基于OBE的計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探索

摘 要：隨著國(guó)家制造業(yè)戰(zhàn)略向智能化、全數(shù)字化方向發(fā)展，為提高機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)本科畢業(yè)生利用現(xiàn)代工具解決機(jī)械工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，有必要在計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)中開展基于OBE教育教學(xué)體系的課程教學(xué)改革。首先以西安交通工程學(xué)院2022版機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)方案為依據(jù)，設(shè)定了支撐畢業(yè)要求能力指標(biāo)點(diǎn)的課程目標(biāo)，然后以課程目標(biāo)為核心重新整合教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)教學(xué)策略，優(yōu)化考核方案，最后通過定量和定性兩方面評(píng)價(jià)課程質(zhì)量，基于評(píng)價(jià)結(jié)果有針對(duì)性地持續(xù)改進(jìn)相應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，以便學(xué)生更好地達(dá)到畢業(yè)要求的能力。通過教學(xué)實(shí)踐，課程目標(biāo)的達(dá)成度達(dá)到0.7以上，學(xué)生的三維設(shè)計(jì)能力、知識(shí)綜合應(yīng)用能力、解決復(fù)雜工程問題的能力得到明顯提高。

關(guān)鍵詞：OBE理念 課程目標(biāo) 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)策略 考核方案

工程教育認(rèn)證的核心理念包括學(xué)生為中心的教育理念（Students-Centered）、“產(chǎn)出導(dǎo)向”的教育體系（Outcome-based Education，OBE）和“持續(xù)改進(jìn)”的質(zhì)量觀（Continuous Quality Improvement，CQI）[1]。其中，OBE強(qiáng)調(diào)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)[2]，要求制定的畢業(yè)要求能夠體現(xiàn)專業(yè)人才的能力特征，能夠支撐培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成，能夠?qū)θ瞬排囵B(yǎng)具有導(dǎo)向作用，以畢業(yè)要求為準(zhǔn)繩綜合評(píng)價(jià)培養(yǎng)質(zhì)量，這種教育理念對(duì)促進(jìn)專業(yè)和課程內(nèi)涵建設(shè)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要[3]。

隨著國(guó)家制造業(yè)戰(zhàn)略向智能化、全數(shù)字化方向發(fā)展，現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法已經(jīng)逐漸由三維設(shè)計(jì)取代了二維設(shè)計(jì)，為更好地培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)本科畢業(yè)生利用現(xiàn)代工具解決機(jī)械工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，以適應(yīng)行業(yè)和企業(yè)的需求，有必要在計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)中開展基于OBE的課程教學(xué)改革[4-5]。

圖1所示OBE教育體系中，產(chǎn)出聚焦于畢業(yè)要求，畢業(yè)要求能否達(dá)成，課程建設(shè)是關(guān)鍵。除了人才培養(yǎng)方案中設(shè)計(jì)的課程體系要能支撐畢業(yè)要求外，每一門課程教學(xué)怎樣實(shí)現(xiàn)畢業(yè)要求，課程評(píng)價(jià)如何證明畢業(yè)要求的達(dá)成，這些是課程改革的重點(diǎn)，具體到計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)這門課程，本文基于OBE教學(xué)理念主要在課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容/方法和考核內(nèi)容/方法/標(biāo)準(zhǔn)三方面進(jìn)行了改革探索。

1 設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)畢業(yè)要求的課程目標(biāo)

西安交通工程學(xué)院是一所應(yīng)用型民辦本科院校，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)在2022年最新一次的人才培養(yǎng)方案修訂中，重新制定了培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求及能力指標(biāo)，并將計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)的課程性質(zhì)由原先的專業(yè)核心課程調(diào)整為專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，所有學(xué)時(shí)在機(jī)房教學(xué)，同時(shí)由原先的32學(xué)時(shí)增加到48學(xué)時(shí)，這就需要重新設(shè)定課程目標(biāo)。

