融合OBE理念與案例教學法的“智能制造系統”課程改革研究

摘要：本研究旨在探討融合成果導向教育（OBE）理念與案例教學法在“智能制造系統”課程改革中的應用與效果，分析了基于OBE理念的課程設計原則和案例教學法在提升學生學習成效、理解能力及實踐技能方面的作用。研究發現該融合模式促進了學生的主動學習，增強了課程內容的吸收與應用能力，同時提高了教學的互動性和實踐性。本研究為“新工科”背景下智能制造專業核心課程的教學改革提供了有益的實踐指導和理論依據。

關鍵詞：智能制造系統；成果導向教育（OBE）理念；案例教學法；課程改革

隨著工業4.0時代的到來，智能制造已成為全球制造業轉型升級的關鍵。在此背景下，工程技術人才的培養也必須與時俱進，不僅要掌握先進的技術理論，更要具備實際應用和創新解決問題的能力。因此，教育模式和教學方法的改革顯得尤為重要，傳統的教學方法已經無法滿足新時代工程技術人才的培養需求。“智能制造系統”作為工程技術教育中的一門重要課程，其教學改革顯得尤為迫切［1］。

以成果導向Outcome-Based Education（OBE）的教育理念［2］強調以學生的學習產出為中心，關注學生的知識、技能與態度的全面發展。OBE旨在通過明確的學習成果目標引導教學活動，確保每一位學生都能達到既定的學習標準。在傳統的教學模式中，教學活動往往過于注重知識的傳授和理論的講解，而忽視了學習成果的具體表現和評價標準，導致學生雖然掌握了大量理論知識，但在實際應用能力、創新思維和解決問題的能力方面卻往往表現不佳。這種現象在國內高等教育體系中尤為普遍，使得教育成果與社會需求之間存在較大差距。OBE理念的引入正是為了解決這一問題，通過轉變教育焦點，從教學過程的投入轉向學習產出的結果，確保教育活動能夠以提升學生的綜合素質和能力為核心。

案例教學法側重于通過具體案例的分析訓練學生的實踐能力和解決問題的能力［3］，在案例分析過程中，學生被鼓勵提出問題、討論不同的解決方案，并對可能的結果進行預測和評估。這種教學模式不僅增強了學生的參與感和積極性，而且還培養了他們的溝通能力和團隊協作精神。更重要的是，它促使學生從錯誤中學習，理解在實際工作中面對失敗和挑戰是成長和進步不可或缺的一部分。此外，案例教學法還能夠幫助學生建立起跨學科的知識體系，因為解決復雜問題往往需要綜合運用多門學科的知識和方法。這種跨學科的學習方式可以增強學生的適應能力，使他們能夠更好地面對未來職業生涯中的各種挑戰。

因此，本研究旨在探討如何將OBE理念與案例教學法有效融合，以實現“智能制造系統”課程的改革與優化。基于OBE教育理念與案例教學法模式，結合揚州大學智能制造工程專業“智能制造系統”課程特點與傳統教學中存在的問題分析了將這兩種方法融合應用的必要性，建立了一套具體的課程改革方案，以期為該課程提供新的教學模式，也為其他工程技術課程的改革提供借鑒和參考。

1 課程教學內容與目標

1.1 教學內容

目前，我校“智能制造系統”課程是智能制造工程專業必修課，共計32學時，內容涵蓋信息物理系統、智能制造系統的架構與模型、新技術，以及離散型智能制造等方面，旨在幫助學生掌握清晰的基礎概念、必備知識及分析和實驗技能。通過結合機械工程的實際需求，課程不僅引導學生學習智能制造的基礎理論，還培養他們分析和解決復雜問題的能力。本課程目的在于分析解決智能制造工程領域復雜問題的能力，成為能從事智能制造系統設計、調試分析和科學研究等方面工作的應用型高級工程技術人才。

1.2 課程目標

本課程作為機械智能制造專業的核心，致力于全面掌握智能制造系統的知識和架構，旨在培養學生的智能制造素養和解決設計問題的能力。學生將通過本課程學習如何應用機械工程和智能技術解決復雜的智能制造問題，識別多種解決方案，構建數字孿生系統，并安全進行智能制造系統的分析、調試和實驗，以及數據采集和優化。課程還將結合行業領先的智能制造系統案例，鼓勵學生在智能化制造過程中創新并提升制造業效能。圍繞國家的“制造業強國戰略”，本課程旨在培養學生的愛國情懷、正確的價值觀，并鼓勵他們擔負起時代賦予的責任，全面提升思想政治素質。所設置的課程目標有如下5點：

