基于OBE模式的實踐設計課程教學方法和成績評定方法探索
——以通用飛機/無人機實踐設計課程為例

李繼廣，董彥非，呂 毅，曹 艷，屈高敏

(西安航空學院 飛行器學院，西安 710077)

近年來，應用型本科教育得到了各界廣泛關注。2010年7月，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》正式發布，強調全國教育大會提出的“教育的目的是培養創新型、適合各類崗位的工程人才，促進國家工業化發展”[1-3]。2015年10月，教育部、國家發改委和財政部聯合發布了《關于引導部分地方普通本科高等院校向應用型轉變的指導意見》[4-5]，指出應用型本科院校應當服務區域、行業的發展需求，加強一線技術技能人才培養。該指導意見為“建設特色鮮明的高水平應用型本科院校”提供了依據。顯而易見，以就業為導向已經成為應用型本科專業建設的基本原則，畢業生的就業成功率、社會就業滿意度已成為衡量應用型本科院校辦學質量的重要指標[6]。在高等工程教學實踐中，實踐設計課程和成績考核是提高學生能力和檢驗學習效果的重要環節，也是提高學生實踐能力的重要途徑[7]。近年來，隨著應用型本科教育的發展建設，對學生的實踐能力提出了更高的要求，各應用型高校更加注重對學生工程實踐能力的培養[8-10]。然而，傳統的專業實踐設計課程存在實踐內容單一化、考核結果不科學、遠離工程實踐等不足，這些不足使得傳統的實踐教學并不能有效地提高學生的工程實踐能力。

針對傳統實踐教學存在的不足和應用型本科的教學目標，本文根據成果導向教育 (OBE，Outcome based Education)教學模式，設計了應用型本科實踐教學的方式和教學效果評估的方法。

1 傳統實踐教學存在的不足

實踐設計課程是本科工科類教學的重要環節，幾乎所有的專業課程都有實踐環節。然而，這些以提高學生工程實踐能力的實踐設計課程在實際教學中的效果卻不理想。就傳統實踐教學而言，有以下方面值得注意。

1.1 實踐內容單一

對于課內開設的實踐設計課程，大多針對本專業課程內容進行實踐。然而，就工程應用來說，幾乎沒有單一門學科知識的應用。以“飛行器總體設計”這門課的實踐設計而言，其直接相關的課程至少包括：“飛行器總體設計”“空氣動力學”“飛行力學”“結構力學”“材料加工”等。如果單純從“飛行器總體設計”出發進行課程設計，無疑會背離實際的工程應用。

1.2 實踐設計課程組織形式背離工程應用

傳統的實踐設計課程，或要求學生單獨完成，或要求小組協同完成。然而，對于大型的工程設計而言，大多采用總師負責制。在總師負責制下，將整個任務環節進行分解、各分系統獨立負責、團隊成員協同設計，依靠團隊的整體智慧實現整體最優。因此，在大型工業設計活動中，團隊協調、組織、合作能力是相較于專業技能之外另一些重要的能力。然而，傳統實踐設計課程注重的是學生個人的專業技能，團隊協調、組織、合作能力則沒有得到足夠的重視。

1.3 成績考核標準方式不合理

就課程效果評定而言，一般依據考試試卷、設計報告以及輔助的課堂考勤等等，這種成績評定方式明顯存在重結果輕過程的不足。值得注意的是，這種評價結果能夠真正反映學生真實的水平和技能嗎？試卷考試是不是考前突擊、死記硬背的結果？課程設計報告是不是僅僅是課本或者網絡算例的重現？學生在實踐過程中有何獨特的設計思想？和其它學科知識怎樣協調？團隊溝通是否順暢？這一系列問題都不能夠回答。需要更加注意的是，教師在設計環節無法及時參與，不能有效幫助學生提高實際工程技能。

基于以上分析可知，傳統的實踐教學和工程實踐是相割裂的，實踐結果并不能直觀的轉化為學生的工程技能，而且在實踐過程中，教師的作用除了偶爾的解惑，并不能及時發現實踐的問題，了解實踐的具體情況和效果，及時幫助學生提高，因此，要從實踐設計課程的組織方式和成績評定兩方面入手解決。

