新工科背景下基于OBE-CDIO理念的機械系統設計教學改革與實踐

摘 要 新工科建設背景下，傳統的機械系統設計課程教學模式已無法滿足行業和學生的發展需要。面對新工科建設提出的培養創新型卓越工程人才的要求，基于OBE-CDIO理念對機械系統設計課程教學模式進行改革與創新，通過將OBE與CDIO理念融為一體，堅持以學生為中心，實施項目式教學，針對產業需求制定課程培養目標，從優化課程教學內容、改進教學方法、有機融入思政元素、加強校企合作、提高學生創新能力、完善課程考核方式等方面進行探索與實踐，從而激發學生的學習興趣，改善課程教學效果，提升學生的工程應用能力和實踐創新能力，進而提高人才培養質量，為機械類專業課程教學改革提供有益參考。

關鍵詞 新工科；OBE-CDIO；機械系統設計；課程思政；校企合作；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）20-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.097

0 引言

新工科是教育部于2017年正式推出的高等工程教育改革計劃，為高校工科專業的建設發展指明了方向[1]。當前，社會經濟快速發展與產業升級轉型，對機械工程專業人才培養質量提出更高的要求。傳統的機械類課程教學模式已暴露出諸多不足，無法滿足新工科建設提出的培養創新型卓越工程人才的要求，因此，亟須通過教學改革與創新有效提升人才培養質量。

已有多名學者對機械類課程進行了改革與創新。例如：劉小勇等[1]和李映君等[2]在新工科背景下對機械原理課程開展教學改革；蔣鑫[3]介紹了機械制造技術基礎課程教學改革的途徑；王小章等[4]對精密機械與儀器設計課程教學進行了探索；孫曼鈺等[5]對機械CAD/CAM課程教學進行研究；熊建強[6]對機械設計基礎課程進行教學改革。在機械系統設計課程教學改革方面，張子騫等[7]、徐鵬等[8]、王龍飛[9]、成煥波等[10]、邱明明等[11]、鐘宇光等[12]、向陽等[13]分別進行了相關探索與實踐[7-13]，雖取得一些成果，但并未徹底改變傳統的以教師講授為主、學生聽課為輔的教學模式，未能徹底改變教學中重理論輕實踐的情況，未形成完整的課程教學體系，仍處于實踐摸索階段。

根據新工科建設的內涵與要求，將目前高等工程教育改革的主流理念OBE（Outcomes-based Education）與CDIO（Conceive，構思；Design，設計；Implement，實現；Operate，運作）有機融為一體并應用于機械系統設計課程教學改革中，堅持以學生為中心，強化項目式教學，通過優化課程教學內容、改進教學方法、融入思政元素、加強校企合作、提高學生課外創新能力、完善課程考核方式等，構建較為完整的課程教學體系，提升課程教學質量與學生的工程應用能力和實踐創新能力，為其他課程的教學改革與實踐提供參考。

1 機械系統設計課程教學中存在的問題

機械系統設計課程是本科院校機械類專業的一門專業必修課[12]。該課程旨在讓學生從系統的觀點了解一般機械產品整機設計的規律和特點，掌握機械產品設計的基本方法和技術[13]，培養學生綜合運用所學基本理論和基礎知識從事整機設計與創新設計的能力。然而，傳統的機械系統設計課程教學模式已無法滿足新工科建設提出的培養創新型卓越工程人才的要求，主要存在以下幾個問題。

1.1 教學內容抽象、枯燥，難以激發學生的學習熱情

機械系統設計課程專業性較強，教學內容具有一定的綜合性，所包含的基本理論和基礎知識多而雜，有些概念比較抽象，不容易理解；有些內容（如常見的執行機構、有級變速傳動系統的運動設計、經典控制理論等）與機械設計、機械制造裝備設計、機械控制工程等課程內容存在重復；所用教材內容更新較慢，缺少體現專業知識綜合應用能力與創新能力培養、適應產業發展與時代需求的案例。因此，學生在學習機械系統設計課程時往往感到枯燥乏味、難懂、難應用，學習興趣和熱情較低。

