基于多元评价体系的“现代机械制造技术与装备”研究生课程建设与实践

吴 斌,姜 迪,卢 轶,易 扬,李建华,刘 英,贾向东

(南京林业大学机械电子工程学院,江苏 南京 210037)

智能制造转型升级对高校培养人才的知识结构、工程能力提出了新要求。然而,当前许多困扰工程教育的问题,如创新人才缺乏以及工科毕业生的知识交叉融合、国际竞争、经营管理和动手实践等方面能力不足,依然没有得到有效解决。课程作为人才培养的落脚点,亟需实时响应行业需求,迭代升级,从科学范式回归到工程范式。

“现代机械制造技术与装备”是机械类专业学位研究生的学位课,也是专业必修课,是学生了解现代机械加工技术体系的重要课程。但是,随着各种先进制造技术不断应用于工业生产,传统的教学内容和方式与不断涌现的新材料、新技术、新工艺的矛盾十分突出,迫切需要对当前的课程教学进行变革[1]。基于成果导向教育(outcomes-based education,OBE)的教学理念是教学改革研究的热点,众多专家学者提出了许多行之有效的教改方案,并在教育改革中广泛应用[2]。OBE教育理念以学生的学习产出作为教学目标,强调学习成果,以此为驱动,对教学活动和评价标准进行反向设计,已被众多高校广泛接受[3]。因此,南京林业大学“现代机械制造技术与装备”课程教学团队基于OBE理念,以能力培养为导向,对课程进行了深度改革,解决了教学内容和教学资源更新迭代速度慢、与产业需求契合度不足的问题,实践能力培养模式单一、课程实施缺乏有效保障的问题,课程建设调控机制柔性不足、学生能力培养不能同步响应企业需求的问题。自2018年以来的教学实践表明,课程改革使教学进程更生动直观,教学效果良好。

1 课程目标和课程教学理念

1.1 课程目标

1)知识目标:建立现代机械制造技术和装备领域的知识系统;对领域前沿中的新技术、新材料不断进行更新和迭代;深度产教融合获取实际工程问题的相关知识。

2)能力目标:具备独立对复杂工程项目问题的分析和解决能力、良好的团队协作和表达能力。

3)思政目标:以“十四五规划”、《中国制造2025》为引领,明确作为工程师的社会责任,努力实现中国式现代化。

1.2 课程教学理念

秉承OBE中“以学生为中心”的教学理念,坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的原则,将立德树人和思政教育融入教学过程。通过案例教学、课堂讨论和实验将知识学习与能力培养深入融合,引导学生通过探究式学习将理论知识向教学实践逐步转化,促进理论研究与实践研究的相互融合。在教学评价中将形成性评价和终结性评价有效结合,全面评价学生能力的达成情况,并根据评价结果调整教学过程,促进学生能力达成,形成正向循环。通过任务驱动式、激励探究式、自主学习式的课堂讨论和实验提高学生学习兴趣,并形成教学案例库,满足学生多样化需求。根据课程内容涉及多学科领域知识交叉融合的特性,利用项目式教学充分培养学生的工程素养、解决复杂工程问题的能力和高阶思维。

2 课程内容和课程思政

2.1 课程内容

“现代机械制造技术与装备”课程主要阐述了现代产品加工制造涉及的系列加工方法的原理、工艺及装备。随着各种先进制造技术不断应用于工业生产,不断涌现的新材料、新技术、新工艺推动着传统的教学内容和方式不断变革。基于此,课程的主要教学内容设置见表1。

表1 课程教学模块和教学内容设置

此外,为了保障课程教学内容和教学资源能够及时更新,建立了课程教学内容和方式的动态调整机制,如图1所示。通过“前置性、同步性、总结性”多元评价体系,实现课程教学内容与方式调整“双循环”。每年走访、邀请行业和企业专家座谈,了解行业需求,持续动态优化课程各专题模块中的内容配置。聘请产业教授加入课程团队,与授课教师共同评价与反馈,发现学生能力短板,及时调整教学方式,提升课程内涵。

图1 课程教学内容和方式调整机制

2.2 课程思政

如图2所示,在课程思政方面,课程以“十四五规划”为引领、以《中国制造2025》为契机,以二十大报告中“实现高水平科技自立自强”为己任,引导学生明确作为工程师的社会责任,担当新时代社会主义现代化建设的历史使命。

图2 课程思政元素和思政体系

3 教学方式与考核

3.1 教学方式

案例教学是指教师根据教学目标和要求,将真实案例融入课堂教学过程中,学生在教师的引导下对案例进行自主学习、分析讨论的一种教学方法[4]。案例教学是以学生为中心、以案例为基础,注重培养学生的思辨能力和解决实际问题的能力,改变了传统教学中以书本为中心的应试教育,现已成为教学中最重要的手段[5]。因此,如图3所示,课程采用了将项目案例融入课堂讲授、研讨与实验等环节的教学方式,结合文字、图片、动画和企业现场视频等多种媒介促进教与学。

图3 多样化的教学方式

具体实施如下:

