基于OBE理念的課程項目制教學探索與實踐

楊貴榮 李亞敏 劉洪軍

[摘 要]在分析目前OBE理念教學方法的基礎上，項目組結合蘭州理工大學材料成型與控制工程專業的加工過程傳輸原理課程教學，基于OBE理念的基礎上引入項目對加工過程傳輸原理課程進行重新構架，設計了以“夯實理論、能力培養、素質提高”為中心的課程教學目標。重新構架后的課程教案強調“掌握基礎理論知識、分析解決問題能力、提高綜合素質能力”的教學思想，以學生的學習成效為目標，以項目實施為載體，注重分析實際工程問題、解決工程問題、靈活運用的綜合能力和素養的培養，通過科學的評價體系來評估學生學習效果達成度，形成持續改進的良性教學循環。

[關鍵詞]OBE理念;加工過程傳輸原理;課程體系構架;能力培養;課程教學評估

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）10-0046-05

人類社會發展的關鍵引擎是科技的進步和創新，科技的創新需要大量具有可持續競爭力的創新型人才。我國要具備社會經濟的可持續發展，就必須培養一大批具有競爭力的可持續創新型人才，人才的來源主要為高等教育，為適應當前社會發展的需要就需要調整或改革高等教育的模式[1]。目前，OBE理念即成果導向教育（Outcome-based Education， OBE）成為各國高等工程類專業教育的主流理念，工程教育的核心在于著力塑造學生以解決復雜工程問題能力為基礎的創新型與實踐能力型并重的教育理念[2-4]，具體實施理念是“學生為中心，成果為導向，持續改進”三個基本理念。該理念是由斯帕蒂（Spady）在1981年提出來的，其關注的重點在于學生的學習效果，而不是重點關注課程教授的內容，即使學生真正掌握基礎理論知識、具備解決此類知識涉及的工程問題的能力[3-5]。我國教育部自2006年開始逐步實施工程教育認證工作，OBE理念與教育模式逐漸走入國內高校，以“內容為本”的傳統教學理念與模式開始轉向以“學生為中心”的理念與模式[2]，教育理念的體現就是課程教學，課程教學也是高等教育的基本單元，課程教學的設計也逐漸以學習目標和教學結果為導向，注重課程學習的成效以及對畢業要求目標的達成貢獻，在課程實施的過程中形成持續改進的閉環來達到課程教學的可持續提高。

圖1為OBE理念下的高等教育框架結構，從整個專業培養角度來講應該面向社會與行業發展需求，以學生的專業培養目標和學生學習的效果為導向，在此基礎上構建整個專業的培養方案和課程體系，使學生通過課程學習、專業實踐、專業科研創新訓練、畢業設計等環節使其具備扎實的理論基礎、解決工程問題的能力以及可持續發展的素質。然而專業教育的培養目標和期望的學習成效需要以各門課程的學習效果來支撐，因此課程學習是專業培養的基本單元。從課程教學角度來講，要現實其從“改進教的質量”向“提高學的質量”轉變，并以“學的質量”或課程成效對畢業要求的貢獻率為基礎來設計課程教學方案，包括課程教學目標、教學內容、教學模式以及評價方法，以課程成效為導向實施教學過程，對學生學習效果進行分析和總結，為下一輪課程教學的持續改進提供建議或經驗。

一、基于OBE理念下的加工過程傳輸原理教學改革目標與思路

（一）改革目標

由于加工過程傳輸原理課程教學難度大、理論性強，教學改革困難大，被學生譽為“天書”課程，但是該課程屬于專業基礎理論課，也是科研和技術的理論基礎，課程理論性強，概念多、公式多而復雜（多為微積分方程或方程組）、內容抽象。為了改變該課程的教學模式，我們采用OBE理念將該課程推向“面向工程應用”的前沿，打破課程教學“從書本到書本、從課堂到課堂”的傳統模式;采用理論聯系工程實踐的方式，將加工過程傳輸原理課程建設成為具有“新方法、厚基礎、促自學、學致用”的材料成型與控制工程專業的理論基礎課程，把材料加工過程中的動量、熱量及質量傳輸學習與全國大學生鑄造工藝大賽相結合，提升學生學習的積極性和主動性，培養學生的創新性思維和產品工藝性理論分析研究與產品工藝創新的工程應用能力。爭取實現“教學出題目，大賽促成果，成果進課堂”的目標，培養學生既要有前瞻性的思想和觀念，又要有加工過程傳輸原理知識的掌握、應用與解決問題的能力。