1.2 重理論知識講授而輕實踐與創新能力訓練

調研機械工程專業人才培養方案與課程體系設置情況，機械系統設計課程一般為48學時或32學時，其中理論講授環節占據大部分學時，而實踐部分只有6學時或4學時。在實際教學過程中，由于總學時的限制，課堂教學主要以教師講授、學生聽課的方式進行，實踐環節一般只安排2個或3個實驗，通過分組讓學生自己動手完成。這些實驗雖然讓學生對現有機械裝備的組成、設計與制造過程有一定了解，但在引導學生將所學的基本理論和方法用于實際產品的設計以及對現有機械產品進行改進與創新方面還有很大改進空間。而且實驗學時太少，這就導致學生缺乏實踐訓練和自主學習與創新設計的機會。

1.3 課程思政建設存在問題

教育部印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》中指出，要注重強化學生的工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當[5]。在機械系統設計課程實際教學中，授課教師往往側重于講解機械產品設計的一般規律、基本理論及方法，很少深入探索這些理論知識背后的故事，沒有深入挖掘思政元素。另外，思政元素融入的方式不夠靈活，思政元素融入點有時不夠準確，與課堂中所列舉的教學案例難以融合。因此，在進行課程思政時略顯生硬，使學生感到專業知識與思政內容是“兩張皮”，很難激發學生對機械行業的責任感和使命感。

1.4 課程考核方式缺乏全面性與靈活性

機械系統設計課程的考核通常包含平時考核與期末考試兩部分，其中平時考核包括作業、實驗報告、課堂考勤與提問等部分，成績占總成績的30%左右；期末考試采用閉卷形式，占總成績的70%左右。這種考核方式偏重于考核學生對基本概念、基本原理、基本方法等理論知識的掌握程度，而對于學生是否能夠將所學理論知識應用于工程實踐則無法真實、客觀地評價與考核，缺乏全面性與靈活性。

2 基于OBE-CDIO理念的機械系統設計教學

改革實踐

OBE教學模式堅持以學生為中心的教育理念，注重學生能力的培養，強調學校根據行業需求制定人才培養目標，在教學中遵循反向設計、正向實施、持續改進的原則。CDIO教學模式的核心是在課程中實施“做中學、學中做”，以項目為載體驅動教學，實現理論知識與工程實踐能力的有效融合，提高學生的工程應用、創新設計、溝通交流與團隊協作等能力[6]。可見，OBE理念給出了培養目標和方向，而CDIO理念則給出了培養方法和模式，二者相輔相成。

針對機械系統設計課程教學中存在的問題，基于OBE-CDIO理念進行教學改革與實踐，構建成果導向和項目驅動的課程教學體系，改革內容主要包括以下六個方面。

2.1 優化課程教學內容

2.1.1 確定人才培養目標

基于OBE-CDIO理念，根據當前行業用人需求以及《工程教育認證標準》中對本專業培養學生的12種能力要求，并考慮學生畢業若干年后的職業可持續發展需求，結合學校辦學定位與導向，對機械工程專業人才培養方案進行修訂，確定機械工程專業人才培養目標；根據專業人才培養目標確定畢業要求，建立畢業要求對培養目標的支撐矩陣；根據專業畢業要求設置課程體系，建立課程體系對畢業要求的支撐矩陣，明確課程的預期學習產出成果；結合機械系統設計課程自身的特點最終確定這門課程的培養目標。要緊緊圍繞學生的發展來確定培養目標與畢業要求。

2.1.2 依據培養目標修訂教學大綱

現代機械不斷向輕質、高精度、智能化等方向發展，對機械系統設計提出更高要求。學生通過學習機械系統設計課程，可以具備分析和開發性能良好且具有市場競爭力的機械產品的初步能力。因此，在安排機械系統設計課程教學內容時應符合時代與行業的發展需求，與時俱進，體現新工科的要求。根據預期學習產出成果來梳理機械系統設計課程中的基本理論與知識點，剔除或者簡要介紹與其他課程重復的相關內容，增添涉及學科前沿的知識、技術及方法，設計與工程實際相結合的教學案例與項目，突出課程的重點、難點，重組該課程的知識結構等，以此來精準支撐機械系統設計課程的培養目標，優化課程教學內容。

