基于OBE的研究生課程教學改革探討

摘"要：“現(xiàn)代檢測及控制技術”課程是機械專業(yè)學位研究生必修的一門專業(yè)課，傳統(tǒng)的教學模式難以實現(xiàn)學生在知識與實踐應用能力上的全面提升。通過將OBE理念引入該課程教學中，重新規(guī)劃教學設計，優(yōu)化教學內容，構建了以“信號”為主線的七大知識模塊，改革教學模式，采取線上線下相結合的方式，以學生為中心，強化問題導向，引導學生在實踐中學習，在學習中實踐。OBE理念構建了以過程和能力考核為主的考核評價體系，對學生在課前、課中和課后各環(huán)節(jié)的學習情況，以及平時成績、期末成績、實踐創(chuàng)新能力等進行全方位、多維度考核。從而實現(xiàn)學習有目標、考核促成果的目的。

關鍵詞：OBE理念；現(xiàn)代檢測及控制技術；研究生教育；教學改革

中圖分類號：G642

1"概述

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展與進步，自動化、智能化設備在生產中得到了越來越廣泛的應用，大量智能化家居產品也走入了千家萬戶。這些智能設備與產品已經不是傳統(tǒng)意義上的機械產品，而是集機械、檢測、控制、計算機及人工智能等技術于一體的高度集成的現(xiàn)代化設備或產品。相關的技術涉及機械工程、控制科學與工程、計算機科學與技術、儀器科學與技術、軟件工程等多個學科，這要求工程技術人員必須具備更豐富的專業(yè)知識和更強的實踐應用能力，同時對高校的人才培養(yǎng)也提出了更高的要求。機械專業(yè)學位研究生作為面向工程應用的高層次專業(yè)人才，必須適應這種需求的變化，學習相關的專業(yè)課程，開展相應的實踐訓練。［1］

為適應社會對機械類專業(yè)研究生能力素質的要求，全國專業(yè)學位研究生教育指導委員會編寫了《專業(yè)學位研究生核心課程指南（試行）》，其中規(guī)定，機械專業(yè)學位研究生須開設傳感控制類核心課程。“現(xiàn)代檢測及控制技術”課程就是面向社會需求，為機械專業(yè)學位研究生了解和掌握傳感和控制等技術相關知識而開設的一門專業(yè)基礎課程，內容涵蓋現(xiàn)代檢測技術和控制技術的多個領域，如傳感器技術、數據采集、信號分析、控制系統(tǒng)設計等。［2］

對于機械類專業(yè)研究生來說，其本科階段學習的有關測試、信號分析和控制等相關課程較少，基礎薄弱，而且這門課程中每一部分的內容都是一個獨立的體系，內容較多，學生學習時的畏難情緒較重。傳統(tǒng)的教學方法主要以理論講解為主，輔以少量實驗，學生在學習過程中的主動性不夠，學習目標性不強，概念理解困難，缺乏自主性和創(chuàng)新性，這與社會的實際需要相比存在較大差距。針對這些問題，嘗試在教學中引入OBE理念，改變課程的教與學方式，充分發(fā)揮學生在學習中的主體作用。［3］

2"OBE理念的概念及教學模式

OBE（Outcomesbased"Education）是一種基于成果導向的教育理念和教學模式。以學生學習成果為中心，來規(guī)劃設計課程及教學活動，并對教學效果進行評估和持續(xù)改進，以達到明確學習目標、提升學生自主獲取知識的能力、增強專業(yè)素養(yǎng)、提高實踐能力的目的。

OBE教學模式強調學習成果和能力培養(yǎng)，以社會對人才的能力素質要求作為預期產出目標，然后反向思考，將預期產出目標進行分解，通過對教學過程的設計和改進，以及建立評價體系來保證目標的達成，這種理念與專業(yè)學位研究生培養(yǎng)的要求是一致的。因此，在“現(xiàn)代檢測及控制技術”課程中引入OBE理念，可有效提升教學效果和教學質量。［45］

