基于OBE理念的课程项目制教学探索与实践

杨贵荣 李亚敏 刘洪军

[摘 要]在分析目前OBE理念教学方法的基础上，项目组结合兰州理工大学材料成型与控制工程专业的加工过程传输原理课程教学，基于OBE理念的基础上引入项目对加工过程传输原理课程进行重新构架，设计了以“夯实理论、能力培养、素质提高”为中心的课程教学目标。重新构架后的课程教案强调“掌握基础理论知识、分析解决问题能力、提高综合素质能力”的教学思想，以学生的学习成效为目标，以项目实施为载体，注重分析实际工程问题、解决工程问题、灵活运用的综合能力和素养的培养，通过科学的评价体系来评估学生学习效果达成度，形成持續改进的良性教学循环。

[关键词]OBE理念;加工过程传输原理;课程体系构架;能力培养;课程教学评估

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）10-0046-05

人类社会发展的关键引擎是科技的进步和创新，科技的创新需要大量具有可持续竞争力的创新型人才。我国要具备社会经济的可持续发展，就必须培养一大批具有竞争力的可持续创新型人才，人才的来源主要为高等教育，为适应当前社会发展的需要就需要调整或改革高等教育的模式[1]。目前，OBE理念即成果导向教育（Outcome-based Education， OBE）成为各国高等工程类专业教育的主流理念，工程教育的核心在于着力塑造学生以解决复杂工程问题能力为基础的创新型与实践能力型并重的教育理念[2-4]，具体实施理念是“学生为中心，成果为导向，持续改进”三个基本理念。该理念是由斯帕蒂（Spady）在1981年提出来的，其关注的重点在于学生的学习效果，而不是重点关注课程教授的内容，即使学生真正掌握基础理论知识、具备解决此类知识涉及的工程问题的能力[3-5]。我国教育部自2006年开始逐步实施工程教育认证工作，OBE理念与教育模式逐渐走入国内高校，以“内容为本”的传统教学理念与模式开始转向以“学生为中心”的理念与模式[2]，教育理念的体现就是课程教学，课程教学也是高等教育的基本单元，课程教学的设计也逐渐以学习目标和教学结果为导向，注重课程学习的成效以及对毕业要求目标的达成贡献，在课程实施的过程中形成持续改进的闭环来达到课程教学的可持续提高。

图1为OBE理念下的高等教育框架结构，从整个专业培养角度来讲应该面向社会与行业发展需求，以学生的专业培养目标和学生学习的效果为导向，在此基础上构建整个专业的培养方案和课程体系，使学生通过课程学习、专业实践、专业科研创新训练、毕业设计等环节使其具备扎实的理论基础、解决工程问题的能力以及可持续发展的素质。然而专业教育的培养目标和期望的学习成效需要以各门课程的学习效果来支撑，因此课程学习是专业培养的基本单元。从课程教学角度来讲，要现实其从“改进教的质量”向“提高学的质量”转变，并以“学的质量”或课程成效对毕业要求的贡献率为基础来设计课程教学方案，包括课程教学目标、教学内容、教学模式以及评价方法，以课程成效为导向实施教学过程，对学生学习效果进行分析和总结，为下一轮课程教学的持续改进提供建议或经验。

一、基于OBE理念下的加工过程传输原理教学改革目标与思路

（一）改革目标

由于加工过程传输原理课程教学难度大、理论性强，教学改革困难大，被学生誉为“天书”课程，但是该课程属于专业基础理论课，也是科研和技术的理论基础，课程理论性强，概念多、公式多而复杂（多为微积分方程或方程组）、内容抽象。为了改变该课程的教学模式，我们采用OBE理念将该课程推向“面向工程应用”的前沿，打破课程教学“从书本到书本、从课堂到课堂”的传统模式;采用理论联系工程实践的方式，将加工过程传输原理课程建设成为具有“新方法、厚基础、促自学、学致用”的材料成型与控制工程专业的理论基础课程，把材料加工过程中的动量、热量及质量传输学习与全国大学生铸造工艺大赛相结合，提升学生学习的积极性和主动性，培养学生的创新性思维和产品工艺性理论分析研究与产品工艺创新的工程应用能力。争取实现“教学出题目，大赛促成果，成果进课堂”的目标，培养学生既要有前瞻性的思想和观念，又要有加工过程传输原理知识的掌握、应用与解决问题的能力。

