基于OBE的“機械設(shè)計”課程教學方法研究

摘要：文章基于OBE理念，制定“機械設(shè)計”課程的教學體系流程，分析專業(yè)特點及課程特點，制定與畢業(yè)要求指標點相適應(yīng)的課程目標。在整個教學過程中，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，引導學生積極參與其中，以達到以學生為中心的目的。課后通過作業(yè)、答疑、總結(jié)等方式分析本輪教學的效果，為下一輪的教學提供依據(jù)，使課程教學形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，從而達到持續(xù)改進的目的，使學生的機械設(shè)計能力不斷提高，進而能高效分析并解決工程中的復雜問題。關(guān)鍵詞：“機械設(shè)計”課程；OBE理念；持續(xù)改進；學生能力一、引言1981年，美國學者W.D.斯派蒂（W.D.Spady）提出了OBE（OutcomeBasedEducation）理念，即成果導向教育[1]。根據(jù)OBE理念，教學實施、教學設(shè)計主要以學生取得學習成果為目的。以生為本是OBE理念的核心所在，其導向是學生的學習成果，即衡量教學成果以學生掌握了多少知識和能力的提高程度為標準，而不是教師講給學生多少知識。同時強調(diào)在教學環(huán)節(jié)的最后要對各項指標進行分析，根據(jù)分析結(jié)果對課程體系、教學環(huán)節(jié)及教學方法進行持續(xù)性改進。2016年，我國高等教育的一項重大舉措就是簽訂了《華盛頓協(xié)議》（WashingtonAccord），這一舉措也讓國內(nèi)工程教育質(zhì)量認證體系達到了國際水平。作為工程教育的一大核心理念，OBE理念被越來越多的應(yīng)用在我國工科院校的課程教學改革實踐中[2-3]。哈爾濱理工大學有諸多專業(yè)已得到工程教育認證，如機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、機械電子工程專業(yè)、電氣工程專業(yè)等?！皺C械設(shè)計”課程是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)（以下簡稱“機械專業(yè)”）及近機類材型、電氣工程、車輛工程等專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，同時也是機械類專業(yè)主干課程之一。課程對多門基礎(chǔ)機械類課程進行了充分整合，如“理論力學及工程力學”“工程材料與熱成形技術(shù)”“工程制圖”“機械原理”等課程，用以解決通用機械零部件的設(shè)計問題?！皺C械設(shè)計”課程具有“三性”“四多”的特點，即設(shè)計性、綜合性和實踐性，概念多、公式多、圖表多和系數(shù)多?！皺C械設(shè)計”課程在專業(yè)培養(yǎng)體系中具有承上啟下的作用，是學生開展后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程學習、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等的基礎(chǔ)[4]。因此，在知識目標、能力目標、素質(zhì)目標等人才培養(yǎng)要求下，融合OBE理念不斷探索新的教學方法，培養(yǎng)學生自主設(shè)計、創(chuàng)新、團隊協(xié)作、情感、環(huán)境保護等方面能力，有著重要的意義。文章結(jié)合哈爾濱理工大學機械專業(yè)2019級、2020級學生，從課前、課中、課后3個環(huán)節(jié)探討“機械設(shè)計”課程的教學方法。二、課前分析按照OBE理念，對照教學大綱、課程對畢業(yè)指標的支撐及上一輪教學的課后總結(jié)進行本輪教學課前落實，布置本輪開課?！皺C械設(shè)計”課程主要包括連接零件、傳動零件、軸系零部件及其他零件5個方面內(nèi)容。課程教學任務(wù)為講授機械設(shè)計基本思想、方法、知識，使學生得到機械設(shè)計基礎(chǔ)性訓練，奠定后續(xù)專業(yè)課學習、機械設(shè)計工作的良好根基。該課程支撐了開課專業(yè)畢業(yè)要求1、3、4，即1——問題分析、3——設(shè)計/開發(fā)解決方案、4——研究。