3"“現(xiàn)代檢測及控制技術”課程的教學內容

“現(xiàn)代檢測及控制技術”課程的教學內容主要包括緒論、誤差分析、傳感器、信號分析基礎、數字信號處理、人工神經網絡、計算機控制等。緒論主要對檢測及控制系統(tǒng)的基本概念、課程教學目標、相關技術的應用及發(fā)展現(xiàn)狀、技術前沿趨勢等進行介紹；誤差分析是對檢測獲取的數據進行誤差分析與處理，主要介紹數據誤差的基本概念、性質和處理方法；傳感器主要介紹一些在工程應用中常用的新型傳感器，如射線傳感器、超聲傳感器、光纖傳感器、圖像傳感器等新型傳感器及其應用；信號分析基礎主要介紹信號分析與處理的基本概念、方法，如時域、頻域信號處理的基本方法及物理意義等；數字信號處理著重介紹數字信號分析與處理的方法，如模擬信號的離散化、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換、數字信號處理等，以便用計算機對采集到的信號進行處理；人工神經網絡主要是介紹神經網絡的基本概念、組成原理以及常見的感知器和算法等；計算機控制主要介紹計算機控制系統(tǒng)的組成、控制模型、接口技術及工業(yè)應用等。［67］

4"基于OBE理念的課程教學改革目標

“現(xiàn)代檢測及控制技術”涉及信號的傳感、檢測、分析處理及控制等內容，具有很強的實踐性，在課程教學過程中融入OBE理念，將傳統(tǒng)的以教師講解為主、學生跟隨式學習的授課模式轉變?yōu)橐詫W習成果為目標，以學生為中心、教師為引導，教學評價為促進的持續(xù)循環(huán)改進模式。［8］

4.1"教學目標規(guī)劃

“現(xiàn)代檢測及控制技術”課程涵蓋的內容較廣，需要研究生在本科階段先修相關課程，由于各高校機械類專業(yè)本科課程設置的差異，以及機械類專業(yè)學生在信號及控制類課程方面的基礎相對薄弱，因此要結合人才培養(yǎng)目標及社會對機械類專業(yè)人才的要求，充分體現(xiàn)課程的應用性和職業(yè)特點，規(guī)劃制定合理的教學目標。

4.2"教學內容重塑

根據教學目標要求，重塑教學內容。“現(xiàn)代檢測及控制技術”課程的內容本質上是圍繞信號來展開的，無論檢測還是控制都是對信號進行變換、處理和利用，因此以信號為主線，可以將各部分內容有機串聯(lián)起來，包括信號的檢測、轉換、獲取、分析、處理與控制等。每一環(huán)節(jié)的內容既有理論知識，也有實踐應用。

4.3"教學資源重組

課程的教學需要有大量的資源來輔助，隨著網絡技術的發(fā)展和新媒體的出現(xiàn)，教學資源也越來越豐富，形式也越來越多樣化。大量的應用案例可以通過建立項目案例庫引入教學之中，將理論學習放在實踐應用的環(huán)境下來開展。同時建立線上教學資源，學生可以線上、線下相結合，實現(xiàn)泛在學習，自主學習。

4.4"教學模式重構

OBE理念的一個重要特征是以學生為中心，以問題為導向，以探究為重點。讓學生成為教學活動的主體和核心，教師根據教學目標以及學生的特點來開展教學活動，激發(fā)學生主動學習和自主學習的能力。在“現(xiàn)代檢測及控制技術”教學設計中，將信號檢測與控制的各環(huán)節(jié)與工程應用結合起來，通過設定問題來引導學生探究其中的理論，主動學習相關知識點，以工程項目為驅動來引導學生尋求問題的解決方案。將傳統(tǒng)的以“教”為主的課堂轉變?yōu)橐浴皩W”為主的活動。［9］

4.5"教學評價改善

OBE教育理念強調對學生學習成果進行評價，從而持續(xù)改善教學方法。通過對評價方式的多樣化、過程化改革，改變傳統(tǒng)的一站式考核模式，即以期末考試成績?yōu)橹鳎o以少量平時成績的考核模式，變?yōu)閺娬{過程考核，對學生能否運用所學知識解決實際問題、是否具有創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力等進行考核，考核包括筆試、口試、項目報告、實踐操作等形式。［10］