2 基于OBE模式的實踐設計課程設計

成果導向教育(OBE)是一種基于學習——產出為向導的教育理念，該模式著重關注學生的學習成效，強調以學生的學習成效來評價教學設計以及教學目標實施的合理性[10]。因此，該模式更加重視提高學生的學習效果。為了達到該目的，在課程設計環節就要明確以下問題：明確該課程希望學生在哪些方面有所提高？這些技能的提高會為工程應用帶來何種益處？怎樣達到使學生提高的目的？怎樣科學地評估學生的學習效果？

從OBE模式的介紹可知，該模式是一種向導性、反向設計方式。就具體實踐教學來說，應遵循以下步驟進行思考設計：工業實踐設計對學生素質、技能的需求(目標分析)；如何將這些需求融入實踐教學(課程設計)；如何有效、科學的評估教學結果(效果評估)；如何全程參與實踐過程，使其達到課程目標(目標實現)。

3 教學效果評定

從以上實施步驟來看，OBE模式需要通過教學效果來指導教學質量的提升，因此，該教學評定應包含過程成績評定和最終成績評定兩部分。過程成績評定以檢驗階段性教學效果，幫助教師認識學生的實踐情況，及時地參與到實踐過程中并提高教學質量。同時，過程成績評定也是幫助學生及時發現問題，及時解決問題的過程。通過對階段實踐的總結，使學生及時調整組員間的組織結構、優化學習效果，最終成績評定則是對整個實踐環節的評定，檢驗實踐教學最終的學習效果。因此，教學評定不僅是最終評定教學效果的依據，更是教師參與實踐教學、學生自我優化提升的依據。所以，教學評定是除了合理的教學設計之外，實施過程是更重要的一個環節。

3.1 過程成績評定

過程成績評定的主要目的是通過檢查、診斷和反饋，激勵學生主動學習。作為實踐設計課程參與的主體，學生對實踐過程的體驗最真實、最完整。因此，實踐教學應充分聽取學生的反饋和意見，具體到實踐環節，可以采取學生自評、交叉互評、階段負責人小組成員打分等措施。另外，教師也應在實踐教學的階段效果中發揮更大作用，具體實施可以通過設計成果階段性答辯、階段性設計報告等方式進行評價。教師應根據學生的自評、答辯、階段報告等方式，發現實踐設計課程存在的問題，引導學生對自己的團隊、自己的作用做出優化調整，實現優化提升的目的。

3.2 最終成績評定

最終成績評定是一個系統性工程，應當摒棄傳統單一的以最后試卷或報告作為評定的方式，代之以科學、合理、全面的方式對整個實踐過程進行評價。因此，最終成績評定應當以學生具體的專業技能的提高作為考核的目標，充分發揮實踐效果、專業技能、過程提高、協作組織能力等因素在最終成績評定中的作用，全面考核實踐過程所取得的效果。

4 基于綜合指數法的成績評定

4.1 綜合指數法

綜合指數評估法的一般步驟包括：指標體系的建立、指標的量化、各項指標權重的確定和綜合性能的計算。綜合指數模型指標體系構造一般按照以下準則。

4.1.1 獨立性

成績評定指標是由一系列相互緊密關聯的指標組成，這些指標的劃分是相互獨立的，并且同一層次的指標必須不能有重疊區間，不存在橫向的因果關系。要求指標的獨立性，可避免重復計算，減少不必要的評估指標，提高評估的效率。

4.1.2 完整性

對于成績評估指標，要能夠反映實踐教學任務的特征，以及描述實踐教學任務的完成程度，應使其盡可能地涵蓋各個方面，而不遺漏指標，從而可以更全面、正確、系統地考核學生的學習效果。當然，這種成績評定指標的整體完備性只是相對的，在實際評估時，允許省略一些指標中雖然有影響但屬于次要的因素以提高評估效率。

4.1.3 層次性

成績評定指標是分層次的，整個指標構成一個樹狀的結構，上一層指標應為下一層指標的概括，下一層指標應為上一層指標的具體體現。

4.1.4 科學性

對教學效果進行定量分析，即以成績評定指標作為學生實踐教學課程的評估標準具有十分重要的意義。

建立成績評定指標時，應盡可能量化下層指標，即下層指標建模計算后得到一個物理意義很明確的數據，而不是一組數據，這樣才能進行估算和評價。最后，建立的成績評定指標體系的大小要合適，意思明確，分層也要適當。評定指標量化主要是根據不同階段、不同評價對象、不同評價標準給出的成績進行標準化處理，從而消除個人打分的主觀因素。在各部分評定指標量化之后，還要確定各項指標對總效能貢獻的重要程度，即各項指標權重的確定，如前所述，各項指標權重指的是該項指標對系統總效能重要程度的衡量標準。在評定指標量化和指標權重之后就能對綜合性能進行計算評估，從而對系統的性能給出相對客觀的評價。