（二）改革思路

依據前述加工過程傳輸原理課程的背景、內容特點以及課堂學習現狀，本教學團隊針對這些問題以OBE理念為基礎進行課程教學改革探索與實踐，面向工程應用與卓越工程的人才培養，把課程教學由傳統單純的課堂講授轉變為“課堂引導+講授+實例分析+學生練習+項目實施”等多個環節，其核心的思路是“動量、熱量與質量傳輸基本原理內容+實際案例分析+全國大學生鑄造工藝大賽理論分析訓練”。采用“以應用+能力培養為中心”的教學模式，注重培養學生動量、熱量與質量傳輸原理與知識的工程實踐與創新能力。

二、加工過程傳輸原理課程改革探索與實踐

蘭州理工大學材料成型與控制工程專業的培養目標是學生應該具備自然科學基礎知識、工程科學基礎知識、材料成型及控制工程專業知識和應用能力，在鑄造或塑性成形工藝及裝備設計、材料成型過程優化和自動控制、先進材料工程等領域從事工程設計、技術與產品開發、工程研究以及項目管理等方面的工作中，能夠使用現代工具解決本專業和相關學科領域復雜工程問題;具備較強的人文素質和專業素養、良好的團隊協作精神和交流溝通能力;理解工程師的職業、社會及道德責任，能綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化、環境和可持續發展等因素，合理制定技術和管理方案;能夠適應材料成型及控制工程相關領域的發展，在工作中不斷學習和進步，具有自主學習和終身學習的意識。結合材料成型與控制工程專業的培養目標，進一步明確了學生畢業時能通過大學期間的基礎理論課程與專業課程的學習和培養需達到“知識、能力、素質”的要求。

（一）課程教學目標

在蘭州理工大學材料成型與控制工程專業的培養方案中，加工過程傳輸原理課程是一門核心的必修專業基礎理論課程，包括40學時，在三年級第一個學期即秋季學期開設，根據專業培養目標和學生學習效果以及該課程對學生培養應該起到專業基礎理論支撐的作用，我們明確了以下課程教學目標：

NO1.理解加工過程傳輸原理中涉及的基本概念，動量、熱量以及質量傳輸的基本規律、過程特征、原理等方面的基礎理論知識;

NO2.利用動量、熱量以及質量傳輸的基本規律/原理分析材料成形過程中的傳輸問題并給出工藝規范的理論性指導建議;

NO3.能夠基于傳輸原理并采用科學方法對材料加工過程的復雜工程問題進行分析，并得出有效結論;

NO4.能夠將計算機軟件、網絡信息資源查詢工具、模擬仿真工具用于解決鑄造或塑性成形過程中的工程問題，并能理解其優勢與局限性;

NO5. 充分理解團隊合作的重要性，具備個人工作和團隊協作的能力;

NO6. 關于應用傳輸原理分析解決問題的觀念、思路、結果等能夠以書面和口頭等形式進行有效的溝通;

NO7. 能夠利用各種資源進行自主學習，不斷擴展和深入了解該課程涉及研究領域的新成果。

在基于OBE理念的課程教學中，課程的學習目標已經不再是單純的理論知識學習，而是強調“知識的學習、能力的培養、素質的提高”的綜合目標，強調學生能夠運用動量、熱量以及質量傳輸的基本原理分析材料加工成型過程中存在的問題、利用各種工具手段或技術解決實際工程問題的能力。

（二）課程教學內容框架

在學生的本科教育階段，課程的學習需要讓學生對于科學基礎理論能夠透徹地理解和扎實地掌握，這樣在工作中或以后才能適應不斷發展的社會與環境。因此加工過程傳輸原理課程在講授核心基礎理論知識的基礎上，進一步強調學生運用基礎理論來分析與解決工程問題的能力與創新意識。本課程結合課程教學目標，以傳輸原理的基本理論知識和解決問題能力為核心，結合現代作圖軟件、模擬仿真和真實零部件成形過程分析構建教學內容框架，如圖2為教學內容單元框圖。

