工程教育認證背景下機械類專業(yè)項目式實踐教學體系的構(gòu)建與實踐

徐向偉 姚建濤 金淼 黃華貴

[摘 要] OBE工程教育理念的應(yīng)用實踐有利于建立開放、透明和互認的教育結(jié)構(gòu)，從工程教育認證視角深入分析傳統(tǒng)工程教育實踐教學體系的問題，依據(jù)OBE理念提出了實踐教學體系的構(gòu)建原則，并以機械類專業(yè)為例介紹了實踐教學目標體系的制定和細化分解。介紹了符合工程教育認證要求的項目式實踐教學體系的具體實踐情況，并總結(jié)了項目式實踐教學體系對認證標準中非技術(shù)能力指標的培養(yǎng)優(yōu)勢。

[關(guān)鍵詞] OBE;項目式教學;實踐教學體系

[中圖分類號] G642.0? [文獻標識碼] A? [文章編號] 1005-4634（2020）06-0083-05

0 引言

2016年，我國成功加入《華盛頓協(xié)議》國際工程教育組織，標志著我國高等工程教育正逐步與國際接軌。《華盛頓協(xié)議》組織締約國間相互承認經(jīng)過工程教育認證專業(yè)的學生培養(yǎng)實質(zhì)等效。工程教育認證作為權(quán)威且有效的教育評價手段，是國家層面為完善教育質(zhì)量保障體系而規(guī)劃實施的重點工作，也是為今后實行注冊工程師制度所做的前期準備和鋪墊[1]。工程教育認證的核心理念就是OBE（outcome-based education）工程教育理念，即以學生產(chǎn)出導(dǎo)向的工程教育理念，以學生為本、關(guān)注學生最終學習成果的教育模式，注重持續(xù)改進原則[2，3]。OBE理念的應(yīng)用實踐有利于建立開放、透明和互認的教育結(jié)構(gòu)，也真正地將以學生為本放在整個教育的首位，成果導(dǎo)向教育已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念，被工程教育專業(yè)認證完全采納。用成果導(dǎo)向教育理念引導(dǎo)我國工程教育改革，具有現(xiàn)實意義[4-6]。然而，到目前為止我國高校在實施OBE理念的教育改革中，仍過度關(guān)注理論教學范疇的改革實踐，實踐教學體系還停留在落后過時的狀態(tài)，亟待進行徹底的梳理和改革。

本文就是在掌握OBE的工程教育理念下，深入調(diào)研分析現(xiàn)有工程教育實踐教學體系的問題，吸取國際先進教學理念，構(gòu)建一套OBE理念下反映機械學科特點，基于能力培養(yǎng)的項目式實踐教學體系。

1 對比分析傳統(tǒng)工程教育實踐教學模式的問題

1.1 橫向比較

從系統(tǒng)論角度出發(fā)，一般來說，高等工程教育包含理論教學體系和實踐教學體系兩大組成部分，二者具有相對獨立性，且各自承擔著實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標的任務(wù)，同時也影響著對方目標的實現(xiàn)。理論教學體系和實踐教學體系是有機互動和辯證統(tǒng)一的關(guān)系[7-9]，共同組成教學系統(tǒng)的整體。作為相對獨立存在的實踐教學體系，長期以來未受到足夠重視，實踐教學改革滯后于理論教學改革。尤其是，實踐是工程教育的靈魂，在工程教育中實踐教學與理論教學的地位應(yīng)該同等重要。而現(xiàn)實情況是，我國工科高校普遍忽視實踐教學。

1.2 縱向分析

從工程教育認證倡導(dǎo)的以學生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進的3大理念出發(fā)，傳統(tǒng)的"蘇聯(lián)模式"的實踐教學體系設(shè)計與工程教育認證的要求存在諸多矛盾。

