机制专业卓越计划控制类课程群教学改革创新

赵庆志，赵国勇，杨振宇，刘俨后，赵彦峻

摘  要：教学改革按照布鲁姆教育理论对机制专业卓越方向控制类课程群打破教材章节界限，将两门课程知识点有机融合避免重复，梳理知识点及其知识维度和认知维度，授课前后逻辑性强，制定知识点的教学目标。研究开发绝大部分知识点的实验实训教学设备和典型实训教学案例;课程设计也以OBE教学理念进行相应的改革创新，明显提高教学质量，对本科“卓越工程师教育培养计划”和机械工程专业硕士研究生教学模式改革创新均具有指导意义。

关键词：布鲁姆教育理论;卓越工程师;课程群;知识点;OBE教学理念

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）07-0118-06

Abstract： According to Bloom's educational theory， the teaching reform breaks the chapter boundary of the teaching material， combines the knowledge points of the two courses organically to avoid repetition， combs the knowledge points and their knowledge dimensions and cognitive dimensions. Before and after the teaching， logic is strong， and it has formulated the knowledge point teaching goal. Experimental training teaching equipment and typical practical teaching cases with most knowledge points have been studied and developed. The curriculum design has also carried on the corresponding reform and innovation with the OBE teaching idea， has obviously improved the teaching quality， it is of guiding significance to the undergraduate "Excellent Engineer Education Training Program" and mechanical engineering graduate teaching model reform and innovation.

Keywords： Bloom Theory of Education; excellent engineer; course group; knowledge points; OBE teaching idea

在实施“机械设计制造及其自动化专业卓越工程师教育培养计划”（简称机制专业卓越计划）的过程中，作者的感受正如文献[1]所述很难达到预期的教学效果，分析其原因是学校按照以学科理论体系为核心的理论知识、概念积淀的教学模式实施教学，而企业则以工程设计应用和创新体系为核心的知识、能力和素质积淀的教学模式安排学生实践，按照布鲁姆教育理论，就是学生的知识维度比较高，而认知维度太低，学生接触企业实践项目就无所适从，再加上文献[1]所述校企业合作缺乏制度性和长期性，企业安排指导教师具有随意性，影响机制专业卓越计划企业实践教学质量，无法达到预期的教学效果。为了克服这些弊端，机械工程学院主持与32家企业行业建立了机械工程专业群校企合作协同创新联盟，并制定了章程和得力的校企合作实施办法;另一方面，校内教学也改革为以国际上倡导的OBE教学理念为指导，教学模式改革创新为与企业接轨的以工程设计应用和创新体系为核心的知识、能力和素质积淀的教学模式，增加了类似如图1所示的与企业接轨的较低认知维度的几个实训项目，之后学生到企業就有能力去实训较高认知维度的实训项目，校企合作就有了实质性内涵，教学效果明显提高。作者以数控技术、电气控制技术、电气控制技术课程设计和数控技术课程设计组成的课程群（以下简称控制类课程群）为例介绍机制专业卓越计划教学改革创新，对本科卓越工程师方向和机械工程专业硕士研究生教学改革创新有指导意义[2]。

一、教学模式由以学科理论体系为核心改革创新为以工程设计应用和创新体系为核心

（一）以学科理论体系为核心的理论知识、概念积淀的教学模式

我国高等教育的教学模式在较大程度上是以学科理论体系为核心，依据学科理论体系编写教材内容、组织课堂教学、实验教学和实践性教学环节。如，不少教科书讲授如图2（a）所示的光电隔离工作原理，没有说明图2（a）的光电隔离器实物是如图2（b）所示的TLP521-1，学生只见图2（a）而见不到图2（b）实物，更见不到工程设计应用，教师按图2（a）机械地向学生灌输理论知识，教师的讲授成为了学生获取知识的唯一途径，学生仅仅是“听过”了，对教师讲的每句话都“明白”了。形象地说，这好比把学生头脑看作一个存储理论知识和概念的仓库，在仓库里积淀下理论知识和概念，搭建起的是知识和概念堆栈结构[3]。这在很大程度上脱离并弱化了工程实践应用。大学生毕业后进入企业工程应用岗位经过见习期、老工程技术人员传、帮、带再被动形成有限的工程应用能力。这种教学模式缺乏对图2（a）所示工作原理的载体，即缺乏工程设计应用实物、实验和工程设计应用案例，学生总不能把图2（a）当成实物进入工程应用。所以以学科理论体系为核心的理论知识、概念积淀的教学模式导致学生会存储知识而不会应用知识;学生会在学校里学习而不会基于工作过程的学习，即工程教育脱离了工程自然。正如文献[4]所述的调查结果：不少大学生受这种教学模式的影响，在校学习期间很难培养起工程设计应用和创新能力，毕业后在企业见习期满后仍难以承担专业技术工作;也有一些大学生直到毕业仍找不到专业技术感觉，导致对专业技术工作缺乏兴趣，不得不放弃本科学习的专业，从事技术含量较低的工作，还有一些大学生因没有培养起专业技术能力而跳槽，在很大程度上荒废了专业，对国家、集体和个人都是损失。