2.2 改進教學方法

在機械系統設計課程教學中，面對新工科建設要求，引入OBE-CDIO理念，打破傳統的以教師為中心的授課方式，轉變為以學生為中心的成果導向與項目驅動的教學模式，在有限的課時內最大限度地培養和訓練學生的工程實踐與創新能力。一方面將實驗內容改為項目設計形式并貫穿教學的全過程。在課程一開始就把項目設計任務布置給學生，組織學生分成若干小組，結合工程實際進行選題，每組確定一個要完成的項目，按照所學機械系統設計的一般過程設計一項機械產品，或是對現有機械產品進行改進與創新，帶著項目任務學習理論知識。另一方面，課前通過超星學習通、釘釘、雨課堂等線上教學軟件布置預習任務并收集學生所提問題；課中通過結合工程案例、所需完成的項目講解基本理論與知識，并及時與學生互動，了解學生的知識掌握與應用情況，回答學生課前所留疑問；課后讓學生圍繞自己的項目理解、消化、應用課堂所學內容，分組協作完成機械產品的設計。

這種以項目為載體、任務驅動的教學模式讓學生在“做中學、學中做”的過程中將理論知識與現實問題相融合，所有需要學習和掌握的內容都圍繞項目進行，極大地激發了學生的學習興趣和熱情。課程教學不再是教師滿堂灌、一板一眼的說教，而是強調以學生為中心，把學生核心能力與素養的培養貫穿整個教學過程，注重為學生提供實踐訓練以及自主學習與創新設計的機會。這種教學模式可以增強課程教學效果，提高學生應用所學知識分析和解決實際問題的能力，培養學生的創新思維能力，提升工程應用型人才的培養水平與質量。

2.3 有機融入思政元素

課程思政是高校落實立德樹人根本任務的關鍵步驟[14]，也是當前課程改革的新趨勢[2]。在機械系統設計課程教學中，教師不僅要讓學生達成本課程的培養目標，還要幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀和價值觀，將知識傳授、能力培養和價值塑造融為一體，進行全方位育人，把學生培養成有理想、有擔當的卓越新工科人才，更好地服務社會發展。因此，基于OBE-CDIO理念對機械系統設計課程進行改革時，必須加強課程思政建設。

首先，教師應不斷提高思政和業務能力，以身作則、言傳身教、行為世范。

其次，依托學科發展歷程、專業知識邏輯架構、教學環節、行業發展、時政新聞、地域特色、學生需求等深入挖掘思政元素，探索理論知識背后的故事，提煉思政元素。

最后，將抽象、枯燥的專業知識與實際生活、工程案例、項目設計等相結合，通過啟發引導式、提問式、小組討論式、案例式、情境模擬式等教學方式，將思政元素靈活巧妙地融入教學，激發學生的愛國情懷、自主科技創新意識，培養學生愛崗敬業、認真鉆研、精益求精的大國工匠精神和奉獻精神、團隊協作精神等，真正做到思政教育與專業教學協同發展。

例如：在學習系統的概念時，結合交通工具從自行車到汽車再到航空航天器的發展歷程，循序漸進、由淺及深地引入系統和機械系統的概念，激發學生學習的動力和熱情，引導學生刻苦學習，努力掌握機械系統的設計方法，為我國機械制造行業的發展、為祖國的科技進步貢獻自己的力量；在介紹動力機的類型及選擇時，引導學生要有節能環保的意識，能夠具有從不同角度觀察事物本質的思維，抓住問題的主要矛盾；通過學習傳動系統的設計，引導學生初步形成嚴謹的工作態度、認真的工作作風，逐漸滲透勇于探索、攻堅克難、不斷創新、精益求精的工匠精神，結合傳動系統的功能，啟發學生思考在生活中待人接物的態度和做人做事的方法，要與人和睦相處、樂于助人；在設計執行系統、傳動系統或操縱系統時，教育學生有安全防護意識，要顧全大局、實事求是，一絲不茍，嚴格遵守行業相關規定，不斷提高職業素養和綜合素質。