（1）課程目標1：培養學生創新意識、職業嚴謹性、工匠精神，以及科學和愛國情懷；

（2）課程目標2：應用智能制造術語和知識，識別和選擇智能制造單元，提出升級措施；

（3）課程目標3：應用智能制造原理和新技術，識別、分析智能制造系統設計，建立架構模型；

（4）課程目標4：針對復雜工程問題設計特定需求的智能制造系統、部件和流程；

（5）課程目標5：運用管理原理和經濟方法科學評判和優化智能制造系統，選擇最佳方案。

2 教學實際中存在的問題

當前“智能制造系統”的先修課程為“計算方法”“機械原理”“機械設計”“工程測試技術”“數控技術”“微機原理”以及“嵌入式技術”等，只有充分掌握上述專業知識，才有望深入理解該課程中的復雜概念和技術。教學實際中，學生可能在先修課程中學到了相關概念和技術，但未能有效地將這些知識應用到智能制造的具體場景中。同時，“智能制造系統”是一門高度實踐性的課程，需要學生將理論知識應用到實際的智能制造項目中。然而，受限于實驗設備、項目資源或課程設計的局限，學生可能發現將課堂所學理論轉化為實踐操作較為困難。本節總結并深入分析了兩個主要問題。

2.1 填鴨式教學導致課程目標難以真正達成

填鴨式教學由于其高效的信息傳遞特性而得到廣泛應用。然而，這種教師為中心的教學方法在促進學生深入學習和發展批判性思維方面存在明顯不足。“智能制造系統”針對具有專業素養的本科高年級學生開設，是一門綜合性核心課程，它要求學生不僅擁有專業基礎知識，還需具備創新意識和問題解決能力。現行教學模式往往專注于事實和概念的解釋，導致學生雖能掌握知識，但難以將其應用于新環境。鑒于課程設定的五個目標，難以充分滿足成果導向教育（OBE）的要求。

2.2 傳統課堂講授不利于培養學生的工程實踐能力

教學實踐表明，“智能制造系統”課程中傳統的課堂講授模式在培養學生工程實踐能力上有顯著局限。本課程的一個核心目標是培養學生將理論知識應用于解決實際智能制造問題的能力，強調了理論知識的理解及其在實踐中的應用。但傳統課堂講授主要側重理論知識傳遞，缺少教師與學生間的互動和反饋，限制了學生在實際操作和問題解決能力方面的培養。此外，傳統教學難以為學生提供充分的實踐機會以面對真實工程挑戰，造成了理論與實踐的脫節。例如，設計和優化智能制造系統涉及復雜決策，要求學生理解并應用技術原理以評估不同設計方案。缺乏實際應用和反饋使得學生難以把課堂理論轉化為解決實際問題的能力。

3 融合OBE理念與案例教學法的課程改革

針對“智能制造系統”課程特點以及實際教學中存在的問題，本文提出了融合OBE理念與案例教學法的課程改革模式，旨在通過明確的學習成果和實際案例的應用，提升教學效果和學生的實際能力。OBE強調以學生學習成果為中心，重視學生在學習過程中的實際獲得，而案例教學法通過具體案例讓學生在解決實際問題中學習和應用知識。下圖1清晰明了地展示了這一課程改革的基本步驟和關鍵要點。

首先，基于OBE理念明確智能制造工程專業的培養目標和畢業要求，確定課程旨在培養的具體能力和知識，確保學習成果具體、可衡量且與學生未來職業發展密切相關。其次，通過精選與學習成果緊密相關的實際案例，并確保案例的多樣性，覆蓋不同情境、問題和行業，以滿足不同學生的興趣和職業方向。在教學實施環節，采用案例討論方法，引導學生圍繞特定主題進行分析、問題識別和解決方案提出。隨后，在成果評估與課程考核中，采用反映學生知識理解和應用能力的評估方式，如項目作業和案例分析報告，超越傳統筆試和口試。最后，以持續改進為目標，定期收集并根據學生和教師的反饋進行調整，更新案例庫和優化教學策略，確保課程內容和教學方式持續適應學生需求和行業發展。通過將OBE理念與案例教學法相結合，課程改革不僅能夠提高學生的學習興趣和參與度，還能夠更有效地培養學生解決實際問題的能力，為學生的未來職業生涯打下堅實的基礎。下文將繼續闡釋案例式教學的具體內容與相應評價考核機制。

3.1 工程案例指導下的課堂教學

根據OBE先進教育理念，設定了滿足畢業要求指標點的“智能制造系統”課程目標，并引入5個工程案例輔助課程講授，具體如下表所示。這些工程案例不僅覆蓋了智能制造系統的關鍵技術和流程，還模擬了工程實踐中可能遇到的挑戰，使學生能夠在解決具體問題的過程中深化對智能制造系統設計、優化及管理的理解。

