基于OBE理念的智能制造工程专业程序设计课程教学改革

刘 琼，彭 寒，杨 鹏

(1.西安航空学院计算机学院，陕西 西安 710077)(2.西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 咸阳 712100)

OBE(outcome based education)是一种基于学习产出的教育模式，强调以学生为中心，聚焦于学生最终达成的学习成果。以OBE理念为导向的课程教学是促进学生学习从被动渐进式向主动持续式方向发展的有效手段[1-2]。

智能制造工程专业是新兴的多学科交叉专业，程序设计课程是其专业核心课程，具有较强的理论性、工程性与技术性[3]。为了将教学内容具体、精准地转化为学生的学习成果，增强对学生的潜力挖掘和能力的培养，基于OBE理念重构课堂教学是亟需解决的问题。

1 程序设计课程的成果导向设计

程序设计就是利用高度逻辑化的方法描述一个实际问题，并用基本指令以及指令之间的契合方式来解决问题，高效、快速地完成单纯依靠人力无法完成的任务。基于OBE理念的反向设计，将程序设计过程分为离散阶段、建构阶段、转化阶段和具化阶段，如图1所示。离散阶段将复杂问题通过拆分、抽象等方式转化为一个个简单的子问题，需要学生具备问题分解思维能力；建构阶段将子问题与框架相互对应，需要学生具备框架设计思维能力；转化阶段将框架中的子问题与计算思维逐一关联[4]，需要学生具备计算思维关联能力；具化阶段针对各个子问题，根据语法规则，撰写一系列详细的解决问题的步骤，需要学生具备算法设计思维能力。

图1 程序设计的能力要求

2 教学设计

2.1 教学内容划分与重构

为了在教学内容中实现知识、技能与应用的无缝衔接，以智能制造中的实际工程项目为载体，通过提炼、简化、重组构建教学项目，实施离散、建构、转化、具化过程，使学生、教师、教学项目三者之间产生良性交互，培养学生的核心竞争力。

对教材中的知识点、技能点所形成的知识体系进行重新整理，打破章节结构，将教学内容分为集成环境、语法、函数和方法学4种类型[5]，根据每一种类型的特点进行教学项目的设计。为了实现标准化教学，教学项目由任务导读、知识讲解、任务实施、应用拓展4部分构成，设计时应注重增加应用性内容，减少验证性内容，即“一增一减”，保证学生充分进行能力训练，如图2所示。

图2 教学内容划分与重构

2.2 教学组织转变与优化

为了消除传统广播式授课方式造成学生被动学习的窘迫现象，以学生为中心，注重增加实践机会，减少讲授时间，实现“一增一减”，教学组织转变与优化如图3所示。将整个教学过程划分为课前、课中、课后3个阶段，力求形成学、做、训、创的交互融合，保证学生充分参与到教学活动中，发挥其学习的主观能动性。

图3 教学组织转变与优化

课前阶段，教师对上一个教学项目的实施情况进行评价，依据评价结果及教学素材设计下一个教学项目，将问题分解思维能力、框架设计思维能力、计算思维关联能力和算法设计思维能力的培养融入教学情境中，将教学项目中的核心内容制成视频，上传至在线课程教学平台上提供给学生预习。

课中阶段，力求实现学生从“学”到“用”的跨越。首先，教师在理论讲授过程中启发学生思考，并进行有针对性的提问，循序渐进讲解知识点，学生通过听讲、课堂互动来理解、记忆，实现“学”；然后，教师演示程序，学生观摩并记录实操演示中的要点，对程序进行复现，实现“做”；接着，教师下发同类型任务让学生自主练习，通过巡视、沟通、个别指导等方式辅导学生，学生在此期间理顺逻辑、探索技巧，实现“训”；最后，教师总结要点并提出新的任务，该任务是对课中任务的延伸，通过个性引导学生内化知识与技能，实现“创”。

课后阶段，学生完成拓展任务，结合课堂任务的实施情况进行有效梳理，完成自我建构。在完成教学项目的学习之后，学生根据在线课程教学平台上的课程资源进行预习，为下一个教学项目的学习奠定基础。

2.3 教学效果反馈与评价

充分运用现代信息技术提高教学信息反馈的广度与深度，实现“一提高”，支持教师做出教学决策，促进教与学双方的成长。教学效果反馈与评价结构框图如图4所示，课中学习阶段要进行在线检测和实时跟踪改进，及时修正教学过程中的问题，使教学评价促进教学改进的作用真正得以落实，保证课程教学质量的持续提升。在整个教学项目的实施过程中，依据教学项目建设规划和建设目标，结合教学反馈信息，全面推进课程资源建设。