2.4 加強校企合作

在基于OBE-CDIO理念的機械系統設計教學改革中，教師應充分了解當前機械制造行業的發展需求以及企業對人才培養質量的要求，通過圍繞企業需求設置培養目標，明確課程教學內容，有針對性地為企業培養人才，滿足企業需求，與企業建立長久穩定的合作關系。通過讓授課教師深入機械設計制造等相關企業調研，帶領學生進入企業參觀實習，邀請企業技術專家為學生開展機械系統設計方面的講座與培訓，聘請企業工程師作為學生導師等，將企業的實際工程項目、案例或需要解決的工程問題引入機械系統設計課程教學，構建“做中學、學中做”項目驅動式教學模式。讓學生通過參與或完成工程項目，真實地了解機械產品的實際設計、制造、銷售與使用等過程，以實際工程項目為載體，以能力培養為目標，調動學生的積極性，激發學生的創造性，夯實理論基礎、強化實踐應用與創新能力，應行業所需，與社會接軌，提高人才培養質量，實現校企協同發展。

2.5 提高學生創新能力

面對新工科建設提出的培養創新型卓越工程人才的要求，在機械系統設計課程改革中要注重學生創新能力的培養。除了將課程實驗內容改為項目設計形式，讓學生分組協作完成機械產品的設計外，還要鼓勵學生積極參加各種機械類創新創業大賽，豐富課程實踐內容。通過參加比賽，學生可以將所學機械系統設計的理論知識應用于具體的機械產品設計中，參與從市場調研、確定選題、進行可行性分析、確定設計方案，到對不同方案進行評價、確定最佳方案、創建三維模型或繪制二維圖紙、加工制作實物模型、撰寫產品設計說明書、制作答辯PPT的全過程，極大地增強創造力與自主探究能力，鍛煉邏輯思維與設計能力，提高團隊協作與溝通表達能力。學生的主觀能動性被全方位調動起來，他們在比賽中獲得學以致用的喜悅與成就感，激發對所學專業知識的興趣與熱愛，對提升課堂教學質量，提高學生的創新設計能力與就業競爭力大有裨益，最終實現全面提升學生綜合素質的目的。

2.6 完善課程考核方式

基于OBE-CDIO理念的課程考核主要是為了評價學生學得怎么樣，通過考核來掌握學生的學習成效，不斷改進教學方法。

首先，在課程考核時不僅要考核學生對基本知識的掌握程度，還要客觀地評價與考核學生的應用能力和實踐創新能力，考核應具有全面性和有效性，不能只注重結果而忽略過程。

其次，建立多指標全方位的考核方式。機械系統設計課程可以采用平時作業、課堂討論、項目設計、期末考試等形式進行考核。其中，平時作業成績考核課前預習任務與課后作業的完成情況，占總成績的10%左右；課堂討論與回答問題情況占總成績的10%左右；項目設計完成情況包括機械產品設計的完整性、答辯情況、產品設計說明書的撰寫質量、機械產品圖紙的繪制情況以及課外參賽獲獎情況等，共占總成績的30%左右；期末試卷在命題時要求試題內容應涵蓋90%的課程知識，題型不少于五種，其中50%的試題考核基礎知識，30%的試題屬于具有思考性、綜合性的題目，20%的試題屬于有一定難度的提高性題目，期末考試成績占總成績的50%左右。另外，可增加企業導師對學生的評價環節，以及學生自我評價和相互評價環節，提升過程考核的質量，完善課程考核方式。

3 結束語

本文立足新工科建設要求與新時期產業發展需求，基于OBE-CDIO理念對目前機械系統設計課程教學中存在的問題進行改革與實踐，堅持以學生為中心，構建“做中學、學中做”項目驅動式教學模式，通過優化課程教學內容、改進教學方法、有效融入思政元素、加強校企合作、提高學生創新能力、完善課程考核方式等建立較為完整的課程教學體系。教學實踐證明，該模式可以有效提升課程教學質量，增強課程教學效果，激發學生的學習興趣與主動性，提高學生的工程應用能力和實踐創新能力，為新工科背景下其他專業課程的教學改革提供參考。

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*項目來源：山西省教育科學“十四五”規劃2022年度規劃課題“地方應用型本科院校‘校企賽’協同創新育人模式的研究”（項目編號：GH-220542）；太原學院教學改革創新項目“新工科背景下基于OBE-CDIO的機械系統設計教學改革與實踐”（項目編號：jg202211）。

作者簡介：張博，講師。