圖2中的教學單元內容為基本的傳輸原理內容，教學案例穿插進教學單元內容中如在學習伯努利方程時以“飛機起飛”問題導入講述方程的內容，然后分析起飛動力來源問題即飛機起飛上升托舉力的來源，方程包括三個部分即比位能、比壓能與比動能，當動能部分越大其對應位置處的比壓能將會相應降低即壓強下降，分析飛機機翼上下部分的空氣流速與壓力變化如圖3所示，由于上下空氣流速的差異導致機翼上下的壓力差進而產生了飛機起飛的托舉力。而后以著名詩人杜甫的《茅屋為秋風所破歌》中的詩句：“八月秋高風怒號，卷我屋上三重茅”，進一步分析其原因，提出列車（地鐵）設置黃色安全線的原因、海上船吸現象、足球場上“香蕉球”的產生等現象讓學生進行課堂討論，以親眼所見或現實生活中的現象為例讓學生在討論解釋中進一步加深對伯努利方程的理解。框架圖中分析與解決問題的能力培養部分不僅培養學生的分析與解決問題的能力，還涉及自主學習能力的培養、團隊合作能力的培養以及素質的提高，該部分以項目制教學部分來實現。

（三）項目實施融入課程教學

加工過程傳輸原理課程是一門理論性很強且具備應用實踐基礎的課程，項目制教學即以項目為主線、實踐為主導、分析與解決問題任務為載體，把傳輸原理的基本理論知識內化在整個項目實施的過程中，通過團隊合作的方式來解決實際問題，從而培養學生分析與解決復雜工程問題的能力。由于項目的完整性要求較高的綜合能力和素質，因此項目實施過程中不僅需要傳輸原理的理論知識，還需要繪圖、工藝設計、傳輸過程分析、缺陷分析以及工藝性等綜合分析能力，這就要求學生能夠自學所有項目中要求的知識與能力。這能更好地激發學生自主學習的興趣和主動學習與探索創新的積極性，使學生在實際的項目實施過程中夯實基礎理論，培養與拓展思維能力，提高綜合素養與職業素養。

項目制教學即在課程學習的過程中引入實施生產中的需求零部件藍圖，讓學生對該零部件進行讀圖與結構分析、畫出三維造型圖、在給出成形工藝設計的基礎上進行成型過程模擬，通過模擬成形過程來分析成形過程中的液態流體的動量變化情況、充型過程中的熱量傳輸情況，以及在充型完成后冷卻過程中的質量傳輸以及固液界面前沿的溶質再分配情況，最終給出項目報告并進行答辯。在實際教學過程中讓學生分組（通常為4-5人一組）來完成一個完整的項目，每一組與其他組的零件均不同，組內成員自行分工，側重點不同，但最終每個成員要熟悉項目實施的每一個步驟和完成的工作，最終答辯采取現場任意抽簽式即答辯時每一組由教師任選一人代表這一組答辯，小組其余人員后續可進行補充。項目實施與課堂教學、案例引導討論、單元作業相融合，注重學生分析與解決問題能力、自主學習能力、團隊協作能力等綜合素養的培養與提高。

在該課程開課時將零件藍圖發給學生，讓學生開始進行讀圖與結構分析。由于學生在大一、大二時已經學習過機械制圖與畫圖，而項目中需要的三維造型圖的繪制是沒有學過的，這就要求學生在以前學習過CAD等制圖軟件的基礎上自學Pro/E、3Ds MAX或Solidworks等三維設計繪圖軟件。零件成形需要工藝設計，此部分即為同一學期開設的鑄造工藝學課程，需要在前期學習的基礎上自主學習工藝設計部分，而后還要學習并熟悉模擬仿真軟件來完成零件成型過程中液態熔體的流動行為即速度分布情況與變化情況、溫度場的分布與變化情況以及凝固過程中的濃度場與固液界面前沿的溶質再分配情況，如圖4所示三張圖依次為圓環板添加成形工藝后的三維造型圖、充型時間為20.0031時刻的速度分布圖以及 100.9341秒時刻的溫度分布圖，在整個模擬過程中需要取得如1s、3s、5s、7s……直至充型結束時一系列的時間節點的速度分布圖，根據速度分布圖來分析充型過程的動量變化及流動行為。同樣溫度分布圖也是需要獲取一系列時間節點的溫度分布圖來分析整個過程中的熱量傳輸情況，最終根據充型流動行為與熱量傳輸情況來分析該工藝條件下是否存在沖砂、夾砂、氣孔、縮松等缺陷，在整個過程傳輸理論分析的基礎上提出改進工藝的措施。