站在學(xué)生學(xué)習(xí)成果達(dá)到專業(yè)畢業(yè)要求的角度，首先瞄準(zhǔn)對(duì)能力指標(biāo)點(diǎn)的支撐，設(shè)計(jì)課程目標(biāo)是起點(diǎn)，形成課程目標(biāo)到畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)支撐關(guān)系，而且從設(shè)計(jì)邏輯上講，這種關(guān)系應(yīng)該是一對(duì)一或者多對(duì)一的，課程目標(biāo)應(yīng)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)清晰對(duì)接，并能與課程內(nèi)容相銜接。因此，根據(jù)人才培養(yǎng)方案中課程的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)：3.1 針對(duì)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造中復(fù)雜工程問題，綜合考慮社會(huì)、環(huán)境、健康、安全、法律和文化等制約因素，合理地確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，運(yùn)用工程知識(shí)，通過類比、改進(jìn)或創(chuàng)新等方式，提出機(jī)械裝備方案設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝流程和控制系統(tǒng)的合理解決方案，并體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)；5.1 能夠選擇和使用CAD、CAE等現(xiàn)代工具進(jìn)行特定機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造中復(fù)雜工程問題的建模、模擬與預(yù)測(cè)，獲得合理結(jié)論，并分析其局限性，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.1的課程目標(biāo)：（1）熟練掌握零件參數(shù)化設(shè)計(jì)、虛擬裝配、工程圖生成的相關(guān)知識(shí)和方法；（2）通過學(xué)習(xí)零部件CAE分析的相關(guān)知識(shí)和方法，具有利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)仿真分析和強(qiáng)度分析的能力，對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)3.1的課程目標(biāo)：（3）基于掌握的CAD、CAE知識(shí)和方法，能夠運(yùn)用工程知識(shí)基于特定條件開展機(jī)械裝備方案設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)與優(yōu)化。三個(gè)課程目標(biāo)體現(xiàn)了通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生獲得的知識(shí)和能力，改變了以前以知識(shí)目標(biāo)為主的課程目標(biāo)，明確并突出了對(duì)學(xué)生的能力要求，同時(shí)體現(xiàn)了課程的高階性和挑戰(zhàn)度。

2 針對(duì)課程目標(biāo)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容與方法

課程目標(biāo)確定后，課程教學(xué)是否能對(duì)課程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)支撐取決于教學(xué)內(nèi)容能否支撐課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，教學(xué)方法是否有利于課程目標(biāo)的達(dá)成，因此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)在教學(xué)內(nèi)容的整合與組織、教學(xué)方法等方面進(jìn)行了改革和探索。

對(duì)照課程目標(biāo)，首先對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了梳理、整合，將其劃分為五大模塊，分別為：零件參數(shù)化設(shè)計(jì)、虛擬裝配設(shè)計(jì)、工程圖創(chuàng)建、虛擬樣機(jī)技術(shù)和工程有限元分析，教學(xué)內(nèi)容與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1，然后根據(jù)是否為重難點(diǎn)、易錯(cuò)點(diǎn)、需要操作指導(dǎo)或小組討論交流，又將教學(xué)內(nèi)容劃分為線上和線下兩部分。教學(xué)團(tuán)隊(duì)的老師將基本的命令、工具和操作方法等線上教學(xué)內(nèi)容錄制成微課，已經(jīng)在智慧樹網(wǎng)按學(xué)期上線運(yùn)行。

教學(xué)組織上，采用線上線下混合式教學(xué)模式，突出“線上自主學(xué)習(xí)+課堂教學(xué)”的融合性，課堂教學(xué)不再按照教材順序按章節(jié)內(nèi)容講解，學(xué)生學(xué)習(xí)也不是對(duì)建模操作和命令的簡(jiǎn)單模仿，而是通過案例或工程實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用線上所學(xué)的知識(shí)和方法進(jìn)行建模和仿真分析，并在應(yīng)用的過程中解析重難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生建模思維和綜合運(yùn)用相關(guān)學(xué)科知識(shí)能力的培養(yǎng)。如零件參數(shù)化設(shè)計(jì)這一模塊，學(xué)生通過線上學(xué)習(xí)，掌握草圖繪制步驟、繪圖工具與約束方法和各種特征的創(chuàng)建方法與步驟，線下課堂教學(xué)中，教師首先講解零件設(shè)計(jì)的總體思路、建模的步驟及原則，然后精選工程中典型的軸套類零件、彈簧類零件、輪盤類零件、叉架類零件和箱體類零件進(jìn)行實(shí)踐，在建立建模思維的同時(shí)應(yīng)用并鞏固了線上所學(xué)，而且這樣不僅解決了學(xué)時(shí)緊張的問題，還培養(yǎng)了學(xué)生課前、課后自主學(xué)習(xí)的能力。