（二）以工程设计应用和创新体系为核心的知识、能力和素质积淀的教学模式

在大学生职业生涯发展中，应用知识培养能力远比存储知识更重要，大学生在学校里学习的时间远比工作时间短。近年来国内外高等教育越来越重视应用型本科教育，国外一些研究型大学的本科教育历来十分重视应用型人才培养[5]。应用型本科教育要求加强高等工程教育理论与企业工程技术对接，强化大学生的工程设计、应用和解决工程实际问题的能力培养，面向企业工程应用一线培养应用创新型人才，其实质是用以工作成功目标为导向的教学理念（以下称OBE教学理念）指导教学，实施以工程设计应用和创新体系为核心的知识、能力和素质积淀的教学模式组织教学。这种教学模式以工程设计应用创新为参照体系，将工作过程系统化的体系[3]。要求在教学知识点的过程中，伴随着将知识点物化为实物实验、工程设计应用，是以工作过程为导向，物化性地传授理论知识、工程设计应用和创新能力，这种教学模式将学生头脑比喻为存储知识的仓库，在仓库里积淀下工程设计、应用的工作能力，搭建起的是将知识物化为工程应用创新能力的堆栈结构[3]。

图2为作者用基于OBE教学理念的以工程设计应用和创新体系为核心的知识、能力和素质积淀的教学模式授课案例，讲授用计算机光电隔离控制灯图示，将工作过程融入教学，让学生认知实物和工作过程、甚至动手实验实训、置于工程实践情境下耳、眼、手、思维和情感均投入的教学过程。教师边讲课边展示实物，并在课堂就做出计算机控制灯亮灭的实验，以此实验让学生用头脑风暴法讨论如何控制三相交流电机、电磁铁、液压电磁换向阀、气动电磁换向阀等强电，并在课堂上进行实验实训，由教师进行点评、总结，学生可直观地感受到教学效果，教师向学生灌输的是理论及其工程实践应用，培养了学生的工程设计应用和创新能力，这才是“卓越工程师教育培养计划”的初衷。

（三）实施“机制专业卓越计划”必须按照OBE教学理念，对教学内容、教学媒体和教学模式进行全方位教学改革创新

课程群教学团队经过多年教学实践和教学改革创新试验结果正如文献[1]所述，“机制专业卓越计划”的实施绝不仅仅是把学生送到企业实习这么简单，要想让工程教育所培养的人才变得“卓越”，应该从校内的“课程体系”建设到校外的“卓越计划”实训，都应该进行系统的改革创新。必须以OBE教学理念为指导，以工程设计应用和创新体系为核心的知识、能力和素质积淀的教学模式组织教学，并注重建设具有工程师素质的师资队伍，才能促进工程教育改革和创新，才能有效实现机制专业卓越计划的培养目标。

二、按照布鲁姆教育理论，对课程群知识点按维度进行统一整合、梳理，为实施“机制专业卓越计划”课程群教学改革创新做好顶层设计

（一）课程群建设的定义、目的

大学生的工程设计应用和创新能力培养，很大程度上需要多门课程（包括实验和实践性教学环节）知识点有机融合体现，这些课程组成课程群。课程群建设着重解决两方面问题：一方面是根据课程教学目标设置相关知识点，并确定知识点的教学目标;另一方面是统一确定不同课程的知识点并协调达到课程教学目标、避免知识点重复。相比于单门课程， 课程群建设不但要考虑自身课程内容，还要协调好课程群内不同课程的内容，梳理清楚前因后果关系。此外， 课程群建设也要考虑整个专业的行业背景和教学要求， 把多门课程建设成界定明晰、内容互补、能力渗透、相互促进的课程群。根据教学要求及专业特点， 将课程群知识点整合成一个科学、高效、逻辑性强的教学体系[6]，收到1+1>2的教学效果。本教学改革对机制专业卓越计划控制类课程群进行教学改革创新，以下简要介绍。