（二）改革思路

依据前述加工过程传输原理课程的背景、内容特点以及课堂学习现状，本教学团队针对这些问题以OBE理念为基础进行课程教学改革探索与实践，面向工程应用与卓越工程的人才培养，把课程教学由传统单纯的课堂讲授转变为“课堂引导+讲授+实例分析+学生练习+项目实施”等多个环节，其核心的思路是“动量、热量与质量传输基本原理内容+实际案例分析+全国大学生铸造工艺大赛理论分析训练”。采用“以应用+能力培养为中心”的教学模式，注重培养学生动量、热量与质量传输原理与知识的工程实践与创新能力。

二、加工过程传输原理课程改革探索与实践

兰州理工大学材料成型与控制工程专业的培养目标是学生应该具备自然科学基础知识、工程科学基础知识、材料成型及控制工程专业知识和应用能力，在铸造或塑性成形工艺及装备设计、材料成型过程优化和自动控制、先进材料工程等领域从事工程设计、技术与产品开发、工程研究以及项目管理等方面的工作中，能够使用现代工具解决本专业和相关学科领域复杂工程问题;具备较强的人文素质和专业素养、良好的团队协作精神和交流沟通能力;理解工程师的职业、社会及道德责任，能综合考虑社会、健康、安全、法律、文化、环境和可持续发展等因素，合理制定技术和管理方案;能够适应材料成型及控制工程相关领域的发展，在工作中不断学习和进步，具有自主学习和终身学习的意识。结合材料成型与控制工程专业的培养目标，进一步明确了学生毕业时能通过大学期间的基础理论课程与专业课程的学习和培养需达到“知识、能力、素质”的要求。

（一）课程教学目标

在兰州理工大学材料成型与控制工程专业的培养方案中，加工过程传输原理课程是一门核心的必修专业基础理论课程，包括40学时，在三年级第一个学期即秋季学期开设，根据专业培养目标和学生学习效果以及该课程对学生培养应该起到专业基础理论支撑的作用，我们明确了以下课程教学目标：

NO1.理解加工过程传输原理中涉及的基本概念，动量、热量以及质量传输的基本规律、过程特征、原理等方面的基础理论知识;

NO2.利用动量、热量以及质量传输的基本规律/原理分析材料成形过程中的传输问题并给出工艺规范的理论性指导建议;

NO3.能够基于传输原理并采用科学方法对材料加工过程的复杂工程问题进行分析，并得出有效结论;

NO4.能够将计算机软件、网络信息资源查询工具、模拟仿真工具用于解决铸造或塑性成形过程中的工程问题，并能理解其优势与局限性;

NO5. 充分理解团队合作的重要性，具备个人工作和团队协作的能力;

NO6. 关于应用传输原理分析解决问题的观念、思路、结果等能够以书面和口头等形式进行有效的沟通;

NO7. 能够利用各种资源进行自主学习，不断扩展和深入了解该课程涉及研究领域的新成果。

在基于OBE理念的课程教学中，课程的学习目标已经不再是单纯的理论知识学习，而是强调“知识的学习、能力的培养、素质的提高”的综合目标，强调学生能够运用动量、热量以及质量传输的基本原理分析材料加工成型过程中存在的问题、利用各种工具手段或技术解决实际工程问题的能力。

（二）课程教学内容框架

在学生的本科教育阶段，课程的学习需要让学生对于科学基础理论能够透彻地理解和扎实地掌握，这样在工作中或以后才能适应不断发展的社会与环境。因此加工过程传输原理课程在讲授核心基础理论知识的基础上，进一步强调学生运用基础理论来分析与解决工程问题的能力与创新意识。本课程结合课程教学目标，以传输原理的基本理论知识和解决问题能力为核心，结合现代作图软件、模拟仿真和真实零部件成形过程分析构建教学内容框架，如图2为教学内容单元框图。

