基于OBE 的綜合工程訓(xùn)練課程探索與實踐

張 輝， 黃風(fēng)立， 李積武， 王慶泉

（嘉興學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江嘉興314001）

0 引 言

在高校人才培養(yǎng)的教育鏈中，實踐教學(xué)一直扮演不可替代的重要角色，實踐教學(xué)擔(dān)負著應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的主要任務(wù)［1］。嘉興學(xué)院是一所地方本科院校，為地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)了大量應(yīng)用型人才，但與面向嘉興乃至杭州灣區(qū)應(yīng)用型人才需求的能力和素質(zhì)具體要求相比，依然存在動手能力與創(chuàng)新能力不足的問題［2］。為了滿足地方產(chǎn)業(yè)急需的機電類應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才要求，提高學(xué)生機電融合工程實踐創(chuàng)新能力，學(xué)校新修訂機械類專業(yè)培養(yǎng)方案中新增了機電融合的綜合工程訓(xùn)練實踐課程，主要學(xué)習(xí)機械設(shè)計加工和控制系統(tǒng)設(shè)計制作等工程技術(shù)［3-4］。

OBE理念是成果導(dǎo)向進行教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施，是從解決復(fù)雜工程問題的畢業(yè)要求出發(fā)，按照反向設(shè)計原則設(shè)計課程，反向推導(dǎo)每門課程為達成畢業(yè)要求需要滿足的知識、能力和素質(zhì)要求，將課程的設(shè)置放在人才培養(yǎng)的預(yù)期成果之下，對課程成果進行評價［5-7］。為了提高學(xué)習(xí)綜合工程訓(xùn)練課程的教學(xué)質(zhì)量，進行基于OBE的綜合工程訓(xùn)練課程探索和實踐。

1 OBE的綜合工程訓(xùn)練課程教學(xué)目的和目標

基于OBE的綜合工程訓(xùn)練課程的目的是系統(tǒng)性設(shè)計課程內(nèi)容、實踐方法和成果評價方法，建立“創(chuàng)意—機械結(jié)構(gòu)設(shè)計加工—控制系統(tǒng)設(shè)計制作—產(chǎn)品”的全鏈式一體化培養(yǎng)方案［8］，以機電融合的理論知識為基礎(chǔ)，以掌握機電融合工程技術(shù)為手段，以開發(fā)機電產(chǎn)品為課程成果，結(jié)合創(chuàng)新教育系統(tǒng)設(shè)計“分層次、分階段、分模塊”的課程實踐教學(xué)內(nèi)容，開展“簡單零部件到復(fù)雜機電產(chǎn)品”的難度遞進訓(xùn)練，開展“集中到分散”的時間段延伸訓(xùn)練，開展“結(jié)構(gòu)設(shè)計加工到控制系統(tǒng)設(shè)計制作”的模塊化拓展訓(xùn)練，根據(jù)課程成果采用審核性成果評價方式給出學(xué)生成績。

基于OBE的綜合工程訓(xùn)練課程目標是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機電融合工程技術(shù)的興趣，通過訓(xùn)練數(shù)控加工、3D打印、激光雕刻、精密測量、電路板制作等工程技術(shù)［9］，使學(xué)生具有“想到做到”和“敢想敢做”的機電產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)能力，達到機電工程師的素質(zhì)。

2 基于OBE的綜合工程訓(xùn)練課程內(nèi)容

基于OBE的綜合工程訓(xùn)練課程在工程訓(xùn)練坊進行課程教學(xué)，課程內(nèi)容主要分為機械設(shè)計加工技術(shù)、控制系統(tǒng)設(shè)計制作技術(shù)、機電產(chǎn)品創(chuàng)新訓(xùn)練和創(chuàng)新作品設(shè)計制作等4個部分。

（1）機械設(shè)計加工技術(shù)。以機械設(shè)計、機械原理、二維CAD和三維CAD等知識為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、3D打印技術(shù)、激光切割技術(shù)、精密測量技術(shù)等加工工藝和加工方法［10］。學(xué)生利用課余時間在數(shù)控加工模擬機床上自學(xué)數(shù)控編程和數(shù)控機床模擬加工操作，然后在數(shù)控加工坊由實習(xí)教師集中指導(dǎo)學(xué)習(xí)數(shù)控加工工藝編制、數(shù)控編程與數(shù)控加工操作。3D打印技術(shù)主要學(xué)習(xí)3D打印機的操作與打印方法，打印方法主要是根據(jù)零件的技術(shù)要求調(diào)整打印參數(shù)從而保證打印零件的強度和外形質(zhì)量，在機械創(chuàng)新坊由實習(xí)教師集中指導(dǎo)進行3D打印訓(xùn)練。激光切割技術(shù)主要學(xué)習(xí)激光切割機的操作與加工方法，加工方法是根據(jù)零件的技術(shù)要求調(diào)整加工參數(shù)從而保證零件的加工質(zhì)量，在數(shù)控加工坊由實習(xí)教師集中指導(dǎo)進行激光切割訓(xùn)練。機械加工的零件用于裝配，精度要求高，在數(shù)控加工坊由指導(dǎo)教師集中指導(dǎo)學(xué)習(xí)游標卡尺、螺旋測微儀、三坐標測量機等操作與形位公差的測量方法。