（二）根据布鲁姆教育理论和课程教学目标，构建知识点的知识维度和认知维度表

按照布鲁姆教育理论的指导思想，对控制类课程群知识点打破了现行教材章节界限，把两门课程知识点进行整合，并确定各门课程知识點在两门课程中不能重复出现，且前后关系具有逻辑性，并制定两门课知识点的教学目标，最后对各门课程的知识点分别编排序号。制定知识点的知识维度和认知维度并把序号填写在表格相应的空格中[7-8]见表1。本课程群教学改革经过向机械工程专业群校企合作协同创新联盟、企业工程技术人员和技能型人才调研，将数控技术课程7章的内容知识点进行了增删，打破章节限制进行了知识点分类，把逻辑相关的知识点进行梳理排序，最后形成7个模块25个项目116个知识点，其中有13个知识点占6学时由学生在信息化网络教学平台上自学或研讨，教师给予指导、归纳总结。如表1中序号8的知识点为数控机床的分类及其应用，知识维度为概念性知识、认知维度为理解;序号为21、22的知识点分别为计算机持续信号控制三相交流异步电机的原理及应用、计算机脉冲信号控制三相交流异步电机的原理及应用，需要讲解控制原理图、计算机接口、编程控制、调试和故障维修等内容。两个知识点均有严格的逻辑顺序，知识维度和认知维度均为程序性知识和应用。

同样，对电气控制技术课程也建立类似于表1所示的知识点维度表，组成一个科学、高效、逻辑性强的课程群知识点体系。

（三）根据课程知识点制定教学目标，制定不同维度的教学方法、教学手段和教学策略，研制教学媒体等，对课程群进行实质性教学改革创新

传统的授课过程是以学科理论体系为核心，针对理论教学内容进行授课，忽视了根据知识点的教学目标和两个维度采取得力的教学方法、手段和策略，更少考虑采用得当的教学媒体等，导致难以获得较好的教学效果。根据布鲁姆教育理论采用以工程设计应用和创新体系为核心的知识、能力和素质积淀的教学模式，要针对两个维度不同知识点的教学目标融入科学的教学方法、手段和策略，切实培养大学生的工程设计应用和创新能力，教学过程充实，师生情感比较丰富，教学效率高，收到了比较好的教学效果。以下仅对教学方法、教学手段和教学策略进行论述。

1. 根据知识点的教学目标和两个维度，教学过程中融入科学的教学方法

传统的以学科理论体系为核心理论知识、概念积淀的教学模式的教学方法是教师通过PPT演示、手写和肢体动作进行细致地讲解知识点，学生通过听、看和思考被动接受知识为终端的教学方法。这种教学方法没有考虑学生学习的主动性，也基本没有考虑知识点的两个不同维度，很多知识点达不到其理想的教学目标。

本教学改革充分考虑知识点教学目标和其知识维度与认知维度，采用以工程设计应用和创新体系为核心的知识、能力和素质积淀的教学模式实施教学，采用基于OBE教学理念的几种教学法讲授知识点，教学效果明显提高，简述三个案例。

（1）对知识维度+认知维度：事实性知识+记忆的知识点，首先要有实物做教具，展示实物工作应用原理，主要用理实一体化教学法、案例教学法组织教学，再以工程应用案例加深理解即记住实物的原理和应用。

（2）对知识维度+认知维度：概念性知识+理解的知识点，主要用理实一体化教学法、模拟教学法让学生通过接近实际的案例，深刻理解概念性知识。

（3）对知识维度+认知维度：程序性知识+应用的知识点，可先用理实一体化教学法讲授、再用基于OBE教学理念的任务驱动法让学生亲身感受程序性知识的逻辑顺序。如教师可给学生布置一个具有其两个相同维度的作业，学生按知识点原理及实物的工作步骤进行操作，理解程序性知识点的应用，即由学生被动学习转变为主动学习。让学生在主动学习的过程中培养分析问题、解决问题的能力，再让学生真刀实枪地进行至少一个综合项目实训，如图1所示为学生电气控制技术课程安排的实训项目之一，深刻理解知识点应用的正确程序步骤，培养学生的工程设计、应用、创新能力，典型实训案例见文献[9-10]，教学效果明显提高。