1） 實踐教學"教"與"學"的中心矛盾。教學的最終目的是培養(yǎng)人。傳統(tǒng)實踐教學模式以"教"為核心，以教師為中心，強調(diào)知識體系的完整性，注重知識的傳授，忽視學生作為主體的能動性。一方面，教師在完成自認為的教學任務(wù)后，不關(guān)注學生學習成果，學生的實驗及實踐效果難以保證;另一方面，在以"教"為核心的導(dǎo)向下，機械類專業(yè)的實驗項目以驗證性實驗為主，學生按照實驗指導(dǎo)書"套路"式完成實驗任務(wù)，難以鍛煉學生解決復(fù)雜工程問題的能力，不能完全支撐工程教育認證的指標體系，也缺少對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2） 實踐教學的目標矛盾。傳統(tǒng)實踐教學的目標以驗證理論知識和掌握實驗實訓技能為主，各實驗項目以課程為單元，以滿足課程教學目標為導(dǎo)向，而課程之間沒有建立系統(tǒng)的培養(yǎng)目標體系，導(dǎo)致實驗或?qū)嵺`項目的培養(yǎng)任務(wù)不合理、不明確。

2 OBE理念下機械類專業(yè)項目式實踐教學體系的構(gòu)建? 實踐是工程教學的特點和靈魂。構(gòu)建一套科學高效的實踐教學培養(yǎng)體系對整個工程教育的培養(yǎng)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

2.1 OBE理念下實踐教學體系的構(gòu)建原則

1） 整體性原則。OBE理念倡導(dǎo)以學生為中心的培養(yǎng)理念，整個教育體系的設(shè)計應(yīng)該圍繞學生這個中心，無論是理論教學還是實踐教學，都應(yīng)該緊緊圍繞如何培養(yǎng)社會需要的杰出人才這個核心問題。實踐教學體系設(shè)計要處理好整體和局部的關(guān)系，目標是要設(shè)計以學生為中心，主動激發(fā)學生學習的內(nèi)在動力，構(gòu)建實踐教學與理論教學相輔相成的新模式。

2） 有序性原則。OBE理念強調(diào)產(chǎn)出導(dǎo)向（out-come），整個課程體系的設(shè)計以適應(yīng)社會需求的培養(yǎng)目標為出發(fā)點和落腳點，教學計劃的組織也是正向設(shè)計、反向?qū)嵤┑倪^程。如圖1所示。

3） 動態(tài)調(diào)整原則。持續(xù)改進理念是OBE的核心理念之一，即按照"計劃-執(zhí)行-檢查-處理"的戴明循環(huán)建立教學質(zhì)量管理的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種循環(huán)不是簡單的重復(fù)，而是通過改進和解決質(zhì)量問題，從而達到以持續(xù)保證和提高質(zhì)量為目的的螺旋式上升的循環(huán)[10-12]。專業(yè)的教學體系要根據(jù)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和教學評價持續(xù)地改進實踐教學體系及教學內(nèi)容和方法，以保障其始終與培養(yǎng)目標保持一致。

2.2 實踐教學目標體系的制定與細化分解

燕山大學立足河北，面向全國，已形成以工為主，文、理、經(jīng)、管、法、藝、教等多學科共同發(fā)展的學科格局，是致力于以重型機械及裝備為優(yōu)勢，多學科協(xié)調(diào)發(fā)展的高水平大學。機械類的人才培養(yǎng)方案體現(xiàn)了在OBE工程教育理念指導(dǎo)下，以學生為中心，以機械行業(yè)需求為導(dǎo)向，結(jié)合學校辦學定位，注重學生的工程意識、素質(zhì)和實踐能力的培養(yǎng)。培養(yǎng)方案圍繞機械裝備制造工業(yè)發(fā)展對高素質(zhì)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才的需求，依托學校機械學科相關(guān)重點學科、重點實驗室、國家工程中心、實驗教學示范中心以及校外人才培養(yǎng)基地，培養(yǎng)重型機械行業(yè)特色鮮明、機械工程基礎(chǔ)扎實的工程技術(shù)人才。以機械設(shè)計及其自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標為例："本專業(yè)旨在培養(yǎng)具有良好的人文素養(yǎng)、學術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)，具備較寬厚的基礎(chǔ)理論和扎實的機械設(shè)計、制造及其自動化基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識與應(yīng)用能力，具有一定的組織管理能力、不斷學習和適應(yīng)發(fā)展的能力、創(chuàng)新精神和國際化視野、團隊精神和專業(yè)技術(shù)能力，能在工業(yè)生產(chǎn)第一線從事機械工程及其自動化領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)計制造、科技開發(fā)、研究應(yīng)用、運行管理等方面工作的高級工程技術(shù)人才"。為適應(yīng)社會發(fā)展需要，結(jié)合學校定位與發(fā)展目標，燕山大學人才培養(yǎng)方案的制訂，更注重知識、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)，更注重創(chuàng)新和國際視野，更注重本專業(yè)的機械行業(yè)背景和工程技術(shù)需求。