4.2 成績評定指標體系

以學生能力提高為核心，對學生整個實踐設計課程的學習效果進行綜合評定，應該根據綜合指數評估法的基本準則，建立完善的評估指標體系。針對實踐設計課程的特點和目的，建立實踐設計課程評定指標體系如圖1所示。

圖1實踐設計課程評定指標體系

在該評定指標體系中，學習態度反映學生的自我學習、自我成長能力。在當今科技飛速發展的時代，短短的在校學習階段不可能學會掌握所有工作所需的全部技能，因此，引導學生養成良好的學習習慣和學習態度，這對學生今后的成長至關重要。

團隊效率反映的是學生的團隊合作能力，正如前文所述，目前幾乎所有的工程項目都需要依靠團隊的力量來完成，因此，在實踐過程中，必須重視培養學生的團隊合作能力和意識。過程成績是學生自我總結、自我提升的重要環節，同時也是教師參與實踐教學、及時發現問題、引導優化的重要依據。對于實踐設計課程來說，要根據學生的設計結果評定最終成績，其設計成果的科學性和規范性是實踐教學質量最直觀的表現。

4.3 性能指標的量化

在該評價指標體系中，有些指標的評定可以直觀的給出分數，如教師根據考勤和觀察給出的學習態度成績，根據實踐報告的科學性、規范性給出的完成質量成績。而另一些成績的評定則有很多非客觀的因素夾雜其中，如團隊效率的評定，無論是學生的反饋或者根據完成質量情況進行評分都不能完全客觀的反映，過程成績中的小組互評成績也夾雜了學生的個人情感和受每個人評分標準不同的影響。因此，在最終成績評定時要充分考慮這些因素的影響。

所以，在成績評定指標體系中要實現評定指標量化，有必要對指標進行公度化處理。其處理方法如下：

式中，xij為單項給定成績；xmin、xmax為單項成績中的最低分和最高分；c為成績基準值；n為班級或者小組人數。

4.4 權重系數的確定

從評定體系可知，實踐設計課程的最終成績是由學習態度、團隊效率、過程成績和完成質量四部分組成。各部分權重的大小不僅反映了課程設計的目標、教學目的，而且將直接影響到學生最后的得分。對于該權重系數的確定，本文采用層次分析法建立成績評定模型。

層次分析法是一種實用的多準則決策方法，該方法靈活、簡明，具有定量和定性相結合分析各種決策因素的特征，其基本思路是根據問題的本質和最終要達到的目的，分解出問題的若干組成因素，并按它們之間的從屬關系，將各因素分層，構成一個層次化模型體系，然后逐層分析，成績評定時只需對同層中各因素進行兩兩比較，確定同一層次中諸因素的相對重要性，然后綜合專家的判斷，決定各因素相對重要的順序。采用此方法會比憑借經驗定出的權重系數更科學。其次，對成績評定時要進行一致性檢驗，由于因素較多，可能會出現矛盾的評論，如果能通過一致性檢驗就表明各因素的評價順序是相當一致的。

在上一層次中某一準則Ck下，對同一層次的n個元素中的任意兩個元素Ai和Aj，通過比較可以得出哪個更重要以及重要多少，目前多采用1～9判斷尺度作為賦予重要程度的數值。判斷尺度如表1所示，表1給出了1～9判斷尺度的含義(其中Ck為A的上一層判斷準則)。

表1 判斷尺度

對于n個元素，由上表可以得到兩兩判斷矩陣A

簡寫為A=(aij)n×n

判斷矩陣A具有如下性質：

(1)任意元素aij>0；aji=1/aij； 主對角線元素等于1，即aii=1。

矩陣A中元素不一定具有傳遞性，即不一定有aij×ajk=aik成立，如果成立，則稱A為一致性矩陣。在由判斷矩陣導出元素排序權重時，一致性矩陣具有重要意義。

(2)計算單一準則下的相對權重

即計算單一準則Ck下n個元素A1，A2，…，An的排序權重，并進行一致性檢驗。具體就是求判斷矩陣A的最大特征根λmax對應的最大特征向量W，表達式為：

A·W=λmax·W

(2)

