基于OBE理念的“機械工程測試技術”的教學方法改革

摘"要：針對“機械工程測試技術”課程理論內容難度大、不易被理解和運用的問題，基于對教學目標和教學內容的分析，以學生為中心、成果為導向、持續改進的OBE教學理念，以常見的工程問題為例，建立項目式的教學方法，以模型或實物視頻的方式，增強教學直觀性，通過線下+線上教學模式的相互結合，增加了學生快速理解課堂內容的途徑，引導學生以項目小組的形式，進行課外項目拓展練習，在增加動手能力的同時加深對相關理論的理解，利用翻轉課堂讓學生表達綜合實驗成果，給出學習效果評價方法。實踐證明，該方法不僅能提升學生對概念的理解水平，還能有效提高學生的動手能力，進而提升學生運用相關理論解決工程問題的能力。

關鍵詞：OBE；工程教育；教學方法；教學改革

1"概述

工程教育專業認證，為工程技術人才進入工業界從業提供預備教育質量保證，其核心之一是能力導向模式——OBE（Outcome"Based"Education）教學理念，即在教學過程中，以學生為中心，把畢業生所具備的能力作為評估學生的質量，并對教學進行持續的改進。機械工程專業是我國2016年加入《華盛頓協議》以來開展的專業認證之一。“機械工程測試技術”課程作為機械工程類專業的基礎課之一，對學生后續工程能力的培養起著重要作用，但由于該課程內容多、理論性強。因此，常規的教學模式會導致學生難以短時間內消化、吸收和理解，無法獲得運用理論解決復雜工程問題的能力。基于以學生為中心、成果為導向、持續改進的OBE教學理念，目前在高等教育實踐中受到越來越廣泛的關注［13］。以“機械工程測試技術”課程為例，閆肖肖等［4］基于OBE理念對教學設計進行了探索，建立了多維的評價反饋機制，楊立娟等［5］對基于OBE理念的實驗教學進行了研究，對實驗內容和教學方法進行改革，于琳琳等［6］對基于OBE理念的“機械工程測試技術”的綜合實驗進行了改革探索，強調了對學生綜合自主性的設計實驗能力培養，從儀器設備、實驗過程、結果評價等方面進行了改革探索。郭智薔等［7］以案例式教學方法、以學生為主的教學方法、輔助教學方法3個方面開展了教學改革探索。

本文基于OBE教學理念，以“機械工程測試技術”課程為例，在對教學目標和支撐畢業要求指標點進行分析的基礎上，引導學生以項目小組的形式，通過課外項目拓展練習，更好地提高學生掌握復雜理論、解決復雜測量工程問題的能力。

2"教學過程中發現的問題

在教學過程中，發現存在以下幾方面的問題：（1）課程涵養的知識點較多，牽涉到機械、電子、信號處理等方面；（2）理論性強，需要利用較多的公式計算；（3）書中所涉及的工程案例較為抽象，學生難以消化和理解，造成學生難以把相關理論與工程問題相結合，更難以做到進一步的創新；（4）教學形式單一。僅利用傳統老師講，學生聽的方式，會導致學生的主動性下降，而難以把理論與實踐結合起來，學生難以運用所學的理論。（5）考核形式單一，只有期末成績，無法讓學生充分利用本課程解決工程問題，只重視結果評價，輕視過程評價。

3"課程目標與支撐畢業要求指標點分析

“機械工程測試技術”課程根據確定的機械設計制造及其自動化專業的畢業要求制定的課程教學目標，并建立課程目標及與支撐畢業要求指標點的對應關系。課程目標如下。

（1）掌握信號時域分析、頻域分析的基本理論知識，以及測量系統的頻域響應特性，初步具備工程測試信號處理分析的能力。（2）掌握參數式傳感器和發電式傳感器基本原理，具備設計工程測試系統及開發創新能力。（3）掌握反映測試系統動靜態特性的技術指標，以及測量系統動態測量誤差的補償方法，初步具備獨立進行科學實驗的能力。（4）掌握參數式傳感器和發電式傳感器的特性、調理電路、應用方法，為掌握或設計機械工程中的自動化監測、監控以及智能化系統打下基礎。（5）掌握工程測試方法的分類，能夠搭建實驗系統及方案，并對實驗結果進行綜合分析。與課程目標依次相對應的進一步細化了支撐畢業要求指標點內容如下。21能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理識別和判斷機械復雜工程問題的核心步驟。33能夠對機械工程復雜問題進行設計方案優選，體現創新意識。41能夠對機械工程相關的各類物理現象、材料特性進行研究和實驗驗證。42能夠基于科學原理并采用科學方法對機械零件、結構、裝置、系統制訂設計方案。43能夠構建實驗系統和實驗方案，對實驗結果進行分析和解釋，并通過信息綜合得到合理有效結論。這樣就可以通過達成度的計算，精確反應每個指標點的達成情況，為后續的課程教學的持續改進提供依據。這樣建立的課程目標和支撐畢業要求指標點，就可以作為教學方法的依據，同時根據每個指標點的達成情況作為OBE教學的效果的評估和改進依據。

