新工科背景下基于OBE理念的“机械产品设计与制造”综合实践课程教学改革

陈乐尧，陈国强，卿上乐，黄 炼，何丽红

（湖南工程学院 机械工程学院，湖南 湘潭 411104）

自2017年教育部启动第一批“新工科研究与实践”项目、开启工程教育改革创新以来，国内的综合性高校、工科优势高校和地方高校分别根据自身特点建设新工科，进行了大量的改革实践，［1-3］使新工科建设契合当下新兴产业与新经济的需求，引领新兴产业与新经济的发展。特别是在“新工科”背景下基于OBE 教育理念的改革已经形成完整的理论体系，已经探讨出许多成功的实践模式，专业认证强调的反向设计、以学生为中心和持续改进是OBE 教育理念的核心。为此，基于OBE 教育理念，积极开展基于新工科背景的专业教学改革与实践，［4］从2017年开始就针对机械设计制造及其自动化专业的“机械产品设计与制造”综合实践（以下简称“综合实践”）课程进行了改革探索。

“综合实践”课程是开设在机械设计制造及其自动化专业的所有专业课程教学完成之后的一门综合性实践课程，也是学生后续参加企业实习的过渡环节。根据工程专业认证的要求，设计“综合实践”课程环节的出发点在于培养学生解决“复杂工程问题”的能力。“复杂问题”是指技术上难于理解或分析，更多的是指问题没有规定的答案或涉及多个范畴。例如工艺方法的编制，可以有多种实现方案，合理的就是可行解，而且需要运用专业的工具对问题进行表达和描述。“工程问题”是指问题的解决要强调应用性，要强调如何有组织地实现问题的实践解决，并且要考虑生产条件、人力、物力、团队协作等多方面的因素来实现工程目标的达成。因此，从培养学生解决“复杂工程问题”的能力角度来看，“综合实践”课程教学内容与环节的设计具有重要意义。

过去在该课程的教学实践过程中，存在一些亟待解决的问题。“综合实践”课程的教学目标定位不够清晰，实践过程中过分注重加工操作，加工的作品来源于已有产品的测绘，强调作品的一致性、标准化。不注重培养创造性思维能力，没有以产品为中心设计一套解决问题的流程。学生在解决实际问题的过程中难于将理论课程知识点之间的联系建立起来，导致在实践过程中不能灵活运用相关知识解决具体问题。

李志义等［5-6］指出，OBE 除了前述三大核心思想，理解OBE 的内涵还应包括强调人人都能成功、强调个性化评定、强调精熟、强调绩效责任和强调能力本位。OBE 的特点包括成果决定而不是进程决定、扩大机会而不是限制机会、成果为准而不是证书为准、强调知识整合而不是知识割裂、教师指导而不是教师主宰、顶峰成果而不是累积成果、包容性成功而不是分等成功、合作学习而不是竞争学习等，这些都为“综合实践”课程改革指明了方向。又如，李贵等［7］在机械类课程设计教学中实施组团协同、一团一题、多方案优化设计的分享式教学方法，提高课程设计的广度和深度，促进学生的个性化培养，突出培养学生的工程能力、实践能力、创新能力和自主学习能力。雷钢［8］提出并构建了“目标导向、问题求解、任务驱动”三位一体实践平台及教学体系，提升创新创业实践教学的实效性。刘峰等［9］基于OBE 教学理念进行的教学改革，转变传统的教学方式，实现“学生为中心”的教、“成果为导向”的学，培养学生“应用知识”学习观，提高学生的应用知识能力和创新能力。这些改革都从不同侧面为“综合实践”课程教学改革提供了可以借鉴的思路。

本文以“机械产品设计与制造”综合实践课程教学为研究对象，基于OBE 教育理念，分析了设计该课程环节的总体思路，包括设定教学目标、教学要求、教学内容、学习成果等。重点研究了设计该课程环节的三大教学理念和四大关键措施。

一 “综合实践”课程的总体设计、实施与评价

根据OBE 的教学理念，对“综合实践”课程进行了反向设计和正向实施。所谓反向设计是根据应用型工程师的能力要求确定“综合实践”课程的学习目标，根据其学习目标确定该课程学习要求，根据其学习要求明确学习内容。所谓正向实施是通过对所学专业知识的流程化梳理，指导学生进行实践综合运用，巩固专业学习内容，提出具体学习要求，达到学习目标，取得学习成果，培养相关能力，使学生满足社会需求。