特征向量經歸一化后即可作為在準則Ck下n個元素A1，A2，…，An的排序權重。

在求出和后，要對進行一致性檢驗。

首先要計算一致性指標CI

(3)

然后從查出平均隨機一致性指標RI，RI值隨參數量n(判斷矩陣A的階數)變化，平均隨機一致性指標RI如表2所示。

表2 平均隨機一致性指標RI

最后計算隨機一致性指標

CR=CI/RI=(λmax-m)/((m-1)×RI) (4)

當CR≤0.1時，一般認為判斷矩陣的一致性是可以接受的。

5 以通用飛機/無人機實踐課為例的教學實踐

5.1 課程設計

通用飛機/無人機實踐課是飛行器設計與工程專業的綜合實驗環節，要求學生能綜合運用所學的飛機總體設計、飛行力學、空氣動力學、飛機結構等理論知識以及CATIA、ANSYS、Fluent等設計軟件來完成一款飛行器設計的基本流程。根據應用型本科的培養目標和教學大綱，通過為期7周的實踐設計課程，希望學生獲得以下能力：飛行器設計的基本過程和實踐步驟；飛行器設計的基本組織架構和流程；專業知識鞏固和設計工具的使用；終身學習能力和團隊協作能力。

5.2 具體實踐

通用飛機/無人機設計是一個龐大而系統的工程，需要依靠團隊的整體協作才能完成。為了符合教學實踐，結合飛行器設計的工業組織方式，將本課程劃分為初步設計、方案設計、三維建模、結構分析、氣動計算分析、優化迭代五個實踐階段。

為了體現現代飛行器設計組織的總師負責制，該實踐設計課程采用自愿分組方式，每組選出1名總負責人。小組總負責人負責小組各項工作的協調，同時為該階段小組成員的表現打分。

在設計題目上，小組可以選擇設計指導書中給定的通航飛機、長航時無人機、中型運輸機、中型客機等設計題目，也可以自擬題目。在選定題目之后，小組成員要系統、連貫的完成整個設計流程。

5.3 成績評定權重系數的確定

根據前文確定的成績評定方法，下面計算該實踐設計課程各部分成績權重系數。根據專家對各部分的打分認定，可得如下評定矩陣：

評定矩陣的最大特征值為4.21，最大特征值對應的特征向量為[0.2505 0.2505 0.4674 0.8099]r。

一致性檢驗：CI=0.07，CR=0.0729≤0.1，因此，通過一致性檢驗，是可接受的結果。對最大特征值對應的特征向量進行歸一化處理可得：[0.1409 0.1409 0.2628 0.4554]r。

根據計算結果，該實踐設計課程四部分的成績權重如表3所示。

表3 實踐設計課程四部分的成績權重

5.4 設計內容和效果展示

5.4.1 設計內容和性能要求

該小組以偵察型無人機為題進行設計。該無人機主要任務需求為對地偵察，要求采用輪式滑跑起飛和著陸方式。為了滿足對地偵察的要求，該無人機應具有攜帶偵察設備進行長時間巡航的能力。在實際實施時，教師應深入到課堂、觀察各小組設計工作的協調、討論情況，以及階段工作的完成進度，參與各組的技術討論并指導該小組的組織方法和技術方案確定。各組每完成一階段的設計，即提交該階段的設計報告，教師根據該階段的完成質量綜合評價該小組的實踐學習效果，并為下一階段的組織、設計提供指導。根據基本設計要求，該無人機主要設計指標如下：

(1)巡航時間>5h；(2)巡航高度約1500m；(3)有效載荷約5kg；(4)起飛重量不大于30kg；(5)實用升限為4000m；(6)最大平飛速度不小于150km/h；(7)起降方式為輪式滑跑起飛和輪式著陸方式 ；(8)控制操作方式為地面站監控全自主+無線電遙控。

5.4.2 設計結果展示

(1)初步設計：

起飛重量：估計20 kg；推重比和推力：推重比為0.2 ，推力為5kg；機翼面積：1.3m2；機翼載荷：199.4 N/m2；螺旋槳參數：直徑0.45m，螺距為0.19m；油箱體積：燃油質量為8kg，則需要油箱的體積為10L。