三、基于OBE理念的項目制教學課程評價

加工過程傳輸原理課程的評價主要包括單元作業、課堂討論、項目實施以及最終的閉卷考試四個部分，每一部分進行達成度分析，而項目實施部分包括三維造型圖、工藝設計、仿真模擬、傳輸分析、報告與答辯五個部分，依據課程考核重點與實施難易程度定義了考核項的考核目標，每一考核項對應一個或幾個課程教學目標，如表1所示。其中基礎知識部分主要以單元作業與期末考試形式考核，而期末考試中還含有部分應用能力的考核，課堂討論主要體現學生應用能力的考核，項目實施的五個環節中主要涉及學生自主學習、團隊協作、分析與解決問題以及綜合素養等能力的考核。由表1可知工藝設計與傳輸分析的考核達成度相對較低，而項目中也正是這兩部是其綜合能力分析與綜合素養的體現，特別是工藝設計這一塊，這是一個非常復雜且涉及因素較多的設計過程，僅僅通過短時間的自學難以達到較好的程度，但是這也是一個自學程度由易到難的必備組成單元，其中三維造型與仿真模擬軟件的學習相對較易，工藝設計就偏難了，在考核時會綜合衡量考核項的難度、個人的貢獻度等因素。

加工過程傳輸原理課程重點關注分析與解決復雜工程問題能力以及綜合素養的培養，上述課程結構構架與評價體系將基礎理論知識、課堂表現、項目實施融合在一起，具備了知識考核、能力培養以及素養提高的三重功效。整個體系突出了對學生夯實基礎理論、提高綜合能力與素質的評價，也反映出了學生在整個課程學習過程中的真實效果和獲得的能力。

教學不是一個獨立的單元過程，而是一個持續改進的過程，依據上一輪課程教學目標與實際達成效果可以分析整個教學過程中的成效與存在的問題，進一步修改教學方案，從而不斷提升教學質量。

四、結語

加工過程傳輸原理課程是一門以高等數學為工具，以大學物理和材料力學為基礎的專業基礎理論課程，該課程是支撐材料成形與控制工程、冶金工程的必修基礎理論課程，傳輸原理也處在不斷向前發展的進程中，特別是高等數學的發展直接影響傳輸原理的問題求解，因此該課程是一門難教且難學的基礎理論課程，傳統的教學模式無法取得良好的教學效果。

本課程教學組采用基于OBE理念的項目制教學對課程進行構架，強調分析與解決復雜工程問題能力與靈活運用的綜合能力的培養，實行“以學生為中心”的教學方法，讓學生在學習基礎理論并夯實基礎的同時得到實踐，即以實際項目為載體，使其在自主學習、團隊協作、分析問題、解決復雜工程問題、書面與口頭交流等方面得到良好的訓練。最終不僅讓學生掌握扎實的理論基礎，還使其綜合分析與解決問題的能力和素養得到提高，為其將來從事材料成型與控制、裝備制造、汽車、鋼鐵及有色冶金等相關行業的工程設計、技術與產品開發、工程項目研究以及項目管理等工作打下堅實的基礎。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 國務院辦公廳. 國務院關于深化產教融合的若干意見[Z]. 國辦發﹝2017﹞95號，2017.

[2] 中國工程教育專業認證協會. 工程教育專業認證標準[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] 馮其紅，楊慧，馬建山，等. 基于“以學生為中心”理念的課程改革與實踐[J]中國大學教育， 2018（10）：68-71.

[責任編輯：劉鳳華]