2. 根据知识点的教學目标和两个维度，选择合适的教学手段，贴近工程实践，培养工程能力

教学手段是教学过程中师生相互传递信息的使用的工具、媒体和教学设备，教学手段随着科学技术的发展不断进步，现代化教学手段是与传统教学手段相对而言的，传统教学手段主要指教科书、粉笔、黑板、挂图、教具、实验实训场所及设备等，现代化教学手段是指各种电化教育器材、网络信息化教学平台、投影仪、录音录像机、电影机、计算机动画模拟等技术手段辅助课堂教学。

教学媒体和设备是指承载、加工、呈现和传递教学信息的介质，为了落实以工程设计应用创新体系为核心的知识、能力和素质积淀的教学模式改革，教学团队购买并且研制开发了遍布课程群绝大部分知识点的元件、实验实训设备及网络信息化教学平台，这都属于教学媒体，收到了比较好的教学效果，举四类教学媒体的四个典型案例。

（1）实物教学媒体：对知识维度+认知维度，事实性知识+记忆的知识点，购置了教学实物，如图2（b）所示，让学生通过活生生的实物设备理实一体化地掌握工程设计应用，这正是卓越计划所期望的。

（2）教学化处理的教学媒体：对知识维度+认知维度，概念性知识+理解的知识点，当实物设备难以直观演示工作原理时就研制开发了动画显示软件，辅助学生理解工作原理。如对图2（a）、图2（c）开发动画显示软件分别直观地描述图2（b）、图2（d）元件电流、光、直流继电器线圈带电和灯亮灭等工作原理。这种教学化处理的媒体仍然是教学辅助手段，只有再加上真实的元件实物设备才能更有效地提高教学质量。

（3）自行研制开发或购买的实验实训教学媒体：对知识维度+认知维度，概念性知识+应用的知识点，研制开发建设了和企业应用对接的实验实训教学设备，能够有效地提高课程群教学质量，满足机制专业卓越计划培养目标。

（4）研制和借鉴企业生产应用的设备做为教学媒体：对知识维度+认知维度，程序性知识+应用的知识点，研制了如图1所示价格不太高，能够满足所有学生分批轮流实质性动手完成设计、安装、调试、故障测试与维修的典型实训设备，也借鉴企业生产应用设备理实一体化教学，这就为学生在企业实践较高认知维度的工程应用项目打下了基础，学生就可以在企业进行工程实践，就可行了达到机制专业卓越计划培养目标。

3. 根据知识点的教学目标和两个维度，教学过程中融入了科学的教学策略

教学策略是教学思想、教学模式和教学手段对教学效果的综合体现，是为了实现教学目标，完成教学任务，以实现教学目标为最终目的，加强对教学活动进行调控的系列教学措施、手段和策略等，它体现在教与学的交互活动中。如充分发挥信息化网络教学平台的作用，学生在平台上巩固、消化所学知识点;把知识点企业应用案例也以图片、视频的形式传到网络教学平台上便于学生掌握应用;实行理实一体化教学;布置实验实训作业提高大学生工程实践能力等教学策略，有效地达到知识点的教学目标。

三、按照布鲁姆教育理论，对两项课程设计进行统一整合、梳理、排序，构建知识点的教学目标、知识维度和认知维度表，为教学改革做好顶层设计

（一）对两项课程设计的教学目标需要的知识点进

行统一梳理排序，构建课程设计知识点的教学目标和维度表

以电气控制技术课程设计课程为例[10]，首先调查学生掌握课程设计知识点的现状，课程设计需要的知识点及其教学目标进行梳理排序，构建识维度和认知维度表，见表2。

如表2中序号为1的知识点为认知电气控制元件设备，学生早在学习电工学和电气控制技术课程时没有较好地认知电气控制元件设备及其工作原理，需要学生先接触元件设备，甚至做简单的接线通电实验，知识维度为事实性知识，认知维度为记忆。

