基于OBE教育理念与开源平台融合的高校工科专业仿真软件课程教学改革研究

刘 蔚 许 楠

（吉林大学 吉林·长春 130022）

我国现正处于制造业大国之位，市场的强势上扬也造就了对工程技术专业人才需求越来越大。一名合格的高校工科本科毕业生应掌握与实际生产相关的知识与技能；另一方面，由于很多工程设备存在投入大、周期长等特点，基于软件仿真的分析技术也在各大厂商与研究院所广泛应用，因此软件仿真技术也是必不可少的工程师职业技能。为此，在对高校工科专业传统教学课程进行研究的基础上，采用仿真软件工程应用课程是现代工科专业本科教学阶段不可或缺的环节。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

目前，国外在高校工科软件仿真课程设置上多属于机械大类中的软件仿真教育，在课程中开设与工程专业相关的大作业或者课程设计。国外大学或科研院所在工科专业软件仿真课程方面较突出之处有先进的教育理念和对开源平台的运用两个方面，具体如下：

（1）成果导向教育理念（Outcomes-basedEducation，缩写为OBE）：成果导向教育作为一种先进的教育理念，它清晰地聚焦和组织教育系统，使之围绕确保学生在未来生活中获得实质性成功的经验。这里所说的成果是学生最终取得的学习结果，是学生通过某一阶段学习后所能达到的最大能力。“最终成果”并不是不顾学习过程中的结果，学校应根据最后取得的顶峰成果，按照反向设计原则设计课程，并分阶段对阶段成果进行评价。[1]值得一提的是，2013年6月，我国被接纳为《华盛顿协议》签约成员，[2]所以研究将成果导向教育理念引导工程教育改革并贯穿于相关工程专业课程具有现实意义，也是目前工程专业认证标准中所明确要求的。

（2）开源平台：开源平台有三层含义：首先是开源软件平台，其次是可与开源软件平台结合的开源硬件平台，最后是由这种“开源效应”引发的各自开源平台上的开源社区。目前，国外院校在软件仿真课程上不仅是与业内的著名企业合作，也很注重利用影响力较大的开源软件平台来组织教学任务，同时将开源平台有意识的引入专业课程体系中。

目前国外院校在向软件仿真类课程引入较多的开源软件平台/框架有：（1）深度学习框架Pytorch：PyTorch是一个基于Python的深度学习平台，它不仅能够实现强大的GPU加速，同时还支持动态神经网络。[3]（2）Tensorflow：它是一款使用C++语言开发的开源数学计算软件，使用数据流图的形式进行计算。[4]（3）OpenCV：它是一个跨平台计算机视觉库，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。

开源软件平台在实际工程项目中还需要开源硬件平台的支持，才能达到实际工程目的，所以我们在软件仿真课程中要让学生综合运用软硬件平台来完成综合性实验。目前国外院校向软件仿真类课程引入较多的开源硬件平台有：（1）树莓派：它是一款基于 ARM 的微型电脑主板，卡片主板周围有两个USB接口和一个网口，具备PC所有的基本功能。[5]（2）Arduino：它是一款便捷灵活的开源电子原型平台，包含硬件和开发环境。[6]

目前，在开源平台社区上的项目有很多，其中有不少项目适合在本科阶段的工科学生以实例为蓝本，进一步理解和掌握这些软硬件开源平台。

1.2 国内研究现状

目前，我国开设工科专业的高等院校也将软件仿真课程纳入到课程大纲所规定的教学体系中，但是还是以传统教学理念为指导，而仿真软件的来源也往往是一些企业或软件公司的赠送或体验版，比如吉林大学汽车工程学院的PACE中心等，这种局面往往只能照顾到传统机械领域的知名软件公司的产品，而不能及时跟踪到目前最新的研究领域。因此，我国高校应积极跟踪开源平台社区建设，把握最新最前沿的科研动态，并将开源平台的优势项目融入相关课程中。

2 基于OBE教育理念与开源平台融合的高校工科专业软件仿真课程教学模式改革与实践的路径

（1）明确以成果为导向的课程体系，建立以成果为导向的课程大纲。高校工科专业应将毕业要求作为“目标指标”，进行分解产生“支撑指标”，并建立由毕业要求、指标点和具体课程组成的专业课程体系。毕业要求重点用于衡量专业具体课程的实施效果，进而对后续的教学改革起到重要参考作用；指标点是对毕业要求依据侧重点不同所进行的具体分解，用于衡量教学大纲的完善程度和全面性，可以指导教师对教学方法和教学内容做具体改进。指标点的达成由具体的课程支撑，不同的支撑课程对指标点的支撑程度是不同的，支撑强度由达成目标值的具体权重系数体现。课程应明确教学目标，保证所提出的教学目标与支撑毕业要求的指标点对应，并与其他课程对指标点的支撑形成互补，同时教学内容和考核评价体系也与教学目标一脉相承，建立起以成果为导向的课程大纲。