但根據工程教育認證的要求，本校的“機械工程測試技術”目前的總學時為24學時，其中理論課24學時，實驗課時0學時。因此，現有的教學目標主要強調學生的知識目標，即對理論知識的理解和掌握程度，導致學生在解決復雜工程問題時，還存在不少欠缺。為了實現課程目標對應的畢業要求相應的二級指標點，在理論課時引入工程問題，需要引導學生進行課外實驗的探索，引導學生應用工程科學的基本原理，表達和解決機械加工中的實際工程問題，實現理論教學與工程實踐相結合，以增加學生對工程問題的理解。OBE教學理念要求以學生為中心，學生的能力輸出為導向，因此提升學生解決工程問題的能力成為教學目標的重點，把學生的知識能力、工程問題解決能力和創新能力相結合，尤其是提升學生利用所學的知識解決工程問題的能力。

4"教學方法的改革與評價

4.1"圍繞課程內容開展項目式教學

本課程主要以常見信號分析方法及信號處理手段為主線，對有關信號分析與處理的基本知識、基本理論、基本方法等內容進行有機整合，綜合傅里葉級數、傅里葉變換、測量系統的基本特性、參數式傳感器及其應用、發電式傳感器及其應用等內容，體現復雜工程問題理念的課程結構體系。但是在學習過程中，各章節的內容是相對獨立的，學生難以聯系、理解和運用相關的知識點解決復雜的工程問題。

這里以常見的工程問題為例，建立項目式教學實例，并且這些教學實例分別對應每章節的主要理論知識點，如表1所示。項目A1“諧波信號分析：三級減速器軸的轉速與振幅測量”，通過大家熟知的減速器相關知識，以及輸入軸轉速和中間軸、輸出軸轉速的對應關系，對測量的各軸的轉速和振動幅值進行分析，來理解信號的時域信號和頻域信號的對應關系，同時理解時域和頻域之間變換的理論知識，以增加學生對傅里葉變換知識的理解和運用。

因此，在每章講解前，通過分析相應的工程問題的項目式教學方法，不僅能夠引導學生來探索項目背后的理論問題，還能提高學生對工程問題和理論知識的如何聯系的認識水平。這樣不僅有助于提升學生學習的興趣，還能提升學生把理論知識與工程問題聯系的能力，增加學生對即將要解決工程問題的理解，也能進一步提升學生應用理論解決實際工程問題的能力。

4.2"利用線下+線上的混合教學模式

（1）利用學習通軟件。在課前，學生在準備預習新內容時，不知道如何檢驗自己的預習效果，長時間就失去了預習的動力，因此圍繞前面所建立的項目式教學實例，利用學習通軟件可以發布預習的內容和問題，讓學生主動參與這個環節當中，通過在線正向反饋的作用，提升學習預習的主動性。在課中，利用互動教學，如采用提問、課堂討論的方式，培養學生獨立思考能力，激發求知欲望，提升自主學習能力，例如，通過設置一些簡單的提問方式，讓學生積極參與到課程內容的復習和鞏固上，加強與學生的互動性，提高學習的樂趣性。在課后，布置相關習題，作業題數不少于12題，且覆蓋全部教學內容，讓學生通過練習鞏固新知識，然后布置下次課的上課內容，讓學生提前預習相關知識點。

（2）利用在線視頻的趣味性和可重復性。把相關理論知識點及其拓展制作成短視頻，放在學習通的在線課程中。可以利用這些視頻的可重復性和趣味性，將難以理解的理論部分的知識點以圖文并茂、仿真動畫的形式展現出來，作為學生課外學習和復習的補充材料，這樣不僅能提升學生學習的樂趣，也能讓他們樂于接受新知識。比如制作傅里葉變換原理的知識講解，先以故事的形式介紹傅里葉的生平及其成就，然后把傅里葉變換的理論推導過程進行詳細的講解，再把時域和頻域的特性轉換過程進行詳細講解，最后以音頻播放器的實時頻譜為例，講解信號的從時域到頻域的處理過程。這種方式利用動畫和圖文解說生動和有趣的特點，可以讓學生更容易理解傅里葉變換的特性，而且方便學生在課下學習，并不占用課堂時間，不僅有助于提升學生對復雜知識點的理解，而且能夠提升學習的樂趣。

