基于OBE教育理念與開源平臺融合的高校工科專業(yè)仿真軟件課程教學(xué)改革研究

劉 蔚 許 楠

（吉林大學(xué) 吉林·長春 130022）

我國現(xiàn)正處于制造業(yè)大國之位，市場的強勢上揚也造就了對工程技術(shù)專業(yè)人才需求越來越大。一名合格的高校工科本科畢業(yè)生應(yīng)掌握與實際生產(chǎn)相關(guān)的知識與技能；另一方面，由于很多工程設(shè)備存在投入大、周期長等特點，基于軟件仿真的分析技術(shù)也在各大廠商與研究院所廣泛應(yīng)用，因此軟件仿真技術(shù)也是必不可少的工程師職業(yè)技能。為此，在對高校工科專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)課程進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，采用仿真軟件工程應(yīng)用課程是現(xiàn)代工科專業(yè)本科教學(xué)階段不可或缺的環(huán)節(jié)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

目前，國外在高校工科軟件仿真課程設(shè)置上多屬于機械大類中的軟件仿真教育，在課程中開設(shè)與工程專業(yè)相關(guān)的大作業(yè)或者課程設(shè)計。國外大學(xué)或科研院所在工科專業(yè)軟件仿真課程方面較突出之處有先進(jìn)的教育理念和對開源平臺的運用兩個方面，具體如下：

（1）成果導(dǎo)向教育理念（Outcomes-basedEducation，縮寫為OBE）：成果導(dǎo)向教育作為一種先進(jìn)的教育理念，它清晰地聚焦和組織教育系統(tǒng)，使之圍繞確保學(xué)生在未來生活中獲得實質(zhì)性成功的經(jīng)驗。這里所說的成果是學(xué)生最終取得的學(xué)習(xí)結(jié)果，是學(xué)生通過某一階段學(xué)習(xí)后所能達(dá)到的最大能力。“最終成果”并不是不顧學(xué)習(xí)過程中的結(jié)果，學(xué)校應(yīng)根據(jù)最后取得的頂峰成果，按照反向設(shè)計原則設(shè)計課程，并分階段對階段成果進(jìn)行評價。[1]值得一提的是，2013年6月，我國被接納為《華盛頓協(xié)議》簽約成員，[2]所以研究將成果導(dǎo)向教育理念引導(dǎo)工程教育改革并貫穿于相關(guān)工程專業(yè)課程具有現(xiàn)實意義，也是目前工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中所明確要求的。

（2）開源平臺：開源平臺有三層含義：首先是開源軟件平臺，其次是可與開源軟件平臺結(jié)合的開源硬件平臺，最后是由這種“開源效應(yīng)”引發(fā)的各自開源平臺上的開源社區(qū)。目前，國外院校在軟件仿真課程上不僅是與業(yè)內(nèi)的著名企業(yè)合作，也很注重利用影響力較大的開源軟件平臺來組織教學(xué)任務(wù)，同時將開源平臺有意識的引入專業(yè)課程體系中。

目前國外院校在向軟件仿真類課程引入較多的開源軟件平臺/框架有：（1）深度學(xué)習(xí)框架Pytorch：PyTorch是一個基于Python的深度學(xué)習(xí)平臺，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)強大的GPU加速，同時還支持動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。[3]（2）Tensorflow：它是一款使用C++語言開發(fā)的開源數(shù)學(xué)計算軟件，使用數(shù)據(jù)流圖的形式進(jìn)行計算。[4]（3）OpenCV：它是一個跨平臺計算機視覺庫，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。

開源軟件平臺在實際工程項目中還需要開源硬件平臺的支持，才能達(dá)到實際工程目的，所以我們在軟件仿真課程中要讓學(xué)生綜合運用軟硬件平臺來完成綜合性實驗。目前國外院校向軟件仿真類課程引入較多的開源硬件平臺有：（1）樹莓派：它是一款基于 ARM 的微型電腦主板，卡片主板周圍有兩個USB接口和一個網(wǎng)口，具備PC所有的基本功能。[5]（2）Arduino：它是一款便捷靈活的開源電子原型平臺，包含硬件和開發(fā)環(huán)境。[6]