為了提高學(xué)生的應(yīng)用能力、綜合設(shè)計(jì)能力，教學(xué)方法上，除了案例教學(xué)法，在綜合訓(xùn)練環(huán)節(jié)，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法、項(xiàng)目教學(xué)法，選擇難度適中的若干工業(yè)產(chǎn)品，如千斤頂、臺(tái)虎鉗、直齒單級(jí)減速器等，設(shè)置不同的綜合性項(xiàng)目，給定裝配簡(jiǎn)圖、零件圖和產(chǎn)品工作原理，要求學(xué)生分組完成各零部件的建模、裝配，出總裝工程圖和部分零件圖，并完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)分析或根據(jù)條件對(duì)某個(gè)零件進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，最后每個(gè)小組選代表匯報(bào)小組成果以及小組分工。在完成項(xiàng)目的過程中，會(huì)遇到讀圖、選擇視圖表達(dá)方式、仿真參數(shù)設(shè)置等困難，因此，除了三維設(shè)計(jì)，學(xué)生需要綜合運(yùn)用包括機(jī)械制圖、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、互換性與測(cè)量技術(shù)在內(nèi)的多門課程知識(shí)，同時(shí)還需要小組成員分工協(xié)作，這就培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析、解決復(fù)雜工程問題的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

3 針對(duì)課程目標(biāo)設(shè)計(jì)考核內(nèi)容、方法與標(biāo)準(zhǔn)

作為一門軟件類課程，以往的考核方案盡管包含過程性考核和期末考核，但并沒有考慮考核的內(nèi)容是否圍繞課程目標(biāo)設(shè)計(jì)，考核方法是否有利于判斷學(xué)生相關(guān)能力（課程目標(biāo)）的達(dá)成情況，如期末考核時(shí)主要圍繞教學(xué)內(nèi)容出題，平時(shí)考核的環(huán)節(jié)中還有考勤、課堂討論等環(huán)節(jié)。要想學(xué)生的成績(jī)能夠體現(xiàn)他們學(xué)的結(jié)果，無論是平時(shí)考核還是期末考核，考核內(nèi)容必須是針對(duì)各個(gè)課程目標(biāo)達(dá)成情況的測(cè)量而設(shè)計(jì)的，使得學(xué)生的成績(jī)分別對(duì)應(yīng)各個(gè)課程目標(biāo)，有效體現(xiàn)課程目標(biāo)的達(dá)成情況，通過統(tǒng)計(jì)全體學(xué)生各個(gè)課程目標(biāo)的達(dá)成情況獲取本專業(yè)全體學(xué)生的統(tǒng)計(jì)意義上的課程目標(biāo)達(dá)成情況。此外，考核方式應(yīng)針對(duì)全體學(xué)生并能夠判斷學(xué)生相關(guān)能力（部分或全部課程目標(biāo)）的達(dá)成情況，評(píng)分也應(yīng)有明確標(biāo)準(zhǔn)，且及格標(biāo)準(zhǔn)能體現(xiàn)課程目標(biāo)達(dá)成的底線。

基于此重新設(shè)置了考核環(huán)節(jié)，改革后，平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)各占總成績(jī)的50%，平時(shí)考核的方式包括線上測(cè)試、實(shí)驗(yàn)操作、平時(shí)作業(yè)和綜合訓(xùn)練大作業(yè)，各考核環(huán)節(jié)所占比重及與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