（2）控制系統(tǒng)設(shè)計制作。以電路設(shè)計、單片機原理等知識為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)基于單片機的電路板制作技術(shù)，主要包括PCB繪制、制板、焊接和編制程序等基本技術(shù)［11］。學(xué)生進入電子創(chuàng)新坊由實習(xí)教師集中指導(dǎo)基于單片機的電路板制作和編程訓(xùn)練，通過制作一種基于單片機的電路板學(xué)習(xí)電路板設(shè)計制作流程，先提出設(shè)計思路和應(yīng)用系統(tǒng)框架，然后進行硬件和軟件分工，再進行電路元器件選型焊接電路板，同時進行軟件設(shè)計，根據(jù)軟件流程編寫應(yīng)用程序。

（3）機電產(chǎn)品創(chuàng)新訓(xùn)練。以二維CAD和三維CAD 軟件（如ATUTOcad、UG、PROE、SOLIDWORKS）和電路設(shè)計軟件（如Altium Designer、Power PCB）等操作技能為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)機電產(chǎn)品創(chuàng)新訓(xùn)練知識［12］。學(xué)生在創(chuàng)客坊由創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師通過創(chuàng)新作品展示剖析集中指導(dǎo)學(xué)習(xí)機械產(chǎn)品創(chuàng)新文化、創(chuàng)新理論和創(chuàng)新設(shè)計方法，繪制結(jié)構(gòu)原理圖表達自己的創(chuàng)意。

（4）創(chuàng)新作品設(shè)計制作。在第二課堂內(nèi)，學(xué)生自由分組開展“討論-設(shè)計-再討論”進行產(chǎn)品創(chuàng)意［13］，根據(jù)創(chuàng)意設(shè)計創(chuàng)新作品的機械結(jié)構(gòu)，預(yù)約數(shù)控機床加工零件并裝配，再根據(jù)機械結(jié)構(gòu)和規(guī)劃動作設(shè)計電路板，然后進入電子創(chuàng)新坊制作電路板，把機械機構(gòu)與控制電路板裝配調(diào)試實現(xiàn)作品預(yù)設(shè)功能，最后制作PPT答辯，PPT主要內(nèi)容是創(chuàng)新作品的預(yù)期功能與結(jié)構(gòu)、樣機機構(gòu)、樣機的功能和創(chuàng)新點。

3 OBE的綜合工程訓(xùn)練課程實踐

3.1 教學(xué)平臺

3.1.1 完善的硬件基礎(chǔ)

工程訓(xùn)練坊配備了綜合工程訓(xùn)練的必要硬件條件：數(shù)控加工模擬機床21臺、數(shù)控車床18臺、數(shù)控銑床2臺、加工中心4臺、3D打印機14臺、激光切割機3臺、三坐標測量機1臺、游標卡尺24個、螺旋測微儀24個、電路板刻制機1臺、電路板裁板機1臺、焊接工作臺21臺、示波器21臺、信號發(fā)生器21臺等。數(shù)控車床、數(shù)控加工模擬機床、3D打印機、游標卡尺、螺旋測微儀、焊接工作臺、示波器、信號發(fā)生器按1或2人／臺配置，數(shù)控銑床、加工中心、激光切割機、三坐標測量機、電路板刻制機、電路板裁板機按分批配置。工程訓(xùn)練坊提供了多種耗材供學(xué)生進行創(chuàng)新作品制作，如：PVC 塑料棒、45＃鋼棒、PVC 塑料塊、鋁塊、45＃鋼塊、鋁板、亞克力板、螺栓、螺母、電路基板、多種電子元器件、導(dǎo)線等。

工程訓(xùn)練坊包括數(shù)控模擬加工坊、數(shù)控加工坊、電子創(chuàng)新坊、機械創(chuàng)新坊和創(chuàng)客坊，已安裝門禁系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，自由預(yù)約，全天開放。

3.1.2 合理的指導(dǎo)團隊

基于OBE的綜合工程訓(xùn)練教學(xué)團隊由2名創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師和5名實習(xí)教師組成，2名創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師主要在創(chuàng)客坊進行機電產(chǎn)品創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)，5名實習(xí)教師具有豐富的產(chǎn)品設(shè)計加工經(jīng)驗，5名實習(xí)教師定點在工程訓(xùn)練坊隨時指導(dǎo)學(xué)生進行機械設(shè)計加工和電路板設(shè)計制作，教學(xué)團隊把創(chuàng)新教育與綜合工程訓(xùn)練有機融合后分工協(xié)作，共同完成綜合工程訓(xùn)練的教學(xué)工作。