具體案例內容如下所示：

（1）智能算法建模實例：抽象智能制造場景中常見的優化算法，依托MATLAB或Python語言將優化問題轉變為可執行代碼進行求解。同時以最常見的旅行商優化求解案例導入，拓展學生對凸優化、目標尋優等概念的理解，最終加深對智能制造賦能技術中普遍存在的智能算法及應用的認識。

（2）視覺缺陷檢測實例：通過目前成熟的工業視覺檢測案例引入第三章智能化產品的介紹，基于視覺缺陷檢測示教平臺，讓學生充分理解目前智能化缺陷檢測設備的組成及各部分功能等。同時該檢測實例有效聯動了虛擬識別檢測算法與真實工業CCD相機，進一步加深了同學們對“智能制造系統”課程綜合性的認識。

（3）銑削加工工藝仿真實例：基于VERICUT數控編程、機床仿真和優化軟件進行五軸銑削加工仿真案例的學習，讓同學們深入理解智能設計、制造中蘊藏的數字化內涵。該仿真實例主要包含CAD模型導入與設置、編程和路徑規劃、仿真和驗證、結果分析和調整以及實際加工等環節。通過學習同學們可以在加工前發現并解決潛在的問題，通過優化數控程序和刀具路徑，提高了加工效率和產品質量，避免了成本浪費。

（4）倉儲自動化送料實例：通過綜合應用智能制造系統專業知識，采用博圖軟件、PLCSIM_Advanced軟件以及Process Simulate軟件實現立體倉庫系統的控制程序設計、信號連接通信、運動學參數設計、控制邏輯塊設計、倉庫物料統計、單次出入庫過程仿真等。深入淺出地帶領同學們理解智能生產中涉及的軟硬件交互、數字化、智能化生產等核心內容。

（5）軸承故障診斷實例：以經典的機械裝備預測性維護案例之軸承故障診斷為例，幫助同學們理解智能制造中涉及智能服務的具體應用。其中本案例由傳感器信號采集、信號處理與智能診斷算法搭建組成，有效地將測試與傳感、動態信號分析與處理以及程序設計等課程有效綜合，并依托常見的旋轉機械——軸承為研究、學習對象，讓學生理解并參與智能預測性維護服務中去。

3.2 OBE理念下“智能制造系統”課程考核與評價方式的改革

根據圖1建立的融合OBE理念與案例教學法的課程改革思路圖，“智能制造系統”課程考核與評價將緊密圍繞設定的五個課程目標開展，同步考核平時作業（權重15%）、實驗成績（權重15%）、期中成績（權重20%）和期末成績（權重50%）四個部分。以課程目標4為例，該目標內涵是針對復雜工程問題，要求學生具備設計特定需求的智能制造系統、部件和流程的能力。傳統講授式教學方式難以真正帶領學生掌握智能制造系統、部件和流程設計的能力，因此基于案例教學法思想設立了倉儲自動化送料實例，該實例考核要求同學5～8人一組在仿真環境下完成實例程序并撰寫PLC程序設計、模型構建、調試以及仿真結果報告。

結語

“智能制造系統”課程改革通過整合成果導向教育（OBE）理念和案例教學法，展現了一條創新的教學模式改革途徑。OBE理念專注于學習成效，強調教育的核心目的在于增強學生的實踐技能與職業素養。案例教學法是一種強調實踐的教學方式，它有效結合理論與實踐，促進學生的批判性思維與解決問題的能力。將這兩種方法有效結合，不僅能提升“智能制造系統”的教學質量，還能幫助學生深入理解并掌握智能制造的復雜理念和技術。此改革不僅響應了工程教育中提高學生實踐與創新能力的需求，也為其他機械類課程改革提供了參考模式。

參考文獻：

［1］銀文達，張日亮，銀文通，等.應用型本科機械類專業課程群改革與實踐［J］.科技風，2024，05：133-135.

［2］顧佩華，胡文龍，林鵬，等.基于“學習產出”（OBE）的工程教育模式——汕頭大學的實踐與探索［J］.高等工程教育研究，2014，01：27-37.

［3］尚振國，曹麗娟，高天一，等.基于案例教學的機械制造類課程教學改革研究與實踐［J］.價值工程，2012，31（03）：249-250.

基金項目：2023年教育部產學合作協同育人項目：產教融合的機電液一體化智能制造系統綜合實踐教學改革研究（230803177232807）

通訊作者：丁鵬（1993—），男，江蘇揚州人，工學博士，講師，碩士研究生導師，研究方向：智能制造系統、機電系統智能運維理論及方法。