基于OBE理念以达成度为导向的机械原理课程教学模式构建研究

胡 瑞，许春霞，熊 吉，唐 刚，卢全国，周睿迪

(南昌工程学院，江西省精密驱动与控制重点实验室，330099，南昌)

0 引言

机械工业作为国民经济发展的基石，通过响应中国制造2025和工业4.0国家发展战略，发展机械人才创造高速发展条件，使制造业大国提升成为机械工业制造强国。目前正当我国机械行业发展迅猛，机械人才缺口大，对机械人才的培养至关重要。而《机械原理》作为机械人才培养的专业技术基础课程，对其进行教学模式改革是专业建设的必然需求。《机械原理》课程在教学方面应该注重基础理论与工程实际的结合。《机械原理》课程目前在教学内容中重心放在了机械结构及原理上，而忽视了理论和方法的结合，更像是其他课程的简单重复从而导致学生失去兴趣。这种单一的教学方式与考核方式让学生缺乏对实践的探索，教学应该全方位育人，否则学生所学知识与市场对专业人才能力的要求产生脱节[1-2]。针对这种现状，秉承OBE成果导向、以学生为中心和持续改进的理念，将机械原理课程与工程教育认证标准结合，探索基于OBE工程教育理念的课程目标达成度教学模式[3]，对学生的工程实践能力、综合能力和创新能力的培养具有重要作用，可为提升机械类应用型专业人才培养质量及提高专业竞争力奠定重要基础。

1 构建课程培养目标

由于课程培养目标是课程内容设计、过程管理和达成度评价的重要依据，本文将通过课程内容、教学目标和教学方法的有效实施先构建出课程培养目标。如图1所示，本文通过毕业要求、课程目标指标点和课程目标相互之间的支撑和设计，实现学生在过程管理、实验课、项目设计和期末考试中达成课程目标，进而达到指标点和毕业要求。针对整个机械专业课程体系制定的毕业要求指标点，将课程目标分成工程知识、问题分析、设计和开发解决方案、研究以及使用现代工具5个部分，分别对应所需要满足的毕业要求，更好地使课程体系服务于毕业要求，如图2所示课程目标与相应毕业要求的支撑关系。

图1 课程培养目标流程图

图2 课程目标对毕业要求的支撑关系

2 以学生为中心的课程教学模式

《机械原理》是机械类专业的核心基础课，其内容涉及常用机构的解析与设计方法、机械系统的设计规律及方案确定，这要求相关专业学生具备设计基本的机械系统运动方案能力和开展机械工程问题解析、方案解决和结果校核的能力[4-5]。根据机械专业《机械原理》课程要求，针对课程培养目标，通过以下课程内容设计、过程管理和教学方法创新以学生为中心的教学模式。

2.1 课程知识点剖析

以《机械原理》课程中解析平面机构自由度虚约束为例。为了改善构件的受力情况、增强机构的刚度和保证机械运转性能，机构中有些运动副会引入虚约束，这些虚约束对运动不起独立限制作用。在图3所示的平行四边形机构中，摇杆CD作圆周运动，在机构中增加一个与CD平行且等长的构件EF，虚约束EF不影响机构的运动，但机构的运动平稳性却大大增强(如图3(a)所示)。根据一个原动件只能提供一个自由度的机械原理，增加一个约束就会增加一个活动构件和2个转动副，因此在计算机构自由度时应该减去虚约束数，即自由度F= 4x3-(6x2-1)=1。课堂讲解过程中学生无法理解什么是虚约束以及是否需要增加虚约束，为了加深学生对虚约束的分析与理解，在课堂讲解过程中增加了有/无虚约束下杆件运动的仿真实验环节(如图3(b)所示)。通过仿真可以实现机械机构的实际运动，使学生能够加深对所学知识点的理解并做到举一反三。

(a) (b)

2.2 项目设计

《机械原理》理论学习的目的是为了提高学生结合工程实际对机械结构的认知与分析能力，完成预期的学习目标[6]。项目设计以连杆机构及其实现运动和功能设计为例，实现机械机构的设计、讨论、制作、测试、分析以及总结。通过项目设计总体过程使学生能够更好地理解机械结构及其工作原理。课程设计一般分3个阶段：第1阶段小组任务分配，以具体任务陈述如下：设计一个助老机械，辅助老人日常生活。第2阶段答疑解惑，通过一些创新比赛成果共同分享机械制作和测试经验，一起分析、讨论并解决在机械制作和测试过程中遇到的问题。第3阶段模型建立和样机制作，将学生做的三维模型进行运动仿真分析逐步完善数据，并开始制作样机进行运动测试反馈实验数据，做到仿真与样机数据一致，同时做好总结。此项目设计与教学内容同步进行，旨在培养学生的动手能力与思考分析问题的能力。图4为助老机械仿真图和实物图。