另外，工程教育認證要求專業(yè)必須有明確、公開的畢業(yè)要求，畢業(yè)要求應(yīng)能支撐培養(yǎng)目標的達成。結(jié)合通用標準的12條畢業(yè)要求，機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)將12條畢業(yè)要求細化為可衡量、可評價的共38條二級指標點。列舉其中一條為例：具有運用工程基礎(chǔ)知識和本專業(yè)基本理論知識解決復(fù)雜工程問題的能力，具有系統(tǒng)的工程實踐學習經(jīng)歷;了解本專業(yè)的前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢;掌握扎實的工程基礎(chǔ)理論知識，以及機械工程、機械學科的基本理論、基本知識，具有系統(tǒng)的工程實踐學習經(jīng)歷;了解本專業(yè)的現(xiàn)狀、前沿及發(fā)展趨勢;具有綜合運用所學科學理論和技術(shù)手段分析并解決復(fù)雜工程問題的基本能力[13]（對應(yīng)通用標準3、6）。

2.3 項目式實踐教學體系的構(gòu)建

燕山大學借鑒CDIO工程教育理念和模式，以學生能力為導(dǎo)向，同時兼顧學校的實際情況，構(gòu)建了以學生為主體，課程項目為基礎(chǔ)，專業(yè)綜合項目為核心，能力導(dǎo)向為主線，全過程管理的項目式實踐教學體系，具體如表1所示。

新的項目式實踐教學體系增加了單獨設(shè)課的實踐教學學分，理論課課內(nèi)實踐教學學時增加到總學時的1/3以上，用以開展項目式教學、實驗及其他形式的實踐教學。以軋鋼設(shè)備及工藝專業(yè)方向為例，經(jīng)過該專業(yè)方向全體教師的共同努力，建立了以軋鋼設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝的設(shè)計計算流程為主線、以CAD/CAE技術(shù)及軋制實驗為依托的項目式課程體系，如圖2所示。項目的實施不僅使學生深入理解了專業(yè)的核心知識，更強調(diào)對畢業(yè)要求中38項能力的培養(yǎng)。同時，項目式的教學極大地增強了學生自主學習的主觀能動性，培養(yǎng)了學生的團隊合作能力，使學生初步建立起了"工程實踐"的概念。

1） 三級項目。三級項目是隨課程設(shè)計的小型綜合性項目，是用不多于3門課程的知識來完成的小型創(chuàng)新設(shè)計型項目。以工程機械專業(yè)方向的核心專業(yè)課程《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計》為例，為更好地提高課堂教學效果，使同學們對于鋼結(jié)構(gòu)的認識更加深刻，經(jīng)教研室教師一起反復(fù)研討，最終確定了與《有限元原理及應(yīng)用》課程共同設(shè)立三級項目的項目式教學方法，通過課堂知識學習、課下查閱資料、小組討論、項目制作及PPT匯報等，使學生全面深入地掌握課程內(nèi)容，并學以致用。該三級項目內(nèi)容包括：對現(xiàn)有起重運輸機械典型鋼結(jié)構(gòu)進行調(diào)研，每組同學至少調(diào)查3種鋼結(jié)構(gòu)，對其進行強度分析并提交分析報告;學生在調(diào)研的基礎(chǔ)上，在教師給定的設(shè)計要求范圍內(nèi)，用三維設(shè)計技術(shù)自行設(shè)計一種新型鋼結(jié)構(gòu);學生用有限元分析的方法對每一個方案進行有限元模擬，找出優(yōu)缺點，最終小組討論確定最佳設(shè)計方案，并對其進行加工，完成加載測試，提交測試報告。該三級項目用到了2門課程的討論課學時、實驗課學時、上機學時以及學生課外調(diào)研及撰寫報告等共30學時。項目的考核方式結(jié)合了學生出勤情況、分析結(jié)果、虛擬設(shè)計3D模型及二維工程圖、鋼結(jié)構(gòu)樣本的制作及測試、研究分析報告的撰寫等各方面情況，2門課程單獨設(shè)計考核內(nèi)容并各有側(cè)重。