4.3"以項目組為中心的創新能力實驗

隨著個人電腦的普及和性能的強大，本課程以MATLAB軟件和Ardiuon開發板為工具，讓學生以小組的形式模擬、仿真表2中的課外綜合實驗項目，以幫助學生更好理解相關知識點。學生通過動手操作和團隊協作，可以提升他們的動手能力和解決工程問題的能力，為以后的創新打下基礎。

（1）MATLAB仿真軟件。利用MATLAB軟件分析信號的時域和頻域特性，例如，用不同頻率的正弦信號模擬電子琴、對給定的周期信號進行頻譜分析，可以讓學生對信號處理的原理有更深的理解。

（2）Arduino開發板。Arduino開發板不僅入門容易，而且價格便宜。因此，可以結合相關傳感器配件，搭建簡單的項目，如壓力傳感器性能標定實驗、三級減速器各軸轉速測量實驗，以增強對傳感器和測量系統的理解和運用。

因此本課程在理論教學的同時，并輔以相應的仿真和項目實驗，提升學生的參與度和學習的趣味性。

4.4"利用翻轉課堂

為了讓課外實驗更好地服務于課內學習內容，激發學生的學習興趣，基于OBE理念，通過翻轉課堂引導學生按照表2課外實驗項目的實驗目標，利用課外時間，通過查找課外資料和小組討論的方式，利用MATLAB軟件和Ardiuon開發板完成上位機和下位機程序的設計，并以簡單的實物展示成果。這樣，不僅能夠激發學生學習的樂趣，也讓學生在學習過程中充分發揮主觀能動性。

4.5"學習效果的評價

課程考核以多環節形式評價和檢驗學生對本課程目標的達成情況，考核環節包括平時成績和期末考試成績，總評成績以百分計，滿分100分，平時成績由課后作業、綜合作業、課堂表現等部分組成。考核方法通過平時成績和考試成績相結合的方式進行，并且平時成績和考試成績占比的權重分別為40%和60%。

平時成績包括學生的平時課后作業和綜合實驗作業。課后作業主要考查學生對理論知識的掌握情況；綜合實驗以小組為單位，從表2中根據自己的興趣選擇一項作為目標，選擇合適的傳感器，利用MATLAB和Ardiuon搭建簡單的實驗平臺，編寫相應的程序和建立簡單的上位機界面，輸出結合理論知識進行分析，得出有益性結論，提交成果報告。以小組的形式匯報成果，各小組選派一名代表對成果進行答辯陳述，以考查應用所學知識，解決工程問題的實踐能力、口頭和文字表達能力，以及團隊合作能力。

以學生為中心，建立學習效果評價綜合體系。根據培養目標和支撐畢業要求指標點，統計學生每個指標點成績，計算各指標點的達成情況，最后再結合學生的調查問卷所反饋的教學過程中所存在的問題，對該課程的學習效果進行持續改進。

結語

本文基于工程專業認證背景下，分析了當前“機械工程測試技術”課程教學過程中存在的問題，并結合在新工科背景下對課程教學的要求，對教學目標和教學內容進行分析，以常見的工程問題為例，建立項目式的教學方法，以模型或實物視頻的方式，增強教學直觀性，線下+線上教學模式的相互結合，增加了學生快速理解課堂內容的趣味性，通過課外項目拓展練習，提高學生掌握復雜理論、解決復雜測量工程問題的能力。實踐表明，該方法在學生群體中深受好評，學生對該課程解決工程問題的能力也得到了顯著的提升。

參考文獻：

［1］秦琳玲，詹耀輝，王晴，等.基于OBE理念的課程思政混合式教學創新改革研究：以應用光學課程為例［J］.高教學刊，2023，9（24）：7073.

［2］李興華，孫也.“OBE理念+課程思政”融入“流體力學”課程的教學改革與探索［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2022（03）：5557.

［3］王雪晴，衛亞博.OBE理念下的傳感器與檢測技術教學改革［J］.教育現代化，2019，6（85）：101102.

［4］閆肖肖，徐斌，鄒凌云，等.基于OBE理念的《機械工程測試技術》教改探索［J］.科技風，2021（26）：187189.

［5］楊立娟，王保建，嚴如強，等.基于OBE理念的機械工程測試技術實驗教學改革研究［J］.中國現代教育裝備，2022（19）：6567.

［6］于琳琳，楊小代，張文文，等.基于OBE理念的機械工程測試技術綜合實驗改革探索［J］.教育教學論壇，2019（02）：112113.

［7］郭智薔，朱紅秀，葉濤，等.機械工程測試技術課程教學改革探究［J］.中國管理信息化，2024，27（06）：204208.

基金項目：安徽工程大學校級本科教學質量提升計劃項目（2023xmskk12、2022xqhz004、2022jyxm113、2022gzs010）

作者簡介：王淮陽（1985—"），男，漢族，安徽界首人，博士研究生，講師，研究方向：工程測試與信號處理。