作為一門專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，強(qiáng)調(diào)對(duì)實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)，因此將平時(shí)成績(jī)的占比由原先的40%提高到50%，平時(shí)考核去掉了考勤、課堂提問及課堂討論等無效環(huán)節(jié)，其中，線上測(cè)試是對(duì)學(xué)生線上學(xué)習(xí)的軟件相關(guān)命令、工具、方法進(jìn)行考核，主要通過線上章節(jié)測(cè)試（客觀題）給分；實(shí)驗(yàn)操作是對(duì)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)中對(duì)軟件相關(guān)操作的掌握情況和熟練程度進(jìn)行考核；平時(shí)作業(yè)是在學(xué)習(xí)完各模塊后考查學(xué)生應(yīng)用所學(xué)獨(dú)立分析、解決問題的能力，為避免出現(xiàn)抄襲等現(xiàn)象，平時(shí)作業(yè)分組布置，各組設(shè)置難度相當(dāng)?shù)牟煌}目；綜合訓(xùn)練大作業(yè)主要考查學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，選擇和使用現(xiàn)代工程工具分析、解決復(fù)雜工程問題的能力。實(shí)驗(yàn)操作、平時(shí)作業(yè)和綜合訓(xùn)練大作業(yè)都有相應(yīng)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

期末考核采用上機(jī)的考試形式，按照各課程目標(biāo)在期末考試中所占的比重，確定考試內(nèi)容，設(shè)計(jì)題型、賦分，通過題庫組卷的方式創(chuàng)建試題，依據(jù)試卷答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)閱卷給分。

4 課程評(píng)價(jià)與持續(xù)改進(jìn)

課程質(zhì)量評(píng)價(jià)包含定量評(píng)價(jià)和定性評(píng)價(jià)兩方面。定量評(píng)價(jià)是基于期末考試成績(jī)和平時(shí)成績(jī)，課程考核結(jié)束后，通過式（1）計(jì)算全體學(xué)生各個(gè)課程目標(biāo)的達(dá)成度，定性評(píng)價(jià)是基于教師、學(xué)生的訪談和問卷調(diào)查結(jié)果，如學(xué)生滿意度問卷調(diào)查表見表3。

任課教師不僅要根據(jù)定量計(jì)算結(jié)果，比較各個(gè)課程目標(biāo)達(dá)成度的實(shí)際值和期望值，尋找短板，分析原因，有針對(duì)性地改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、模式、方法、考核等環(huán)節(jié)，還要根據(jù)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合學(xué)院督導(dǎo)的聽課檢查情況、在答疑和批改作業(yè)、試卷等過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行自評(píng)和及時(shí)總結(jié)，并加以改進(jìn)，達(dá)到持續(xù)改進(jìn)課程質(zhì)量的目標(biāo)。

5 結(jié)論

基于OBE的教育教學(xué)體系，設(shè)計(jì)了支撐畢業(yè)要求能力指標(biāo)點(diǎn)的課程目標(biāo)，以課程目標(biāo)為核心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法和課程考核，以學(xué)生能力達(dá)成為導(dǎo)向開展教學(xué)，課程秉承持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量觀，基于各個(gè)課程目標(biāo)的有效達(dá)成情況評(píng)價(jià)不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略和考核方案。教學(xué)改革成果如下：

（1）經(jīng)過兩輪的教學(xué)實(shí)踐探索，3個(gè)課程目標(biāo)的達(dá)成度達(dá)到0.7以上；

（2）在2022-2024連續(xù)三年的全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖與產(chǎn)品信息建模大賽中，獲得全國(guó)總決賽三等獎(jiǎng)4項(xiàng)，陜西賽區(qū)一、二、三等獎(jiǎng)多項(xiàng)，學(xué)生的三維設(shè)計(jì)能力、知識(shí)綜合應(yīng)用能力、解決復(fù)雜工程問題的能力得到明顯提高；

（3）教學(xué)改革研究方法和路徑可為同類課程的教學(xué)改革提供參考。

基金項(xiàng)目：校級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目“OBE 教育理念下計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐”（XJY232020）。

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