2） 二級項目。二級項目是綜合設(shè)計型實物項目，包括專業(yè)方向的綜合課程設(shè)計、專業(yè)綜合訓練和機械設(shè)計課程設(shè)計項目等。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標及畢業(yè)要求，各專業(yè)組織開展了專業(yè)課程實踐教學體系的研討梳理工作，逐一確定專業(yè)實踐教學的教學內(nèi)容和教學方式，形成了各具特色的二級實物項目。

以冶金機械專業(yè)方向為例，冶金機械專業(yè)以滿足社會需求作為確立和梳理人才培養(yǎng)目標的主要依據(jù)，以工程教育專業(yè)認證和課程規(guī)范化建設(shè)為抓手，實施基于OBE-CDIO的人才培養(yǎng)模式綜合改革，整體推進以項目式實踐教學為主線的工程教育改革，建立完善的項目式實踐教學體系，加大專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)的學時比重，突出學生實踐能力與人文素質(zhì)的培養(yǎng)。冶金機械專業(yè)二級項目立足于冶金機械專業(yè)的核心專業(yè)課，基于《冶金設(shè)備及工藝》和《PLC控制技術(shù)》課程做方案設(shè)計（conceive），基于《彈塑性理論》和《機械系統(tǒng)動力學》課程做結(jié)構(gòu)設(shè)計（design），基于《有限元數(shù)值模擬技術(shù)》和《MATLAB與機械優(yōu)化設(shè)計》課程做建模分析（implement），基于《機械制造工藝學》做加工裝配（operate），結(jié)合項目的執(zhí)行周期設(shè)計合理的考核節(jié)點，學生分小組完成項目的方案確定、可行性分析、成本核算、總體結(jié)構(gòu)及部件和零件設(shè)計、加工制作、安裝調(diào)試和答辯驗收，讓學生親自體驗了一個項目或產(chǎn)品自設(shè)計至生產(chǎn)的完整流程。冶金機械專業(yè)方向二級項目培養(yǎng)了學生解決復(fù)雜工程問題的能力，使學生深刻理解了專業(yè)特色，通過方案設(shè)計、可行性分析、成本核算、零件設(shè)計和制造、設(shè)備安裝和調(diào)試等環(huán)節(jié)，使學生掌握了工程設(shè)計的基本流程，特別是起到了對工程教育認證畢業(yè)要求中非技術(shù)能力標準的培養(yǎng)，例如問題分析、創(chuàng)新意識、工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、個人和團隊、溝通、自主學習等。

3） 一級項目。一級項目是綜合學生4年所學基礎(chǔ)知識與專業(yè)知識，結(jié)合專業(yè)特色和行業(yè)實際需求的綜合型項目，主要由小型綜合性項目（側(cè)重基礎(chǔ)）和畢業(yè)設(shè)計項目（側(cè)重專業(yè)和綜合）組成。小型綜合性項目即創(chuàng)新與特長教育（一級項目），為學生在較低年級完成的小型項目設(shè)計與制作，即學生認知、創(chuàng)新的啟蒙式項目;另一個一級項目即畢業(yè)設(shè)計，是學生在第8學期綜合運用前7個學期所學知識，完成的綜合設(shè)計型項目。