目前，在開源平臺社區(qū)上的項目有很多，其中有不少項目適合在本科階段的工科學(xué)生以實例為藍(lán)本，進(jìn)一步理解和掌握這些軟硬件開源平臺。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國開設(shè)工科專業(yè)的高等院校也將軟件仿真課程納入到課程大綱所規(guī)定的教學(xué)體系中，但是還是以傳統(tǒng)教學(xué)理念為指導(dǎo)，而仿真軟件的來源也往往是一些企業(yè)或軟件公司的贈送或體驗版，比如吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院的PACE中心等，這種局面往往只能照顧到傳統(tǒng)機械領(lǐng)域的知名軟件公司的產(chǎn)品，而不能及時跟蹤到目前最新的研究領(lǐng)域。因此，我國高校應(yīng)積極跟蹤開源平臺社區(qū)建設(shè)，把握最新最前沿的科研動態(tài)，并將開源平臺的優(yōu)勢項目融入相關(guān)課程中。

2 基于OBE教育理念與開源平臺融合的高校工科專業(yè)軟件仿真課程教學(xué)模式改革與實踐的路徑

（1）明確以成果為導(dǎo)向的課程體系，建立以成果為導(dǎo)向的課程大綱。高校工科專業(yè)應(yīng)將畢業(yè)要求作為“目標(biāo)指標(biāo)”，進(jìn)行分解產(chǎn)生“支撐指標(biāo)”，并建立由畢業(yè)要求、指標(biāo)點和具體課程組成的專業(yè)課程體系。畢業(yè)要求重點用于衡量專業(yè)具體課程的實施效果，進(jìn)而對后續(xù)的教學(xué)改革起到重要參考作用；指標(biāo)點是對畢業(yè)要求依據(jù)側(cè)重點不同所進(jìn)行的具體分解，用于衡量教學(xué)大綱的完善程度和全面性，可以指導(dǎo)教師對教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容做具體改進(jìn)。指標(biāo)點的達(dá)成由具體的課程支撐，不同的支撐課程對指標(biāo)點的支撐程度是不同的，支撐強度由達(dá)成目標(biāo)值的具體權(quán)重系數(shù)體現(xiàn)。課程應(yīng)明確教學(xué)目標(biāo)，保證所提出的教學(xué)目標(biāo)與支撐畢業(yè)要求的指標(biāo)點對應(yīng)，并與其他課程對指標(biāo)點的支撐形成互補，同時教學(xué)內(nèi)容和考核評價體系也與教學(xué)目標(biāo)一脈相承，建立起以成果為導(dǎo)向的課程大綱。

（2）利用“開源平臺”優(yōu)勢，打造“開放式課堂”，完成對教學(xué)與實驗內(nèi)容的改革。高校工科專業(yè)課程應(yīng)側(cè)重對于解決實際復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，課程與實驗內(nèi)容應(yīng)從最新的前沿工程問題出發(fā)，將時下的熱點方向和交叉領(lǐng)域及時引入課堂，將開源平臺的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為“開放式課堂”的優(yōu)勢，將開源社區(qū)的資源變成“開放式課堂的圖書館”。突破傳統(tǒng)課堂中心，讓老師從為學(xué)生做“所有菜”轉(zhuǎn)變成為學(xué)生做好“開胃菜”，讓學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，在第二課堂——開源平臺社區(qū)中尋找“食材”，自己變身“大廚”，自己讓自己“吃飽”（滿足課堂基本教學(xué)要求），同時結(jié)合自己的“口味”（學(xué)生自身的差異化興趣）還讓自己“吃好”（強調(diào)學(xué)生個體的進(jìn)步）。實現(xiàn)時間、空間和內(nèi)容上的開放，時間上從課內(nèi)向課外延伸，空間上從教室向圖書館和實驗室拓展，內(nèi)容上從教材向參考資料擴(kuò)充。完成從灌輸課堂向?qū)υ捳n堂轉(zhuǎn)變、從封閉課堂向開放課堂轉(zhuǎn)變、從知識課堂向能力課堂轉(zhuǎn)變、從“重學(xué)輕思”向“學(xué)思結(jié)合”轉(zhuǎn)變。