如表2中序号为8的知识点为符合国家标准的带功能区、图区的电气控制原理、安装和接线三种图。现有不少教材中没有介绍这三种图，即使有介绍，学生大多也没有真正掌握。课程设计明确要求理实一体化掌握这三种图并做为课程设计重要任务，因此需要用案例教学法给学生补课。因设计这三种图有严格设计规范、步骤和逻辑相关性，因此知识维度为概念性知识，认知维度为理解。

如表2中序号为12的知识点为和图1所示的控制试验台设计、安装和调试;序号为14的知识点为如图1所示的控制试验台故障测试与维修;这两个知识点均在文献[11]有所论述，具有严格的工作顺序上的程序性和很强的工程应用;要分批轮流安排学生完成如图1所示的控制试验台的设计、安装、调试、故障测试与维修，学生在网络信息化平台上预习，教师现场指导学生实训，真正体现了知识维度为程序性知识，认知维度为应用。

（二）完成如图1所示的控制电机试验台实训后，再安排与企业工程应用实训认知维度接近的项目演示性实训

学生实训完如图1所示的项目后，再安排更复杂的控制两三个电机的机床电气控制设计、安装、调试、故障测试与维修项目，如文献[9-10]中经济型数控车床、CA6140车床电气控制柜，这两个项目难度大，因学校设备有限，学生全部参加实训比较难，就参考如图1所示的实训程序教师讲解或个别学生实训总结出图文并茂的实训内容演示给学生，实训时教师就可以退居幕后，学生需要时给予指导，更多工作放给学生互相研讨合作完成，并总结出设计、安装、调试、维修程序性步骤，详见文献[9-10]，经过这个抬高认知维度的演示性实训，又提高了学生的认知维度，再到企业实践时就可以进行工程设计、应用和创新，避免企业实践流于形式，就实质性提高了机制专业卓越计划教学质量。

（三）机制专业卓越计划的教师也要向双师型教师努力

特别注意的是，上述机制专业卓越计划教学改革，需要教师也要提高自己的工程师素质，成为双师型教师，简述以下三点：

（1）基于机制专业卓越计划的電气控制技术课程设计并不是教师给个设计题目和有关参数，学生参照手册画出电气控制原理图，写出设计说明书，教师组织答辩后即结束。这样学生仍得不到理实一体化锻炼，达不到卓越计划培养目标。

（2）尽管课程设计等环节可以到企业进行，但在卓越计划的培养质量上，教师的专业技能和工程师素质起到决定性的作用，教师教学要做好与企业工程设计应用接轨，因此优化师资队伍的知识结构、强化工程师素质，培养双师型教师是必不可少的。

（3）通常企业工程师擅长工程设计应用创新而不擅于教学策略，而学校教师与企业工程师正相反，二者要扬长避短，保持沟通，共同提高课程设计质量。

四、结束语

本文论述基于布鲁姆教育理论以工程设计应用和创新体系为核心知识、能力和素质积淀的教学模式研究探索的机制专业卓越计划控制类课程群教学改革创新，包括文献[9-10]所述两个课程设计改革创新，是作者多年来对教学研究、教学改革探索和创新成果的简要论述，作者按这个思路先由一门课程进行教学模式改革创新，扩展为对课程群进行教学模式改革创新，最终延伸到全专业众多课程，该教学改革2017年获山东省优秀教学成果一等奖。此教学模式改革创新具有较高的教育教学理论、学术和应用价值。作者2020年成功申报山东省本科教育教学改革重点项目，又向集网络信息化理实一体化加实训的混合式教学模式、建设校企合作协同育人平台、创新的理论和方法、课程思政、第二课堂、大学生科技创新大赛等全方位育人模式研究推进。

实施课程群教学改革创新效果证明：大学生收获很大，明显提高了大学生的工程设计应用和创新能力，取得了比较好的回归工程自然、强化实践能力、夯实工程设计、应用和创新能力的教学效果。学生明显感受到毕业后到企业就有思路承担电气控制和数控技术设计、安装、调试和运行工作，很好地达到了机制专业卓越计划控制类课程群的教学目标。

本教学改革创新思想也用于机械工程专业硕士研究生教学，同样取得了很好的教学效果。

参考文献：

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