图2中的教学单元内容为基本的传输原理内容，教学案例穿插进教学单元内容中如在学习伯努利方程时以“飞机起飞”问题导入讲述方程的内容，然后分析起飞动力来源问题即飞机起飞上升托举力的来源，方程包括三个部分即比位能、比压能与比动能，当动能部分越大其对应位置处的比压能将会相应降低即压强下降，分析飞机机翼上下部分的空气流速与压力变化如图3所示，由于上下空气流速的差异导致机翼上下的压力差进而产生了飞机起飞的托举力。而后以著名诗人杜甫的《茅屋为秋风所破歌》中的诗句：“八月秋高风怒号，卷我屋上三重茅”，进一步分析其原因，提出列车（地铁）设置黄色安全线的原因、海上船吸现象、足球场上“香蕉球”的产生等现象让学生进行课堂讨论，以亲眼所见或现实生活中的现象为例让学生在讨论解释中进一步加深对伯努利方程的理解。框架图中分析與解决问题的能力培养部分不仅培养学生的分析与解决问题的能力，还涉及自主学习能力的培养、团队合作能力的培养以及素质的提高，该部分以项目制教学部分来实现。

（三）项目实施融入课程教学

加工过程传输原理课程是一门理论性很强且具备应用实践基础的课程，项目制教学即以项目为主线、实践为主导、分析与解决问题任务为载体，把传输原理的基本理论知识内化在整个项目实施的过程中，通过团队合作的方式来解决实际问题，从而培养学生分析与解决复杂工程问题的能力。由于项目的完整性要求较高的综合能力和素质，因此项目实施过程中不仅需要传输原理的理论知识，还需要绘图、工艺设计、传输过程分析、缺陷分析以及工艺性等综合分析能力，这就要求学生能够自学所有项目中要求的知识与能力。这能更好地激发学生自主学习的兴趣和主动学习与探索创新的积极性，使学生在实际的项目实施过程中夯实基础理论，培养与拓展思维能力，提高综合素养与职业素养。

项目制教学即在课程学习的过程中引入实施生产中的需求零部件蓝图，让学生对该零部件进行读图与结构分析、画出三维造型图、在给出成形工艺设计的基础上进行成型过程模拟，通过模拟成形过程来分析成形过程中的液态流体的动量变化情况、充型过程中的热量传输情况，以及在充型完成后冷却过程中的质量传输以及固液界面前沿的溶质再分配情况，最终给出项目报告并进行答辩。在实际教学过程中让学生分组（通常为4-5人一组）来完成一个完整的项目，每一组与其他组的零件均不同，组内成员自行分工，侧重点不同，但最终每个成员要熟悉项目实施的每一个步骤和完成的工作，最终答辩采取现场任意抽签式即答辩时每一组由教师任选一人代表这一组答辩，小组其余人员后续可进行补充。项目实施与课堂教学、案例引导讨论、单元作业相融合，注重学生分析与解决问题能力、自主学习能力、团队协作能力等综合素养的培养与提高。

在该课程开课时将零件蓝图发给学生，让学生开始进行读图与结构分析。由于学生在大一、大二时已经学习过机械制图与画图，而项目中需要的三维造型图的绘制是没有学过的，这就要求学生在以前学习过CAD等制图软件的基础上自学Pro/E、3Ds MAX或Solidworks等三维设计绘图软件。零件成形需要工艺设计，此部分即为同一学期开设的铸造工艺学课程，需要在前期学习的基础上自主学习工艺设计部分，而后还要学习并熟悉模拟仿真软件来完成零件成型过程中液态熔体的流动行为即速度分布情况与变化情况、温度场的分布与变化情况以及凝固过程中的浓度场与固液界面前沿的溶质再分配情况，如图4所示三张图依次为圆环板添加成形工艺后的三维造型图、充型时间为20.0031时刻的速度分布图以及 100.9341秒时刻的温度分布图，在整个模拟过程中需要取得如1s、3s、5s、7s……直至充型结束时一系列的时间节点的速度分布图，根据速度分布图来分析充型过程的动量变化及流动行为。同样温度分布图也是需要获取一系列时间节点的温度分布图来分析整个过程中的热量传输情况，最终根据充型流动行为与热量传输情况来分析该工艺条件下是否存在冲砂、夹砂、气孔、缩松等缺陷，在整个过程传输理论分析的基础上提出改进工艺的措施。