（一）“综合实践”课程的学习目标设定

根据“职业带”人才结构理论［10］（见图1），将工业职业领域需要的各类工业技术人才的知识和技能结构用一个连续的职业带来表述。工业技术人才按不同的职业性质，分为技术工人（从A—B 区域）、技术员（从E—F 区域）和工程师（从C—D 区域）三个系列。各类人才的交界处是重叠的。斜线A′D 的上方代表操作技能，下方代表理论知识。技术工人主要要求掌握操作技能，工程师侧重理论知识，技术员则两方面都有一定要求。G-G′-G′′反映了某个职业岗位对操作技能和理论知识两者要求的比重。这三个系列人才的教育相应地称为“职业教育”“技术教育”和“工程教育”。应用型地方本科院校培养的主要是应用型工程师，其培养目标主要指向职业带中的CF 区域。要求其既要了解一定的操作技能，也要具有较好的理论基础，其主要特征是将工程原理应用于工程实践，在未来企业的工作中作为技术员与研发工程师的桥梁。基于应用型工程师的定位要求，机械设计制造及其自动化专业设置了“综合实践”课程，按照OBE 反向设计理念，经过广泛的校友访谈、征求企业的工程专家意见、教研室分析讨论，明确了该课程的学习目标：使学生能够综合运用工程图学、机械原理、机械设计、制造工艺、制造装备、液压与控制等所学专业课程的知识，围绕一个具体的工程问题进行求解，打通各专业课程知识点的关联性；着眼于培养学生的创新设计能力、沟通协调组织能力、机械制造工艺编写能力、机械加工设备操作能力、团队合作能力和项目管理能力；使学生初步体验和实践创意设计、加工制造及成果呈现的完整流程，建立机械设计制造的系统观念。根据以上学习目标，依次确定具体的课程“综合实践”学习要求、提炼课程的学习内容和明确课程学习成果。

图1 “职业带”人才结构理论模式

（二）“综合实践”课程的学习要求与学习内容设定

“综合实践”课程学习的要求：通过设定一定的实践任务，以完成具有一定功能的产品为载体，学生组建团队后进行一次从功能构思创意、原理实现，到最后进行成果竞赛展示的全流程训练（见图2）。训练的流程参照企业研发的流程，使学生学会运用各种专业工具、设计分析软件，通过实践初步了解企业产品的实际开发流程，使学生能够在今后企业学习中很快地适用企业的工作需求。

图2 “综合实践”课程组织流程

在“综合实践”课程学习内容的安排上，要考虑课程具有理论与实践相结合的特点，特别要注重知识的融合应用和创新应用，要考虑将常规方法与新技术新方法相结合，引导学生使用现代设计工具和先进加工方法解决问题，提升能力。按照专业实际情况，学生在进行“综合实践”课程之前，需要具有工程图学知识模块、机械设计知识模块、机械制造知识模块、机械创新设计知识模块等知识。因此，“综合实践”课程的学习内容：以产品设计为纽带，将相关知识串联起来，将知识模块整合为知识矩阵，实现理论与实践的结合，并体现为培养学生的分析能力、计算能力、表达能力、设计能力、制造能力；以发展、联系的观点为导向，注重课程间渗透，实现应用知识能力和创新能力的培养。［8］

（三）“综合实践”课程的学习成果设定

在课程学习成果方面，要求学生根据一定的主题设计具有特定功能的结构，完成一件可以实现预设功能的作品，而且作品应符合“技术系统完备性法则”［11］，即作品应该具有动力装置、传动装置、执行装置和控制装置（见图3）。因为作品装置的功能越完备，实现功能的自动化程度就越高，需要用到的相关专业知识就越全面，特别是需要交叉运用多学科的知识来解决工程问题的作品。要求作品具有动力装置，学生可以考虑采用电机驱动，必然会产生外购需求，而不会仅仅满足于设计一个手柄，用人力驱动；要求作品具有传动装置，必然会采用所学机械原理知识来设计相关机构；要求作品有控制装置，至少会采用一些控制原理，如开关、小的电控模块或遥控技术等实现运动的控制；要求作品具有执行装置，必然会对实现作品的功能对象产生关联，如设计夹持装置等，作品功能演示时才容易达成效果。提出这些要求的目的是激发学生的学习热情和探索精神，提高学生发现问题、分析问题和解决问题能力。另外，作为学习成果，应要求学生提交该作品的设计说明书、总装配图、零件工程图、工序卡、三维设计模型、演示汇报文档等全套资料和实物模型。

图3 设计作品的技术系统组成完备性

（四）“综合实践”课程学习的正向实施

“综合实践”课程完成反向设计后，需要进行正向实施。首先要根据机械设计制造及其自动化专业先修课程学习的内容，设计好该课程的具体实践流程，使学生明确学习的要求，让所有学生最后取得学习成果，达到提高相关能力的目标。“综合实践”课程的正向实施流程与能力目标达成的对应关系如表一所示。