(a)三维仿真模型 (b)实物样机

2.3 学科竞赛

大学生学科竞赛在可以激发学生创造力的前提下，还能更充分地结合所学专业知识解决困难(本文以参加全国大学生机械创新设计大赛、大学生“挑战杯”科技竞赛为例)，也是提升课程目标达成度的主要途径之一。通过学科竞赛的参加和体会收获，不仅仅是对学生理论学习的一次升华，更重要的是能够系统性地提升学生实践动手能力[7]。近5 年来，作者及其他指导老师应用本文《机械原理》课程中基于OBE理念以达成度为导向的工程教育教学模式，指导学生荣获机械类创新设计类竞赛奖近30项，其中包括国家级荣誉12项，省级荣誉18项。

2.4 课程讨论与交流

在《机械原理》课程的学习过程中，课程讨论与交流可以帮助学生自主探索和合作交流，真正掌握解决复杂机械工程问题。学生通过自身感受，体会《机械原理》课程的要领，在这基础上交流想法，各抒己见，才能够真正体现学生自主探索的过程，课程讨论与交流才能发挥真正功效。

2.5 线上与线下教学相结合

《机械原理》课程采用线下与线上相结合的教学方式。线下将课堂上的重点、难点知识通过相关机构杆件及其机械零部件的机构运动录像或其仿真动画上传以解决其抽象难理解的问题，并实现网络定时在线答疑和留言解惑，同时还可以将课程实验、课程设计以及课程交流讨论等环节实现网络学习。多途径的教学方式可以满足学生的不同需求，服务更多的人群[8]。

3 制定课程考核方式与评价标准

《机械原理》课程考核方式在原有基础上重新树立了以提高学生创新能力为主要目的和以考查学生熟练运用专业知识解决问题为重要内容的主旨。因此，除了基本的成绩考核，本课程成绩考核将项目设计列入考核当中，并进行评分。具体要求及成绩评定方法如下。

3.1 过程管理

过程管理占课程成绩的10%，又分为平时作业考核和大作业考核。课后完成各章节知识点的复习和章节小题，以加深学生对各个章节知识点的联系和实际运用能力，按作业完成程度成绩的5%计入总成绩。另外，可布置上机、软件应用或产品方案设计等大作业，主要考核学生自主学习，并应用所学内容解决工程问题的能力。按5%计入总成绩。

3.2 实验课

实验成绩占课程成绩的10%，主要考核学生按要求操作实验设备，根据其实验准备、实验操作、实验报告等综合评定成绩。

3.3 项目设计

项目设计主要考核学生对课程的综合理解和运用，要求学生按照项目设计题目分组进行。首先确定目标做可行性研究报告，再进行初步设计，收集材料，设计图纸，最后实物制作。未按时完成项目设计作业的，此项成绩按零分计。

3.4 期末考试

期末考试占课程成绩的70%。考查主要分为3个部分：第1部分机械基础知识，主要以选择填空和判断题为主，考查学生对机械概念和机械基础知识的掌握，占考试的30%。第2部分基本原理应用，主要以知识简答和问题分析为主，考查学生运用机械原理解决问题的能力，占考试的40%。第3部分机械结构分析与计算，考查学生解决较复杂机构问题的综合运用能力。考试命题要符合《机械原理》课程考核主旨，充分反映学生运用所学内容解决问题的能力，难度相当。

4 课程目标达成度分析

本文将《机械原理》课程目标达成度评价分为课程的分目标达成度评价和课程的总目标达成度评价，通过平时考核、实验考核和期末考试等部分直接考核学生对知识的掌握及对专业知识的应用情况，对参与课程的所有学生的实际学习成果进行评价，分析课程目标达成度结果[9]。根据过程管理、实验课、项目设计和期末考试得分，本文将详解机械原理课程的目标达成度的计算过程和方法(见表1)。D(D1、D2、D3)、P(P1、P2、P3)和S分别为课程目标达成度、过程管理平均得分和实验课平均得分；项目设计平均得分J的加权系数设为α1，期末考试平均得分K(K1、K2、K3)的加权系数为α2。通过课程分目标的考核环节得分和加权系数可以计算获得相对应的课程分目标达成度值，进而依据由学生总成绩平均得分计算获得课程总目标的达成度值。

表1 课程目标达成度分析及计算方法

《机械原理》课程目标达成度应用课程目标达成度评价标准，其取值是所有课程目标评价结果的最低值。根据所有分目标评价结果期望值的达成度分析，当课程目标达成度低于期望值时，应该及时商榷做出调整以及需要改进的方案。当课程目标达成度高于期望值时，总结经验反复验证形成能够进行推广的《机械原理》课程教学模式。

5 结束语

根据《机械原理》课程在课程体系中的作用，本文围绕毕业要求在过程管理、实验课、项目设计和期末考试中制定合理的课程目标。通过OBE教学理念构建了《机械原理》课程教学模式，然后根据课程目标以提高学生创新能力为主要目的和以考查学生熟练运用专业知识解决问题为重要内容的主旨，设计教学内容及其相匹配的考核方式等，最后基于课程目标达成度评价标准进行课程目标达成度分析，通过调整和改进达到基于OBE理念以达成度为导向的《机械原理》课程模式的教学推广。基于《机械原理》课程改革的上述阐述发现，OBE作为一种基于服务工程教育和提升学生解决工程实际问题能力的先进教育理念，有利于新时代创新人才的培养，这也为机械类专业其他课程的教学改革提供了值得借鉴的解决思路和设计方案。