三、基于OBE理念的项目制教学课程评价

加工过程传输原理课程的评价主要包括单元作业、课堂讨论、项目实施以及最终的闭卷考试四个部分，每一部分进行达成度分析，而项目实施部分包括三维造型图、工艺设计、仿真模拟、传输分析、报告与答辩五个部分，依据课程考核重点与实施难易程度定义了考核项的考核目标，每一考核项对应一个或几个课程教学目标，如表1所示。其中基础知识部分主要以单元作业与期末考试形式考核，而期末考试中还含有部分应用能力的考核，课堂讨论主要体现学生应用能力的考核，项目实施的五个环节中主要涉及学生自主学习、团队协作、分析与解决问题以及综合素养等能力的考核。由表1可知工艺设计与传输分析的考核达成度相对较低，而项目中也正是这两部是其综合能力分析与综合素养的体现，特别是工艺设计这一块，这是一个非常复杂且涉及因素较多的设计过程，仅仅通过短时间的自学难以达到较好的程度，但是这也是一个自学程度由易到难的必备组成单元，其中三维造型与仿真模拟软件的学习相对较易，工艺设计就偏难了，在考核时会综合衡量考核项的难度、个人的贡献度等因素。

加工过程传输原理课程重点关注分析与解决复杂工程问题能力以及综合素养的培养，上述课程结构构架与评价体系将基础理论知识、课堂表现、项目实施融合在一起，具备了知识考核、能力培养以及素养提高的三重功效。整个体系突出了对学生夯实基础理论、提高综合能力与素质的评价，也反映出了学生在整个课程学习过程中的真实效果和获得的能力。

教学不是一个独立的单元过程，而是一个持续改进的过程，依据上一轮课程教学目标与实际达成效果可以分析整个教学过程中的成效与存在的问题，进一步修改教学方案，从而不断提升教学质量。

四、结语

加工过程传输原理課程是一门以高等数学为工具，以大学物理和材料力学为基础的专业基础理论课程，该课程是支撑材料成形与控制工程、冶金工程的必修基础理论课程，传输原理也处在不断向前发展的进程中，特别是高等数学的发展直接影响传输原理的问题求解，因此该课程是一门难教且难学的基础理论课程，传统的教学模式无法取得良好的教学效果。

本课程教学组采用基于OBE理念的项目制教学对课程进行构架，强调分析与解决复杂工程问题能力与灵活运用的综合能力的培养，实行“以学生为中心”的教学方法，让学生在学习基础理论并夯实基础的同时得到实践，即以实际项目为载体，使其在自主学习、团队协作、分析问题、解决复杂工程问题、书面与口头交流等方面得到良好的训练。最终不仅让学生掌握扎实的理论基础，还使其综合分析与解决问题的能力和素养得到提高，为其将来从事材料成型与控制、装备制造、汽车、钢铁及有色冶金等相关行业的工程设计、技术与产品开发、工程项目研究以及项目管理等工作打下坚实的基础。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 国务院办公厅. 国务院关于深化产教融合的若干意见[Z]. 国办发﹝2017﹞95号，2017.

[2] 中国工程教育专业认证协会. 工程教育专业认证标准[EB/OL]. http：//www.ceeaa.org.cn .

[3] Stanford University. Open Loop University Stanford 2025，2100[M]. Stanford University Press，2013.

[4] Accreditation Board of Engineering and Technology （ABET）[EB/OL]. http：//www.abet.org.

[5] 冯其红，杨慧，马建山，等. 基于“以学生为中心”理念的课程改革与实践[J]中国大学教育， 2018（10）：68-71.

[责任编辑：刘凤华]