因此，課程可確定以下3個教學目標：其一，讓學生掌握一般機械零部件、傳動的原理與基礎(chǔ)知識，對有關(guān)專業(yè)性知識加以運用，探索機械設(shè)計工程問題的解決方式，可按照工作性能來優(yōu)化和剖析不同解決手段；其二，讓學生具備機械設(shè)計基礎(chǔ)性技術(shù)與手段，了解機械設(shè)計中一般零部件、傳動的解析過程，包括軸系零部件和連接零部件等，掌握開發(fā)機械產(chǎn)品的主要影響因素，能夠優(yōu)化和對比不同影響因素；其三，針對具體工程問題，讓學生能夠運用機械設(shè)計課程及相關(guān)領(lǐng)域的知識和理論，選擇研究路線，給出常用零部件、典型結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)等的研究方案，能運用機械設(shè)計中常用的國家標準、設(shè)計規(guī)范、設(shè)計手冊、參考圖冊等，并具備一定的設(shè)計裝置實施操作能力[5]。這3個課程目標分別支撐畢業(yè)要求的1.3、3.1及4.2。由機械專業(yè)2019級學生的課后總結(jié)分析可知，在3個課程目標中，課程目標2達成度相對較低。課程目標2由小作業(yè)及期末考試的解決工程問題的大題、齒輪受力分析、軸承壽命計算、軸系改錯等組成，小作業(yè)的得分較好，因此，造成這部分達成度低的原因主要是大題得分相對偏低。在本輪教學中，應(yīng)加強知識運用的案例講解，提高學生運用知識解決工程問題的能力。三、課中講“活”在課程教學過程中，教師應(yīng)通過寬廣的知識面及清晰、形象的語言表達使學生受到感染。相比之下，若教師單調(diào)地轉(zhuǎn)述PPT、課本上的教學內(nèi)容，則難以提高“引人入勝”的教學吸引力，從而無法取得理想的課堂教學效果。為使授課內(nèi)容富有激情，教師可把知識點當做一個個小故事來講，使學生緊跟教師的思路，而不是有時間想其他跟教學無關(guān)的事情。如果學生認為聽不聽課都一樣，說明教師的講課失敗了；如果學生認為不聽課自己很難學明白，或需要花幾倍的時間自學才能掌握，那就表明教師的課講“活”了。同時，教師可適時將學生在日常生活中能見到的零部件應(yīng)用實例、科研項目引入課堂，激發(fā)學生的學習興趣。1.將多媒體授課與學生互動相結(jié)合，增加學生對課程的注意力。加強與學生的互動，并有針對性地設(shè)計課堂提問，適當設(shè)置小測或選人、搶答環(huán)節(jié)，以增加課堂活躍度；學生通過自主學習理解掌握課程知識，教師采用翻轉(zhuǎn)課堂、布置作業(yè)、章節(jié)測驗、學習情況數(shù)據(jù)發(fā)布等形式督促和檢查學生的完成情況。2.圍繞減速器涉及的章節(jié)增加課堂討論，合理安排討論內(nèi)容和時間。如講解螺紋連接的類型時，讓學生就教室里的設(shè)備、桌椅等使用的螺紋連接，討論不同類型連接方式的使用場合及優(yōu)缺點。3.要想對學生的主動學習活動進行督促，培養(yǎng)其課前預(yù)習、課后復習的學習習慣，就要堅持在授課前的10～15分鐘進行提問。為加強基礎(chǔ)，可在增加材料基礎(chǔ)部分學時的同時，采用課堂適時提問或布置思考題的方法，督促學生課上記筆記、課后及時復習和總結(jié)。4.課上教學可以參考以下步驟進行。①解答上節(jié)課的共性問題，討論思考題，解答學生在復習中的疑問。②講解課程中的重點和難點。③討論練習題，教師出題，給學生一定時間準備，學生組織語言表述自己的想法和問題，通過不斷訓練逐步提高學生的表達能力。④總結(jié)并布置下節(jié)課自學任務(wù)。5.增加案例教學學時，提高學生知識的綜合運用能力。在螺栓組受力分析講解完成后增加兩三個工程案例，幫助學生學會根據(jù)工程實際將普通載荷轉(zhuǎn)化成典型載荷并進行疊加；在軸承壽命計算公式講解結(jié)束后，增加角接觸球軸承、圓錐滾子軸承正安裝及反安裝幾種不同情況下軸承軸向載荷計算的案例講解，使學生掌握這兩類軸承軸向載荷的計算方法并能熟練運用；在滾動軸承組合設(shè)計講解完成后，通過四五個減速器軸系為學生講清楚軸系設(shè)計中涉及的零件裝拆、固定、工藝、潤滑、密封等幾大類不合理及錯誤問題，以及靈活處理這些不合理問題的方法，學會改正軸系的錯誤。6.課程思政建設(shè)。在部分章節(jié)適時融入思政元素，例如，在第一次緒論課中增加機械發(fā)展歷程的思政內(nèi)容，讓學生了解中國古代文明及現(xiàn)代先進技術(shù)，并從先進技術(shù)中找出我國與國外技術(shù)的差距，激發(fā)學生的創(chuàng)新動力；在講解帶輪、齒輪、軸等零件的選材時，引導學生在滿足使用要求的情況下本著經(jīng)濟、愛企業(yè)、愛國家的原則，盡量選用國產(chǎn)材料，激發(fā)學生的愛國熱情；在減速器箱體設(shè)計的講解中，告誡學生箱體盡可能小，滿足要求即可，這樣既可以節(jié)省材料，又可以節(jié)省加工工時、加工刀具及切削液的使用，以達到對環(huán)境的保護。