图4 教学效果反馈与评价

3 教学模式的构建及实践

3.1 教学模式的构建

根据上述分析，本文提出以OBE理念为导向的“两增两减一提高”理实一体化教学模式，如图5所示。

图5 “两增两减一提高”理实一体化教学模式

3.2 教学实践

3.2.1教学内容

在“程序设计基础”课程中，以“金属切削刀具管理系统”这一实际的工程项目[6]为对象，将教学内容进行重构，如图6所示。首先将该系统分解，形成10个教学项目；然后根据程序设计主线确定教学项目的实施顺序；接着依据教学大纲将课程内容与教学项目进行关联与融合；最后在每个教学项目下设置不同的子任务，在教学时依据“任务导读—知识讲解—任务实施—应用拓展”的顺序展开。在这样的体系下，学生所面对的学习任务均具有实际性、设计性，明确了知识与技能的应用途径与场合，补全了传统教学中能力训练不足的短板。

图6 “程序设计基础”课程内容设计

3.2.2教学组织

1)SPOC在线学习。

在“学习通”平台上建设SPOC(small private online course)在线开放课程，在教学平台上上传相关的教学资源供学生自学，教学资源以教师录制的讲解视频为主，讲解视频采用系列化的形式，每个教学任务发布3～5个视频，单个视频的时长在5 min以内，便于学生利用零碎时间进行学习[7]。为了拓宽学生的视野，教师通过知识辅助手段引导学生从网上碎片化信息中获取知识与技能，并通过测试促进学生对碎片化资源的整合、利用，形成更加全面、新颖、丰富的认知。

2)分组互动教学。

在课堂教学过程中，为了让学生真正行动起来，教师组织抢答、测验、投票等活动，学生通过完成任务实现课堂互动。同时，教师随机指定学生展示自己的代码及运行结果。课堂教学不仅需要师生互动，而且需要学生之间的互动[8-9]，因此在任务实施环节，将学生分为若干小组进行实践。在分组时，需要注重学生的个性和特长互补，这样有利于提高小组内部的互动、交流，在小组协同工作期间，教师及时给予引导与纠错，确保任务的顺利实施。

3)课后拓展训练。

教师在“学习通”平台发布课后测试题目，测试以实战性设计为主，体现课堂内容的延展性，并具有一定的开放性，学生通过复习课堂内容、查阅课外资料、与同学探讨等方式完成测试训练。教师对学生的拓展训练成果及时进行评价，并为学生答疑解惑。

3.2.3教学反馈

过程性评价由访问次数、课程视频学习时长、课后测试成绩等部分构成；形成性评价由章节测试成绩、期末考试成绩构成。“学习通”平台提供了强大的数据监测与统计功能，完整记录学生课前、课中、课后的学习活动，如图7所示。教师通过统计数据分析学生学习情况与掌握程度，动态检测学习效果，根据学习效果对课堂教学方法与手段进行及时改进与创新，适应学生的发展需求。

图7 教学全过程监测与反馈

3.3 实践效果

将构建的“两增两减一提高”理实一体化教学模式在西安航空学院机械工程学院智能制造工程专业202班进行教学实施，32名学生以3～5人为单位构成学习小组，分组开发了夹具、模具、量具、检具、辅具、设备等6个管理信息系统。以量具管理信息系统为例进行说明。在实际的机械加工中，大量的量具在库房、车间、机床之间高频次地交换与流动，传统的依靠人工记录量具信息的方式易造成量具丢失、浪费，增加了企业的生产成本，学生开发的量具管理信息系统包含量具库存管理、量具校验管理、量具领用归还管理、量具成本统计管理、量具采购管理等5大模块，可以对量具进行跟踪，协助技术人员制定量具的需求计划和选配方案，进行有效管理，降低企业成本。学生在项目实践中工程能力得到了显著提高。课程考核结束后，根据课程目标达成度的计算方法进行评价，相对于其他平行班而言，应用该模式的班级在各个指标上的达成度均有提升，学生的学习效果优于其他班级。

4 结束语

本文基于OBE理念反向设计，从教学内容、教学组织、教学反馈三个方面出发，构建“两增两减一提高”的理实一体化教学模式，并给出可操作性较强的策略与途径。经教育实践可以发现，该模式有助于学生形成自我学习、合作学习、反思学习的能力，在一定程度上能够促进学生形成主动持续式的学习习惯。采用该模式进行教学的班级，教学质量较高，学习效果优于其他班级，易于实现理论知识与实际生产的对接。根据课程特点和具体的教学环境，对本文的教学模式稍加改进和优化，可以推广应用至其他工科类专业。