（3）建立以學(xué)習(xí)過程評價為基準(zhǔn)的課程評價體系，讓評價標(biāo)準(zhǔn)反哺教學(xué)工作。通過對開源平臺的利用以及開放式課堂的打造，學(xué)生對于課程的學(xué)習(xí)過程已經(jīng)由傳統(tǒng)的低階層次逐步轉(zhuǎn)化為高階層次，不同階層的教學(xué)活動將形成不同階層的知識。低階知識主要是陳述性知識，高階知識主要是程序性知識和策略性知識。通過教學(xué)改革，課程的考評體系將不再是傳統(tǒng)考試式的考評方法，而是以“階躍式”的學(xué)習(xí)過程為主，提供關(guān)鍵節(jié)點的過程考核體系。根據(jù)每個學(xué)生能達(dá)到教育要求的程度，賦予從不熟練到優(yōu)秀不同的評定等級，進(jìn)行針對性評價，同時也為學(xué)校和老師改進(jìn)教學(xué)提供參考，尤其是對于某些未能滿足達(dá)成度的教學(xué)成果，要及時提出整改意見，形成“評價-反饋-改進(jìn)”的持續(xù)改進(jìn)型教學(xué)新模式。

3 基于OBE教育理念與開源平臺融合的高校工科專業(yè)軟件仿真課程教學(xué)模式改革與實踐的預(yù)期成果

（1）在成果導(dǎo)向教育理念背景下，解決構(gòu)建專業(yè)課程體系的問題。在成果導(dǎo)向教育理念的引導(dǎo)下，課程體系構(gòu)建對達(dá)成學(xué)習(xí)成果尤為重要。能力結(jié)構(gòu)與課程體系結(jié)構(gòu)應(yīng)有一種清晰的映射關(guān)系，能力結(jié)構(gòu)中的每一種能力要有明確的課程來支撐。課程體系與能力結(jié)構(gòu)的這種映射關(guān)系，要求學(xué)生完成課程體系的學(xué)習(xí)后就能具備預(yù)期的能力結(jié)構(gòu)。課程設(shè)計會關(guān)系到課程體系的映射關(guān)系（指標(biāo)點與支撐權(quán)重），而課程系統(tǒng)建立又關(guān)系到畢業(yè)要求的建立，而畢業(yè)要求的建立又關(guān)系到培養(yǎng)目標(biāo)的確定，最終培養(yǎng)目標(biāo)的確定還需要以內(nèi)外需求為依據(jù)。因此，可以說在成果導(dǎo)向教育理念背景下，某單一課程的設(shè)計問題需要從學(xué)科大局上層層梳理，需要協(xié)調(diào)課程串（縱向）和課程群（橫向），在課程串和課程群內(nèi)按照對畢業(yè)要求的“貢獻(xiàn)度”確定每門課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)時數(shù)等教學(xué)要素。

（2）解決利用“開源平臺”的優(yōu)勢資源來建立“開放式課堂”的問題。開源平臺的資源較傳統(tǒng)教學(xué)資源有兩點優(yōu)勢：首先是開源平臺的資源更貼近實際工程項目，利用開源平臺的資源可以更符合現(xiàn)階段仿真軟件工程應(yīng)用的要求；其次，開源平臺在學(xué)生畢業(yè)后在工作中仍然需要經(jīng)常與其打交道，所以教會學(xué)生如何在今后的工作中能夠利用起開源社區(qū)資源，這本身也是很有意義的事情，體現(xiàn)了開放式課堂的延展性，也滿足了“新工科”教育中所提倡的終身學(xué)習(xí)的理念。

綜上，首先應(yīng)在工科專業(yè)軟件仿真課程中認(rèn)真貫徹成果導(dǎo)向教育理念，完成課程中指標(biāo)點與課程評價體系的對應(yīng)，明確該門課對工科專業(yè)畢業(yè)要求的支撐；其次，要加大力度向課程中引入開源平臺，尤其是帶有開源軟硬件相結(jié)合的綜合性開放性實驗項目，讓學(xué)生體會到最新的開源平臺技術(shù)，這也是引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)的關(guān)鍵之處，同時也拉近了課程內(nèi)容與實際工程項目的距離，將學(xué)生推向真實科研的第一線。