表一 “综合实践”课程的正向实施流程与目标达成

从表一中可见，以“综合实践”课程的流程为主线，在分析了其先修应用知识及主要知识点的基础上，提出了在综合实践的各流程环节中要求达成的学习成果及应该达成的能力目标。

通过以上要求，学生需要综合运用本科阶段学习的大量专业知识和专业工具，针对一个具体的复杂工程问题，按流程实现对问题的分析、研究、解决，并获得工程化的实践成果。初步建立起了各理论知识点与工程实践的有机结合，实现一次理论到实践的质的飞跃。

（五）“综合实践”课程的学习成果考核评价指标

在实践的过程中通过检验学生学习的成果达成，进行过程控制和考核评价。要求指导老师在过程中指导和检查学生的阶段成果，并作为考核的依据之一。详细的考核指标关系及分值如表二所示。

表二 “综合实践”课程学习成果考核评价指标

从表二中可见，根据评价指标制定的考核要素给学生明确了为成果而团结合作的学习要求，明确了努力的方向。

二 “综合实践”课程教学改革实施的主要教学理念与方法

（一）组织实施方式突出以学生为中心

“综合实践”课程过去是学生根据老师布置的内容进行某个项目设计，按老师的要求完成任务，组织实施方式是以老师为中心。根据老师的要求，有的学生是测绘或按现有产品进行“复制”，设计绘图加工装配，实践教学过程简单，挑战性小，积极性不高。基于OBE 教学理念以学生为中心的思想，指导学生成立组织委员会进行策划和组织实施。例如:分组由学生自主组队、自主分工与组织活动;实践任务由学生自主选题，而且选题要求一定要有创新性，要实现一定的功能，能解决实际的问题。老师由“综合实践”课程的组织者变为服务者和引导者，主要负责搭建平台，提出实践目标要求，规定时间节点，进行必要的方法指导，指出学生的努力方向等。学生由“要我做”变为“我要做”，提高了学生参与的积极性。

（二）作品呈现方式突出以成果为导向

“综合实践”作品呈现方式，过去是每组将完成的作品和打印装订成册的资料一起交给老师，老师评阅并给予成绩；现在是采用团体竞赛模式，机械设计制造及其自动化专业大三全体同学参加，组织成果汇报会。学生按团队进行成果汇报，将作品的功能、特点、设计模型等制作成PPT，结合实际作品进行功能演示。邀请专业老师和企业工程专家作为点评嘉宾和评委，对作品的特色、问题等进行点评，每个学生团队也派出一个代表对其他的团队的作品进行评分。根据专家评委和学生评委的评分结果加权决定作品的成绩或名次，学校对获奖团队颁发团队获奖证书，每个团队成员都可以分享到团队成功的喜悦。

（三）成绩评定方式助力培养团队合作意识

“综合实践”课程成绩的评定分为两级评定制度：第一级是评定出团队的名次，团队名次通过竞赛获得，主要依据表二的考核指标由评委考核决定；第二级是在团队内进行贡献度排名，主要通过团队成员互评获得。团队名次决定团队获得优良率的指标，团队成员的成绩根据团队的优良率指标按贡献排名确定。团队成员想获得好成绩，首先必须在团队里做出有目共睹的贡献，其次是团队合作的成果必须在汇报比赛中获得好名次。一方面，个人贡献大、排名靠前可以得到团队内的好成绩；另一方面，汇报比赛团队名次好，团队可以得到更多的优良率指标，团队成员的总体成绩水平可以评价得更高。从而充分调动争先创优的激情，助力培养良好的团队合作意识。

三 “综合实践”课程教学改革措施

（一）强化以团体竞赛为抓手，规范组织流程促进合作学习

根据OBE 理念，该课程是机械设计制造及其自动化专业的每个学生都必须参加的实践课程。每个班分成若干小组，小组人数以5 人左右比较合适。建立团体竞赛机制，以团队为参赛单元完成综合实践的流程，通过成果展示决胜出团队排名，以团队排名高低分配不同的优良成绩比例。建立这种竞赛机制的目的是激发团队成员的参与意识，人人争取做出自己的贡献。团体竞赛汇报机制可以全面提升学生的表达能力和沟通协作能力，促进学生相互的合作学习。