5"基于OBE理念的課程教學實踐

5.1"構建知識體系，優(yōu)化教學內容

“現(xiàn)代檢測及控制技術”課程總學時數為36學時，根據《專業(yè)學位研究生核心課程指南（試行）》相關要求和學校對機械專業(yè)學位研究生培養(yǎng)的目標定位，適當考慮學生的相關知識基礎，對課程的教學內容和知識模塊進行合理選取和優(yōu)化組合。“現(xiàn)代檢測及控制技術”課程構建了以信號的變換、獲取、分析、處理和應用等環(huán)節(jié)為線索的知識體系。通過本課程的學習，學生可以系統(tǒng)掌握現(xiàn)代檢測與控制技術基礎知識，培養(yǎng)學生對工程信號進行檢測、分析和處理的能力，以及了解人工智能與計算機控制技術的發(fā)展與應用。根據教學目標要求和教學內容特點，將課程內容分為七大知識模塊：基礎知識、檢測系統(tǒng)誤差分析與處理、工程新型傳感器、信號分析基礎、數字信號分析、人工神經網絡、計算機控制系統(tǒng)。課程的知識模塊及主要教學內容如圖1所示。［11］

圖1"現(xiàn)代檢測及控制技術課程知識模塊及主要教學內容

在基礎知識模塊中，主要對檢測與控制相關的一些基本概念進行描述，使學生對課程的內容有一個大體了解。檢測系統(tǒng)誤差分析與處理模塊主要是對檢測數據進行分析和處理，提高數據的有效性和準確性。工程新型傳感器模塊是介紹工程中常用的一些新型傳感器，傳感器是信號檢測的前端元件，其功能與特性決定了信號檢測的范圍與精度，是信號轉換與獲取的關鍵環(huán)節(jié)。信號分析基礎模塊主要是對檢測得到的信號進行處理，掌握一些常用的時頻域處理方法。數字信號分析模塊則是重點介紹模擬信號的數字化方法，以及現(xiàn)代數字信號處理的相關技術。人工神經網絡模塊中主要是學習如何利用人工神經網絡技術來對控制參數進行優(yōu)化，以實現(xiàn)機電設備的智能控制。計算機控制系統(tǒng)模塊是將計算機控制技術引入工業(yè)控制中，通過計算機的高度集成化，實現(xiàn)設備的自動化、智能化控制。七大知識模塊看似零散，但其實是有一根主心骨，那就是“信號”，主要涉及兩方面內容，一是信號的變換與獲取，二是信號的分析、處理與利用，由此構建起課程的知識體系，如圖2所示。

