLAB及工程應用”課程的特點和畢業要求，課程畢業要求教學目標，如表1。即學生能對機械工程領域問題建立數學模型，能基于自然科學、機械工程的科學原理正確表達工程問題。

2.2?能基于自然科學、機械工程的科學原理正確表達工程問題

利用MATLAB分析實際工程中常見機構的運動學、動力學特性及優化設計問題

3?基于OBE理念的課程教學體系

為適應本校的應用型高校中“應用”辦學定位，匹配工程教育專業認證的要求，“MATLAB及工程應用”課程的教學體系亟須改革。結合本課程特點，基于OBE理念的工程教育專業認證“MATLAB及工程應用”的教學模式，本課程主要包括學什么、怎么學、如何學、學得如何四個方面。

3.1?學什么

“MATLAB及工程應用”的教學體系包括理論教學和實踐教學兩部分，著重加強實踐教學環節，本課程總學時為32學時，根據5年的教學經驗將理論教學學時大大縮短，強化上機實踐編寫程序的能力。具體學時分配為理論學時16課時，上機實踐16課時。

理論教學包括課堂教學、習題訓練、線上網絡自學三部分。課堂教學不僅只是簡單的編程基礎，還包括實際的工程應用。課堂教授if判斷語句時，不再是分段函數的編寫，還應結合工程中鉸鏈四桿機構類型的判斷。首先給定四桿的桿長，學生由機械原理的理論知識判斷機構的類型；再結合if判斷語句分析機構的類型；最后通過input函數輸入任意桿長也可得出機構類型。設計規范、可讀性高、有創造性的程序。

習題訓練包括線上和線上資源，共7次作業。線上網絡自學包括9章，可供學生課后自學所用，提供給學生感興趣的內容課后自學。

工程實踐為工科類專業學習的重點，與工程實踐相脫節，學習無意義。實踐教學16課時，分為MATLAB基礎教學（6課時）和復雜工程實例分析（10課時）兩部分。MATLAB基礎教學包括向量、矩陣的創建及運算；函數文件創建和二圖形可視化。復雜工程實例分析包括常見機構的運動、力學特性分析和常見機構的優化設計。

建立工程實例的數學模型需讓學生獨立思考各參數的關系，分辨自變量和因變量。不能只按照書本和文獻照本宣科、機械化抄寫程序，應融入設計者的創造性構思。尤其設計新機器和未知機械時，沒有說明書和模板也能建模和編程分析。注重理論的同時，更注重結合實踐培養學生的創新能力。

3.2?怎么學

首先通過案例分析讓學生產生興趣，并提出問題；其次通過啟發式教學引導學生思考，使學生能達到主動思考、主動提問、主動總結；再將班級按人數分為若干組，對重難點進行小組討論；最后教師講解共性問題。

分析鉸鏈四桿機構的運動特性分析，首先從學生熟知的雷達仰俯機構圖解法入手；其次讓學生思考數學中常用的向量投影法或復數矢量法在位移模型中的應用；再將學生分成6人一組，討論重難點一：投影法得出位移模型方程，重難點二：循環和矩陣點乘的應用；最后，歸納總結投影法或復數矢量法得出位移模型方程的方法以及編程出現的共性錯誤。既加強學生之間的協作能力，更能激發學生的學習的主動性，提高學生對編程的好奇心。

3.2.1?線下教學

在實驗教學中，借助MATLAB的強大計算能力，可以進行機構運動學、機構動力學、常用零件設計及選型、機構優化四部分。十二個實驗項目都為設計性及綜合性實驗項目，此實驗教學方法可鞏固課堂理論知識，更能提高學生的編程能力及對常見機構和零部件優化。

項目化教學不僅可以傳授基礎的理論知識，更注重培養學生的工程實踐能力，調動學生的積極性和激發學生的興趣。鑒于實驗課堂課時有限，由學生根據自身所學理論知識及興趣開展三個項目。線性代數較薄弱的學生著重講解機構矩陣方程的轉化；高數薄弱的學生則重點求解機構中速度和加速度方程。結合實際工程實例中最常見的機構分析，符合我校地方應用型高校的辦學定位和機械及材料等專業培養目標。

3.2.2?線上教學

“超星學習通”中創建所有班級并發布相應的教學視頻資源、課件和習題，討論區中創建學生共性問題，并讓學生積極討論發布自己看法。如分析鉸鏈四桿機構的運動特性分析時，必須先了解運動的特性具體包括哪些？分析曲柄滑塊機構力學特性時，讓學生思考數學模型是如何建立的？掌握齒輪優化設計時，討論齒輪的基本參數有哪些？常見零件選型及校核時，相關參數化設計，針對圖表的公式化，需要學生參考文獻中擬合公式，如單根V帶的額定功率、鏈號的選擇、齒輪的齒形系數和重合度系數的公式擬合。

目前已建立豐富的線上資源供學生自學其他實驗項目，并選擇其中一項上傳編寫的程序和結果，不僅能激發學生的學習興趣，給學生更多的自由度，還能督促學生強化自身編程能力。彌補實驗手段和實際儀器的緊缺，還能培養學生的創新能力，為學生自行設計創新實驗打下堅實的基礎。