1)课堂讲授环节,教师结合案例库对各教学专题进行讲解。讲授过程中,以新工科人才培养理念为引领、以学生为中心、以强化工程综合能力为目标,建立基于情境构建和探究迁移知识的创新教学方法,使学生实现“理解—设计—优化”的知识层次递进。

2)课堂讨论环节,以教师与学生共同制定自主讨论方案并实施为主。开放性设计,鼓励自主式探讨,允许学生根据指定范围查阅资料进行准备,进而不断优化研讨方案,引导学生自主学习。

3)实验环节,学生自主探究实验原理,并主动、自由、创造性地进行实验项目的学习。采用互动式教学方法,让学生对实验参数进行设定及调整,亲自参与加工环节的开发与调试,改变传统实验教学中“重理论讲授、轻过程分析”的不足。

3.2 考核方式

如图4所示,课程考核采用多元客观评价体系,过程性考核和终结性考核相结合。

图4 课程考核方式

4 教学案例和创新

如图5所示,课程教学团队自主开发了“实木板材加工虚拟仿真实验”教学模块,实现了实验教学的三大创新。

图5 自主开发的实木板材加工虚拟仿真实验教学模块

1)情景浸入式:设立一个实木板材缺陷识别与优选加工的实际情境(包括生产场景和过程场景),将学生带入知识产生的情境中,身临其境地体验实木板材缺陷识别与优选加工的各个环节,统筹安排控制任务、直接观察生产过程、实时反馈控制效果、互动解决生产问题,激发学生的学习兴趣和主观能动性,同时拓展学生的思维空间。

2)任务驱动式:设计两个实验任务(缺陷定位与分类、优选排样最大桌面),通过完成任务和解决问题使学生更主动、更广泛地激活原有的知识和经验,理解分析并解决问题,不断获得成就感,更大程度地激发学生的求知欲望,提升独立思考和持续探索的学习能力,培养开拓进取、勇于创新的精神。

3)激励探究式:设置基础算法和提升算法,激励学生通过实验观察、思考分析和交流讨论等途径自觉主动地探索相关参数之间的内在联系,从而找出控制规律,建立对实木板材缺陷识别与优选系统的认知模型和学习方法架构,拓展学生的创新思维和创造能力。

5 教学成效与共享示范

5.1 教学成效

“现代机械制造技术与装备”作为一门必修课,有着广泛的学生基础,通过不断深入完善课程内容以及教学方式的设置,推进案例教学,以实际工程项目的调研、开发、优化等环节打开学生的工程视野,锻炼了学生全方位的工程综合能力,获得了学生的正向反馈以及积极评价。

在教学实践当中不断积累工程案例,归纳出现代设计技术、现代生产管理技术和先进制造工艺三大专题,录制了相关机械制造技术及装备在企业实际应用的视频,较直观地展现了目前实际生产环境下各类机械制造技术及装备的应用,激发了学生分析问题、解决问题的兴趣,获得了学生的赞誉。案例库的构建思路和构建方法已整理总结发表于专业刊物上,为国内相关专业教师提供了案例库建设的指导。同时,案例库为相关专业课程提供了强大的案例资源,实现了校内的资源共享,未来伴随本课程案例库的不断完善,这些课程案例将在更大的平台发挥作用。本课程2021年获南京林业大学研究生一流课程建设立项,2022年获批江苏省研究生优秀课程。

5.2 共享示范

1)对课程教学进一步总结,形成案例教学、实践教学与实验教学相结合的创新教学方法,并形成教学改革质量分析研究报告和相关研究论文,进一步扩大课程教学改革的影响力。

2)依托南京林业大学的国家级和省级虚拟仿真实验平台,对课程案例资源进行开放共享,进一步扩大课程资源的共享力度。

3)依托当前常用的超星、中国大学MOOC等网络平台建设线上课程,形成课程的线上线下联动,进一步扩大课程共享力度。

6 总结与改进

课程建设与实践总结如下:

1)加快了课程教学内容迭代,深化了教学方法改革,从教学资源和教学方法两个维度共同保证课程教学的有效实施。

2)紧跟企业需求和学生能力培养效果,建立贯穿所有教学环节的“前置性、同步性、总结性”多元评价体系,持续改进课程各模块中的案例配置,动态调整课程教学内容与方式。

3)通过课程建设中的动态调整机制,保障了课程内容动态响应行业发展对学生工程能力培养的需求。课程教学改革以来,学生在工程素养、创新能力和国际视野等方面得到了明显的提升。

课程未来持续改进展望:

1)通过联合培养研究生、共建研究生工作站和聘请产业教授等方式增加合作企业,尤其是行业内的名优企业,确保能够持续更新教学案例。

2)通过“请进来、走出去”的模式邀请工程师进课堂或推荐团队中的青年教师去优质企业锻炼,进一步提升课程教学团队水平。

3)进一步挖掘课程思政元素,同时细化学生评价环节,促进课堂讨论更系统、实验素材更丰富。

4)持续跟踪国内外知名高校机械工程专业的课件、教学大纲及使用案例和科技发展前沿,对各个教学主题模块进行持续更新,形成更为系统、合理的教学案例专题体系。