圖2"“現(xiàn)代檢測及控制技術”課程知識模塊體系

5.2"改革課堂模式，強化實踐應用

基于OBE理念，學生是課堂和課程學習的主體，這與傳統(tǒng)的以教師為中心的教學模式有著很大的不同。作為更高層次的人才培養(yǎng)，研究生教育就是要培養(yǎng)學生自主學習專業(yè)理論知識、獨立解決工程實際問題的能力，對專業(yè)學位研究生來說，實踐與應用能力的培養(yǎng)才是人才培養(yǎng)的關鍵。因此，要改變傳統(tǒng)的教學方法，建立以工程實際問題為引導的新模式，通過分析問題、解決問題，達到學習相關理論知識、鍛煉實踐應用能力的目的。例如，在學習檢測系統(tǒng)誤差分析與處理這一部分內容時，教師可以提前準備一些測量工具，在講解內容前，先用兩種不同的方法測量同一個長度的物體，再用第三種方法測量另一個不同長度的物體，三種方法的測量誤差各不相同，讓學生來比較一下各自的測量精度，從而引出絕對誤差、相對誤差的概念。在此基礎上，可以利用一只2.5級、量程為100V的電壓表讓學生來測量電壓，發(fā)現(xiàn)測量值為50V時誤差最大，誤差值為2V，而其他測量值的誤差均小于2V，讓學生判斷這只電壓表是否合格，以此引出引用誤差的概念。有了這些小實驗的鋪墊，再通過一些工程上的測量實例，引導學生分析誤差的來源以及掌握測量數據的誤差處理方法。在學習工程新型傳感器這部分內容時，以工程實例來引出問題，比如學習核輻射檢測裝置時，以鋼鐵企業(yè)測量熱軋鋼板厚度的方法為例子，讓學生用之前學過的一些常用傳感器來設計一套測量方案，在課堂上教師與學生一起來分析、討論學生提出的測量方案，找出其中存在的問題，尋求解決辦法，最后引出利用伽馬射線來進行測量的方法。在學習數字信號分析相關內容時，可從一段模擬信號入手，引導學生思考如何讓計算機來處理這些信號，需要采用什么方法將其輸入計算機，計算機如何進行傅里葉變換，分析用計算機直接進行傅里葉變換面臨的困難，需要解決的關鍵難點，引出離散傅里葉變換的原理。通過分析離散傅里葉變換的計算工作量，引發(fā)對計算速度的思考，從而導出快速傅里葉變換FFT的變換原理。在理解了相關理論知識后，可以安排學生上機操作，學習使用MATLAB軟件來進行信號的分析與處理。

為更好地利用有限的課時，豐富教學內容，本課程還充分融合了線上教學資源，以線上線下相結合的方式實施課程教學。學生可以課前在線學習課程相關內容，教師在課堂上的主要任務是引入問題，引導學生思考和尋求解決方案，通過與實踐相結合，從而深入理解相關理論。學生在課后通過線上資源鞏固和復習所學內容，還能通過線上測試、討論和項目任務等方式檢驗學習效果，提升實踐應用能力。［12］

5.3"完善教學評價體系，突出實踐創(chuàng)新能力

學習成果考核是OBE理念中的一項重要內容。在考核評價中既要體現(xiàn)學生對課程理論知識的掌握情況，還要考查學生的實踐應用能力以及創(chuàng)新能力的提升情況。因此，要建立一套適合本課程，覆蓋教學各環(huán)節(jié)，反映學生知識、能力、素質的考核評價體系，見下表。

課程考核主要分為過程與能力兩大考核目標，過程目標考核主要對課前、課堂、課后這三個環(huán)節(jié)進行分項考核，反映學生在課程學習中的主動性和過程目標完成情況，能力目標考核是對學生的實踐應用能力和知識素養(yǎng)能力進行考核，反映學生對相關知識點的掌握情況，以及實踐應用能力的提升情況。建立教學評價體系，促進學生學習的主動性和積極性，使學生成為學習的主體，而不是跟隨者，真正實現(xiàn)以學生為中心的教學體系。［13］

結語

研究生教育是以培養(yǎng)學生獨立開展工作的能力為目標的，將OBE理念引入“現(xiàn)代檢測及控制技術”課程中，可以很好地將這種自主獨立學習能力貫穿到課程教學中，學生能在主動學習的過程中，獲取知識，鍛煉實踐應用能力，達到培養(yǎng)目標要求。“現(xiàn)代檢測及控制技術”課程涉及的知識范圍較廣，根據機械類專業(yè)研究生的實際需要，構建了七大知識模塊，并建立相應的線上資源庫，實現(xiàn)線下教學與線上學習的高度融合，通過過程與能力相結合的考核體系，引導并促使學生主動學習與思考，保證教學目標的完成，很好地解決了教與學，學與產出之間的矛盾，為提高研究生培養(yǎng)質量提供了保障。

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基金項目：2023年河南省研究生精品在線課程項目，編號：YJS2023ZX12；2023年河南省高等教育教學改革研究與實踐項目（研究生教育類），項目編號：2023SJGLX048Y

作者簡介：張雪松（1971—"），男，漢族，四川達州人，博士，教授，研究方向：機電設計與制造；劉信香（1973—"），女，漢族，湖北荊門人，碩士，館員，研究方向：科技情報研究。