四、課后鞏固、總結(jié)課后可從作業(yè)、答疑2個環(huán)節(jié)完成學生對知識點的加深鞏固?？荚嚱Y(jié)束后，對考試進行總結(jié)，并用于下一輪教學的改進。（一）作業(yè)設(shè)置及答疑為使學生掌握常用機械零部件及傳動的基本概念和工作原理，章節(jié)內(nèi)容講完后應(yīng)留相應(yīng)的小作業(yè)用于鞏固知識點；通過工程案例分析引導學生進行自主學習，并布置足夠數(shù)量的大型設(shè)計作業(yè)鍛煉學生運用機械設(shè)計手冊、圖冊、規(guī)范及機械設(shè)計標準的能力，并能綜合運用多方面知識解決復雜工程問題，如通過軸系部件設(shè)計、齒輪傳動設(shè)計、螺旋起重器設(shè)計等，加強學生設(shè)計能力、解決實際問題的能力。按照學生實際學情，引導全部或部分學生編程進行設(shè)計計算；零件圖可以手繪，也可以用二維AUTOCAD繪制，還可以用三維軟件（PROE、UG、SOLID-WORKS等）設(shè)計，再轉(zhuǎn)換成二維圖紙。如此，按照學生的學習能力將其分成多個層次水平，學習能力強的學生不僅需要將手繪圖和手算等作業(yè)完成，還需要將零件AUTO-CAD繪圖、三維設(shè)計、編程設(shè)計的作業(yè)完成，幫助學生在該課程的學習中得到更大收獲，一方面掌握設(shè)計通用零件的方法，另一方面具備零件三維設(shè)計、零件二維設(shè)計、編程的基本功，奠定后續(xù)畢業(yè)設(shè)計——零件繪圖的堅實根基。借助作業(yè)批改環(huán)節(jié)，教師可掌握學生的實際學習情況，在章節(jié)課程學完后，設(shè)置固定答疑時間，解決共性問題，還可通過課余、課間、線上（學習通，班級QQ群、微信群等）零散的時間隨時解決個性問題，并合理采用一對多、一對一等講解方式，讓學生借助作業(yè)達到融會貫通。在整個課程完成學習、考試后進行系統(tǒng)的分析總結(jié)，從試卷分析、課程設(shè)計完成情況等方面對課程目標達成度進行綜合總結(jié)分析。（二）考試分析文章以機械專業(yè)2020級7班為例進行考試分析。首先，進行卷面和總評成績分析（表1）。由表1可知，總評平均成績超過預(yù)期值68分，但卷面平均成績沒有達到預(yù)期值。其次，進行平時成績的分析。平時成績總體較高，都達到了預(yù)期值。這是因為經(jīng)過本科評估和工程認證，教師采取加強課堂紀律監(jiān)督及增添隨堂練習環(huán)節(jié)的措施后，學生課堂學習狀態(tài)明顯改善，因而，學習成績普遍較高；大作業(yè)的達成度相對其他小項較低，但是相比2019級學生有所提高，需要繼續(xù)重點加強培養(yǎng)學生分析及解決復雜問題的能力。最后，進行課程目標達成度的分析（圖1）。從達成度分布圖可以看出，課程3個目標值均高于預(yù)期值，即課程總目標達成。課程目標2的達成度相對于目標1、3較低，這是由于課程目標2涉及的是解決問題能力的工程問題，主要表現(xiàn)為學生對常用傳動和零部件的設(shè)計分析過程，如對連接零部件、傳動零部件、軸系零部件的應(yīng)用掌握不充分；軸系部件改錯與齒輪受力分析部分得分較低，說明學生對基礎(chǔ)知識的運用能力還有提升空間。這些分析結(jié)果將作為教學持續(xù)改進的依據(jù)，反饋到下一輪教學中（機械專業(yè)2021級），使得整個教學過程形成一個閉環(huán)。（三）課程綜合運用鼓勵學生積極參加國家級、省級、校級等不同等級的創(chuàng)新科學研究項目，對其團隊合作能力、工程問題處理能力、知識運用能力加以培養(yǎng)，提高學生的創(chuàng)新素養(yǎng)。通過參與項目或獲得獎項，充分調(diào)動學生學習的積極性，增強其競爭意識。近幾年，各個班都有不少學生參加大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，并取得了較好的成績，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計及畢業(yè)后的產(chǎn)品設(shè)計打下基礎(chǔ)。五、結(jié)束語文章結(jié)合