（二）强调以成果为导向，完善激励机制促进自主学习

根据OBE 教学理念，“综合实践”课程的学习成果主要是聚焦在作品完成水平上，其他所有的设计文件、过程资料、分析数据等都是为作品服务。学生作品就如工厂生产的产品，产品价值的体现是在于客户需求能否通过产品的功能实现，客户购买的是产品的功能。因此，学生需要主动想办法使自己作品与众不同，能进行完美的功能展示。而且要有强烈的创新意识，才可能做出好作品。在成果汇报之前，学生会主动修改和完善作品，尽量使作品结构完整、功能完备、效果展示与众不同，有的还会对作品进行汇报预演，力争得到评委支持，取得更好成绩。老师也会指导学生按照PDCA 循环的思想对作品进行持续改进。根据几年来的教学实践，学生在开始加工和装配自己的作品后，发现装配干涉等问题时，才会真正理解前面设计中存在的问题。这是学生发现问题、分析问题、解决问题，从而进行能力训练的最好机会。在持续改进的不同阶段，团队里每个学生都可以出谋划策，从而得到更加全面的工程训练，提高团队成员解决复杂工程实践问题的能力。“综合实践”以产品设计制造过程作为纽带，通过解决产品存在的问题，可以促进学生思考、讨论、查找资料，促进自主学习，一旦问题解决，可以获得经验和成就感。

（三）坚持以学生为中心，完善组织机构促进全面学习

围绕团体竞赛活动的开展，成立“综合实践”课程的组织执行机构（见图4），包括竞赛活动组织策划委员会、指导老师团队、机械设计制造及其自动化专业大三年级全体同学组建的每个参赛团队。

图4 “综合实践”课程改革后的组织机构

活动组织策划委员会在老师指导下由部分学生组成，每班都要求有同学参加，负责组织相关的竞赛活动，按“综合实践”课程的要求制定活动策划书，规划活动各阶段的时间节点，设定具体竞赛汇报的流程、主持、会务等活动，这些学生将得到一些活动策划等方面的能力训练。

每个参赛团队设组长一名，负责团队成员的协调组织、方案讨论、任务分配、组织评定成员的成绩等工作。团队成员要在活动中通过各种互动交流沟通协作，力争完成团队目标。指导老师团队负责对各参赛团队的指导，对学生的作品提出富有挑战性的改进意见，引导学生朝着获得更佳成果的方向努力。

团队竞赛模式、组织策划竞赛、团队小组汇报等活动可以锻炼学生除了专业知识之外的组织协调能力、表达能力，使学生获得除了专业知识之外的学习锻炼机会。

（四）结合项目化管理理念，保证学习时间促进探究学习

根据人才培养计划，第六学期前十周，还在开设流体力学与流体传动、机械制造装备设计、机床数控技术、PLC 原理与应用等专业课。根据“综合实践”课程的特点，其教学计划按三个时间段进行安排，即宣传动员阶段、设计加工制作阶段、成果汇报阶段。宣传动员阶段主要完成团队组建、明确学习要求及实践要实现的成果，一般在第六学期初通过召开动员大会进行落实。同学们可以带着团队项目的问题开始预先研究、讨论方案等，充分利用课余时间组织开展项目相关准备活动。指导老师适时介入到学生的项目活动中，安排集中时间进行辅导答疑，目的是使同学们在理论学习过程中更有问题意识，提高专业课程的学习效果，为专业课程学习结束后的综合实践奠定基础。设计加工制作阶段安排在全部理论课学习完成后进行，用四周的集中时间进行设计完善、完成零件制作、外购件采购、装配、调试、改进、编写文档等工作。最后统一安排一天时间进行成果竞赛汇报。“综合实践”课程从学期初开始动员，紧密结合部分专业课带着问题探究学习，到设计加工制作阶段时会有更多打磨作品的机会、更多团队合作的机会，也更加符合教学规律，有利于目标的达成。

四 结语

机械设计制造及其自动化专业“综合实践”课程教学改革开展五年以来，在OBE 教育理念指导下不断进行探索实践，每学年进行一次基于该课程的成果汇报大赛。学生的作品越来越有创意，作品的功能完备性、自动化程度也越来越高，学生获得产品的创意、设计、制作、装配、改进、展示的全流程训练，全面培养了学生的创新意识、团队精神、动手能力、沟通协作能力。近五年参与受益学生857 人，学生设计制作作品126 项，以这些作品为基础，培育参加全国大学生工程训练大赛、挑战杯、大学生机械创新设计大赛等赛事，获得21 项全国三等奖以上奖项、72项省级三等奖以上奖项。通过五年的持续改革，形成了独具特色的课程教学改革新模式，为机械设计制造及其自动化专业2020年再次通过工程教育专业认证和2021年获批国家一流专业建设点提供有力支持。