（2）利用“开源平台”优势，打造“开放式课堂”，完成对教学与实验内容的改革。高校工科专业课程应侧重对于解决实际复杂工程问题能力的培养，课程与实验内容应从最新的前沿工程问题出发，将时下的热点方向和交叉领域及时引入课堂，将开源平台的优势转化为“开放式课堂”的优势，将开源社区的资源变成“开放式课堂的图书馆”。突破传统课堂中心，让老师从为学生做“所有菜”转变成为学生做好“开胃菜”，让学生发挥主观能动性，在第二课堂——开源平台社区中寻找“食材”，自己变身“大厨”，自己让自己“吃饱”（满足课堂基本教学要求），同时结合自己的“口味”（学生自身的差异化兴趣）还让自己“吃好”（强调学生个体的进步）。实现时间、空间和内容上的开放，时间上从课内向课外延伸，空间上从教室向图书馆和实验室拓展，内容上从教材向参考资料扩充。完成从灌输课堂向对话课堂转变、从封闭课堂向开放课堂转变、从知识课堂向能力课堂转变、从“重学轻思”向“学思结合”转变。

（3）建立以学习过程评价为基准的课程评价体系，让评价标准反哺教学工作。通过对开源平台的利用以及开放式课堂的打造，学生对于课程的学习过程已经由传统的低阶层次逐步转化为高阶层次，不同阶层的教学活动将形成不同阶层的知识。低阶知识主要是陈述性知识，高阶知识主要是程序性知识和策略性知识。通过教学改革，课程的考评体系将不再是传统考试式的考评方法，而是以“阶跃式”的学习过程为主，提供关键节点的过程考核体系。根据每个学生能达到教育要求的程度，赋予从不熟练到优秀不同的评定等级，进行针对性评价，同时也为学校和老师改进教学提供参考，尤其是对于某些未能满足达成度的教学成果，要及时提出整改意见，形成“评价-反馈-改进”的持续改进型教学新模式。

3 基于OBE教育理念与开源平台融合的高校工科专业软件仿真课程教学模式改革与实践的预期成果

（1）在成果导向教育理念背景下，解决构建专业课程体系的问题。在成果导向教育理念的引导下，课程体系构建对达成学习成果尤为重要。能力结构与课程体系结构应有一种清晰的映射关系，能力结构中的每一种能力要有明确的课程来支撑。课程体系与能力结构的这种映射关系，要求学生完成课程体系的学习后就能具备预期的能力结构。课程设计会关系到课程体系的映射关系（指标点与支撑权重），而课程系统建立又关系到毕业要求的建立，而毕业要求的建立又关系到培养目标的确定，最终培养目标的确定还需要以内外需求为依据。因此，可以说在成果导向教育理念背景下，某单一课程的设计问题需要从学科大局上层层梳理，需要协调课程串（纵向）和课程群（横向），在课程串和课程群内按照对毕业要求的“贡献度”确定每门课程的教学内容和教学时数等教学要素。

（2）解决利用“开源平台”的优势资源来建立“开放式课堂”的问题。开源平台的资源较传统教学资源有两点优势：首先是开源平台的资源更贴近实际工程项目，利用开源平台的资源可以更符合现阶段仿真软件工程应用的要求；其次，开源平台在学生毕业后在工作中仍然需要经常与其打交道，所以教会学生如何在今后的工作中能够利用起开源社区资源，这本身也是很有意义的事情，体现了开放式课堂的延展性，也满足了“新工科”教育中所提倡的终身学习的理念。

综上，首先应在工科专业软件仿真课程中认真贯彻成果导向教育理念，完成课程中指标点与课程评价体系的对应，明确该门课对工科专业毕业要求的支撑；其次，要加大力度向课程中引入开源平台，尤其是带有开源软硬件相结合的综合性开放性实验项目，让学生体会到最新的开源平台技术，这也是引领学生进行探索性学习的关键之处，同时也拉近了课程内容与实际工程项目的距离，将学生推向真实科研的第一线。