3.3?如何多學

本課程安排在第5學期，授課對象主要為機械設計制造及其自動化專業的大三學生。學生大多數通過計算機C語言二級，有一定編程基礎，容易掌握M語言的基礎數值。課堂理論授課時只著重講解編程易錯點和核心知識點矩陣的創建。常見機構的運動學和力學特性分析的圖解法在機械原理課程已學習，解析法也有初步的了解，進一步查閱文獻即可得出模型方程。以齒輪的幾何尺寸計算為例編寫函數文件時，只介紹如何輸入基本參數：模數m和齒數z，編出分度圓直徑d，學生即可舉一反三得出齒頂圓da、齒根圓df1、基圓直徑db以及重合度εα。

上機前兩次為MATLAB編程基礎，后六次結合學生學習情況為8選5的實際工程案例分析，其余學生課后自學完成。課后大作業中是一次囊括課程所有知識點的綜合性練習，學生可根據自身學習情況在課題中二選一。學生必須熟練掌握課上所學內容，更需要學生課下參考文獻分析模型，多人協作討論建模的疑難點，編程出錯時需要自我查錯補漏，爭取設計出更易讀、通用高、人性化、有創新性的程序。

3.4?學得如何

如表2，傳統的教學評價只將課程的學習籠統地分為平時的作業、出勤和實驗，以及最終的期末試卷考核。嚴重忽略通過課程的學習，學生能力是否提高，畢業要求能否達到，能否培養解決實際工程問題的能力。

如表3，OBE教學評價通過課程目標達成度的形式考核，更注重學生的學為中心，畢業要求達成的評價主要采用試卷、作業、實驗等形式的成績為基礎。根據畢業要求指標點的支撐權重折算進行定量分析。學生完成表3的畢業要求指標1.4和2.2，對應的作業（20%）、實驗（30%）和考查（50%），可提高學生創新能力與實踐能力、解決復雜工程實例的能力。

“MATLAB及工程應用”課程授課內容嚴格按照教學大綱的要求，覆蓋全面，包含編程基礎和工程應用兩個方面。包括《MATLAB基礎與編程入門》中第一、二、三、四、六章及《機械原理MATLAB輔助分析》中第一、二、三章，共八章，覆蓋面廣，信息量大。

從課程達成度看，兩個班級的兩個課程目標達成度都在0.82以上，同時2個班級達成度差異并不大，也說明學生對所學內容的整體掌握情況良好。但課程目標2的達成度為0.83，比課程目標1的達成度低0.4，一部分原因是課程目標1是MATLAB基礎知識，課程目標2為結合工程實例的MATLAB應用，目標2的難度較大。說明課程目標2有待進一步加強學習。優秀、良好、中等、及格，不呈現標準的正態分布，同時課程目標達成度在0.82以上。一方面，“MATLAB及工程應用”課程課上采用上機教學，且另有單獨的上機實驗，學生較為感興趣，學習積極性較高，大部分學生學習主動性強；另一方面，試卷雖然有A卷和B卷且試題對學生的機械專業知識和編程綜合能力有較高的要求，需要學生靈活運用所學知識，但核心知識點學生課上和課下都能很好地反復學習，因此成績整體良好。

5?結論

“MATLAB及工程應用”課程傳統教學通常以教師的教為中心，學生被動學習，教學效果不理想。OBE教學理念以學生為中心，結合工程教育專業認證要求和本課程的特點，改變“MATLAB及工程應用”課程傳統教學中重教輕學的不足。構建以學什么、怎么學、如何多學、學得如何為主線的新課程體系，采用畢業要求指標點的達成度量化學生學習情況，突出培養學生的編程能力、協作能力、創新能力，滿足社會對本專業人才能力的需要。

參考文獻：

［1］溫建明，馬繼杰，程光明.基于MATLAB的機械優化設計課程數字化教學改革［J］.吉林省教育學院學報，2011，27（05）：8182.

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［3］莫景文，曾嘉瑩，沙菁，等.設計原理與方法課程教學改革研究與實踐［J］.機械設計，2018（35）：6062.

［4］代光輝，張晴晴，許雪艷.機械專業創新創業教育內涵、機制、路徑之探討［J］.黑龍江教育（理論與實踐），2020（09）：2728.

［5］李永湘，何曉芬，張衛華.Matlab軟件在機械原理課程OBE教學改革中的應用［J］.內燃機與配件，2019（19）：245246.

［6］張磊，于濤，馬國清，等.基于工程教育專業認證的“機械原理”課程教學改革探索［J］.科教文匯（中旬刊），2020（04）：6770.

［7］于克強，劉元林，宋勝偉.基于工程教育專業認證的機械原理OBE教學模式的構建［J］.教育教學論壇，2020（27）：246247.

［8］應用技術大學（學院）聯盟、地方高校轉型發展研究中心，地方本科院校轉型發展實踐與政策研究報告［R］.2013.

基金項目：巢湖學院精品線下開放課程《MATLAB及工程應用》（ch20kfk10）；巢湖學院校級自然科學研究重點項目（XLZ202205）；巢湖學院教學研究重點項目（ch22?jxyj05）；安徽省教育廳高等學校省級質量工程項目（2022?zybj065）

作者簡介：孔俊超（1990—?），男，安徽合肥人，碩士研究生，講師，研究方向：機械設計及摩擦磨損。