點評：在該階段，小組成員依據《飛機設計》相關知識完成了相關設計工作，完成了研究報告。但是，報告形式的規范程度有待提高。

(2)方案設計：

初步設計下，飛機采用襟翼裝置增加飛機起飛狀態下的升力。飛機發動機選用單發發動機DLE20RA型發動機，推進裝置為推進式。考慮到螺旋槳的直徑、飛機的重量要求，在方案設計階段，采用兩葉槳。飛機起落架形式采用前三點式。

機翼設計：

機翼面積1.3m2；展弦比：5；后掠角：2°；根稍比：2.5；根：50mm；梢：20mm；平均氣動弦長：0.36m。

機身設計：

機身為圓頭方形機身，在減少阻力的同時,盡可能的增大機身內部的體積,以便攜帶更多的燃油和更大的機載設備。同時考慮配平的要求選擇適當的長度。

尾翼設計：

水平尾翼為V形尾翼,避開螺旋槳氣流的情況下連接水平尾翼,以確保兩尾撐桿的協調運動如尾翼整體的強度。

點評：在該階段，小組成員依據《飛機設計》相關知識完成了相關設計工作，完成了研究報告。但是，所設計的飛機科學性和合理性有待提高，不過總體完成質量優良。

(3)三維建模

根據初步方案設計結果，該小組設計的飛機三維模型如圖2所示。

圖2 飛機三維模型

點評：在該階段，小組成員按照前面階段的設計完成了飛機的三維建模過程。但是，模型的精細程度有待提高。

圖3 飛機結構設計

圖4 結構強度校核計算

(4)結構設計

根據總體設計結果和結構強度要求，該小組的飛機結構設計如圖3所示。

點評：在該階段，小組成員按照前面階段的設計完成了飛機的結構設計。但是，設計的結構需要進一步優化，有比較大的減重空間。

(5)強度校核

根據結構設計結果，對飛機的結構受力進行計算分析，結果如圖4所示。

點評：在該階段，小組成員完成了飛機結構計算的相關工作，證明結構強度符合飛行要求，不過也證明了飛機主起落架安裝位置的不合理性。

(6)氣動計算與分析

根據總體設計結構，對該設計進行網格劃分并進行氣動性能計算，其網格劃分效果和氣動流場如圖5所示。

圖5 氣動計算網格劃分和機翼流場

點評：在該階段，小組成員完成了氣動計算的相關工作，給出了機翼的流場圖。

5.4.3 成績評定

根據式(1)所示換算方法對小組打分成績進行換算，應用表3所確定的各部分權重對學生成績進行綜合計算。學生的小組成員打分、教師打分、換算成績和最終得分如表4所示。

表4 小組成績評定

5.5 實踐教學總結

在為期七周的教學實踐中，小組成員分工明確、相互配合完成了各階段的設計任務，而且通過每周提交的各階段設計報告和設計過程中的表現，任課教師及時了解實踐的動態和設計的缺陷。小組在下一階段的設計過程中，及時避免了類似錯誤的再次發生。在第七周，小組成員對前期設計存在的缺陷進行了集中優化設計。

通過該小組的實踐過程可知，該組第一階段的組織和設計存在較大的失誤，設計工作完成質量不高，小組成員的協調也不順暢，但是在教師指導以及小組成員的反思、改進下，第二階段及以后各階段有了極大的改善，小組成員的協作和設計工作走上正軌，設計效率和效果有了很大的提高。

總體來看，該實踐過程很好的達到了課程目標，學生的專業知識、設計實踐能力和組織協調能力得到了鍛煉和提高，整個實踐過程取得了較好的效果。

6 結語

隨著應用型本科教育理念的深化以及應用型高校教育教學改革的不斷推進，應用型高校更加注重對學生工程實踐能力的培養，專業實踐設計課程是提高學生工程實踐能力的重要途徑和有效手段。然而，傳統的專業實踐設計課程存在著實踐內容單一化、考核結果不科學、遠離工程實踐等不足。這些不足使得傳統的實踐教學并不能有效的提高學生的工程實踐能力。針對傳統實踐教學存在的不足和應用型本科教學的目標，本文根據OBE教學方法，探討了應用型本科實踐教學方法和教學效果評價法。為了更加合理全面評判實踐教學的實際效果，本文應用綜合指數模型建立了實踐教學成績評估體系，并給出了具體的評定方法，且通過飛行器設計專業通航飛機創新課程的實踐證明了該教學方法的有效性。