3.2 教學(xué)計劃

基于OBE的綜合工程訓(xùn)練課程教學(xué)計劃按照“分層次、分階段、分模塊”有機融合進行，各模塊都有過程成果，每個過程成果都由學(xué)生自主設(shè)計，是個性化成果，個性化成果必須包含基本知識點，把創(chuàng)新教育滲透到綜合工程訓(xùn)練課程的教學(xué)計劃，如圖1所示。

圖1 基于OBE理念的綜合工程訓(xùn)練課程教學(xué)計劃

3.2.1 “分層次”綜合工程訓(xùn)練

基于OBE的綜合工程訓(xùn)練課程“分層次”實踐，分為初級和高級兩個層次。初級層次是基本能力訓(xùn)練，主要是集中學(xué)習(xí)數(shù)控加工技術(shù)、3D打印技術(shù)、激光切割技術(shù)、精密測量技術(shù)、電路制作技術(shù)、機電產(chǎn)品創(chuàng)新訓(xùn)練，在除機電產(chǎn)品創(chuàng)新訓(xùn)練模塊的其他模塊，每個學(xué)生根據(jù)興趣自由設(shè)計加工一件作品作為過程成果，并進行考核；高級層次是創(chuàng)意作品設(shè)計制作，學(xué)生自由分組根據(jù)興趣自由創(chuàng)意并完成創(chuàng)新作品設(shè)計制作，制作PPT并進行考核。

3.2.2 “分階段”綜合工程訓(xùn)練

基于OBE的綜合工程訓(xùn)練課程“分階段”實踐，分為第一和第二課堂兩個階段。第一課堂是集中實踐階段，3周集中時間段內(nèi)在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師和實習(xí)教師集中指導(dǎo)下進行基本能力訓(xùn)練。第二課堂是分散訓(xùn)練主要貫穿于接下來的整個學(xué)年，主要完成創(chuàng)新作品設(shè)計制作模塊。

3.2.3 “分模塊”綜合工程訓(xùn)練

基于OBE的綜合工程訓(xùn)練課程“分模塊”實踐，分為數(shù)控加工技術(shù)、3D打印技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光切割技術(shù)、精密測量技術(shù)、電路制作技術(shù)、機電產(chǎn)品創(chuàng)新訓(xùn)練、創(chuàng)新作品設(shè)計制作等7個模塊，按照教學(xué)計劃流程學(xué)習(xí)及考核。

3.3 成果評價

結(jié)合創(chuàng)新教育建立基于OBE的綜合工程訓(xùn)練課程考核標準［14-15］，制定各個模塊的考核內(nèi)容，鼓勵個性化發(fā)展，設(shè)計個性化成果。機電產(chǎn)品創(chuàng)新訓(xùn)練模塊不設(shè)過程成果不考核，數(shù)控加工技術(shù)、3D打印技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光切割技術(shù)、精密測量技術(shù)、電路制作技術(shù)等5個模塊過程成果對照考核內(nèi)容進行審核性操作考核，創(chuàng)新作品設(shè)計制作模塊的過程成果對照預(yù)期目標進行審核性成果考核給出此模塊成績，6個模塊考核內(nèi)容及成績權(quán)重如表1所示，綜合6個模塊成績最終給出本課程成績。

表1 模塊考核內(nèi)容及成績權(quán)重

4 OBE理念的綜合工程訓(xùn)練課程實踐效果

對2017級機械類學(xué)生開展了基于OBE理念的綜合工程訓(xùn)練課程教學(xué)試點，90%學(xué)生制作完成作品，制作了多個機電一體化的創(chuàng)新作品，在2018～2019學(xué)年2017級機械類學(xué)生獲得實用新型專利18項，申請發(fā)明專利9項。2017級機械類學(xué)生參加2018年舉行的嘉興學(xué)院大學(xué)生綜合工程訓(xùn)練能力競賽，選拔25名成績優(yōu)秀同學(xué)分成5組參加浙江省大學(xué)生綜合工程訓(xùn)練能力競賽，獲得3項省級二等獎、1項省級三等獎。

5 結(jié) 語

基于OBE理念的綜合工程訓(xùn)練課程通過制作個性化作品激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)機電融合工程技術(shù)的興趣，使學(xué)生熟悉熟練掌握機電融合的工程技術(shù)，具有了開發(fā)機電產(chǎn)品的基本能力，達到機電工程師的基本素質(zhì)。實踐證明，基于OBE理念的綜合工程訓(xùn)練的課程成果與預(yù)期目標達成度較高，獲得了良好的教學(xué)效果。