以機械電子工程專業(yè)方向畢業(yè)設(shè)計一級項目為例。2017年機械電子工程專業(yè)方向選取了部分畢業(yè)設(shè)計一級項目進行了實物制作改革，該項目以行業(yè)需求為導(dǎo)向，全部過程由學生組隊自主設(shè)計完成。整個過程共分3個階段完成：第一階段共4周，主要任務(wù)是市場調(diào)查、方案設(shè)計、可行性論證以及開題答辯;第二階段共6周，主要任務(wù)包括零部件采購及加工、繪制電控原理圖、元器件選型、零部件加工制造、完成主體裝配及中期考核;第三階段共7周，主要任務(wù)包括電控系統(tǒng)硬件裝配、設(shè)備總裝、開發(fā)人機交互界面、試運行、撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書及畢業(yè)答辯等環(huán)節(jié)。值得一提的是，方案可行性分析環(huán)節(jié)增加了產(chǎn)品的預(yù)算評估以及工程與社會、可持續(xù)發(fā)展等評估要求;集成裝配環(huán)節(jié)主要鍛煉學生的動手能力，同時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足之處，進而完善與培養(yǎng)學生獨立解決問題的能力[14.15]。

3 實踐成效

對比傳統(tǒng)的"灌輸式"教學模式，項目式實踐教學融合"教、學、做"三者于一體，讓學生自己思考、自己設(shè)計、自己制作、自我完善，充分發(fā)揮了學生的主觀能動性，實現(xiàn)了課堂教學的"做中學"。燕山大學自2007年開展項目式教學改革實踐以來，取得了良好的教學成果和效果。機械工程學院成功申報了教育部質(zhì)量工程項目--"學研產(chǎn)互動"與"做中學"創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)，并且作為教育部CDIO工程教育模式項目組機械類組牽頭單位實施CDIO工程教育改革。在我國開始開展專業(yè)認證制度之后，該"項目式實踐教學體系"成功支撐機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)通過了工程教育專業(yè)認證。

學生在完成實踐項目后也紛紛表示，項目式實踐教學給了自己更多的獲得感。例如，機械設(shè)計專業(yè)一名學生在完成畢業(yè)設(shè)計一級項目實物項目后發(fā)表如下感言："本次畢業(yè)設(shè)計是我首次進行完整綜合的機械設(shè)計實戰(zhàn)演練。"

4 結(jié)束語

高水平的課程項目，以及以之為基礎(chǔ)的實踐教學體系，在學生能力培養(yǎng)上不但貼合行業(yè)需求，也為學有余力的學生提供了可拓展的學習平臺，實現(xiàn)了以學生為中心的個性化培養(yǎng)。學生通過以項目為載體的實踐訓練，能夠激發(fā)學習興趣，學以致用，更好地掌握專業(yè)理論知識，同時，特別有利于培養(yǎng)學生的問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、團隊溝通、項目管理和終身學習等非技術(shù)因素的能力，實現(xiàn)知識、能力和素質(zhì)的一體化培養(yǎng)，從而在內(nèi)涵上達到工程教育認證的要求。

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Construction and practice of project-based practical

course system for Mechanical Majors under

background of "engineering education accreditation"

XU Xiang-wei，YAO Jian-tao，JIN Miao，HUANG Hua-gui

（School of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China）

AbstractThe application and practice of outcome-based education （OBE） engineering education are favorable to the establishment of an open， transparent and mutual acceptable educational structure. From the perspective of engineering education accreditation， this paper deeply analyzes the problem of practical education system in traditional engineering education. According to the OBE concept， the principle of constructing practical education system is put forward. Meanwhile， taking mechanical speciality as an example， the formulation and refinement of the target system of practical education are introduced. Additionally， the concrete implementation of project-based practical education system conforming to the requirements of engineering education accreditation is presented. Also，the training advantages of project-based practical education system in the certification standard of non-technical ability indicators are summarized.

Keywordsoutcome-based education;project-based teaching;practical course system

[責任編輯 孫 菊]