基于OBE-CDIO教育理念的新型课堂教学探索

——以“精密机械设计”课程为例

贾冠伟，彭茂军，何宇轩，李腾飞，常艳杰 

河南大学物理与电子学院 河南开封，475000

[摘 要] 为积极应对教育部关于工科新专业结构、创新工科人才知识储备、新工科教育方式等方面的号召，分析了目前高校在新工科相关专业培养上的一些缺乏和不足，包括理论课中传统教学方法和实验课程设计中的局限，以“精密机械设计”这一具体课程作为切入点，以OBE教育理念为主，以CDIO工程教育模式为辅，提出了基于OBE-CDIO教育理念的新型课堂教学模式。该教学模式以多元化的教学方案贯穿教育过程，符合我国当前对工程类专业人才培养标准。

[关键词] 新工科; OBE; CDIO; 精密机械设计; 多元化;

[基金项目] 2021中国博士后科学基金会资助项目: 新型等温活塞的空气压缩方法及应用研究（2021M701096）; 2021河南省科学技术厅科技攻关项目: 基于图像和材质多源信息融合的垃圾分类方法研究及应用（212102210500）。

[作者简介] 贾冠伟（1982-）,男，河南郑州人，工学博士，河南大学物理与电子学院讲师，主要从事机械结构设计、优化方面的研究。

[中图分类号]TH1，G642    [文献标识码] A     

一、引言

目前，为主动地、积极地应对即将到来的新一轮科技革命与产业革命，国家推出一系列战略方针，如“中国制造2025”等，重点推进制造业、建筑业等领域的快速发展，在自主创新能力、科技信息化水平、产业结构、资源利用效率等方面赶超国际先进水平,以实现到2025年前完成基本工业化进程、迈入制造业大国行列的目标。自2017年以来，教育部统筹推动新工科建设，对当前高校工科教育提出“构建工科专业新结构”、“更新工程人才知识体系”、“创新工程教育方式与手段”等新策略^[1]，助力实现中国教育强国梦。

二、传统教学与实验课程安排存在的局限——以“精密机械设计”课程为例

“精密机械设计”是与机械相关专业的一门核心专业课，该课程的安排目的在于培养工科学生掌握常用机械零部件的设计原理和精密机械设计中包含设计流程和思想。通过实验课程认识并操作一些典型机械装置，使学生具有分析机械传动装置和设计简单机械装置的能力，对机械领域相关工作进行初步了解。精密机械设计基础课程安排包括课堂理论知识讲授以及机械设计实验，具有理论性深、实践性强等特点，有助于增强学生发现问题和解决问题的能力。对于该课程的授课方式——传统教学模式中包含以下问题：

（1）课堂教学方式太老套，以幻灯片演示为主的授课形式占据了大部分课堂时间，且难以调动学生的积极性，教师和学生之间缺乏有效沟通，导致教师对学生知识掌握程度难以把握，学生往往在之前所学知识未掌握牢固时便进行后续章节的学习，课程效果难以达到预期。

（2）实验教学内容固定且与实际工程应用脱节，实验过程以教师演示、学生模仿为主，难以调动学生主动学习的兴趣，学生积极参与程度差；实验报告作为实验课程的评分标准过于单一，忽略了学生在实验课中参与程度以及创新能力，且实验报告内容大多千篇一律，没有太大的参考价值。

（3）实验设备简陋以及师资力量薄弱，面对简陋的实验环境和设备学生难以对机械实验产生兴趣，同时较少的实验课时难以达到预期的教学培养目的。

（4）教学中缺乏团队合作项目，教学目的仅局限于课本知识以及简单的机械零件认识，学生难以将学到的知识有效地结合理解并应用。

三、OBE、CDIO教育理念简述

OBE（Outcome Based Education），即基于学习产出的教育模式，由美国学者Spady最先提出并深入研究，自上世纪80年代广泛应用于美国、澳大利亚等发达国家的基础教育建设。该教育思想的核心在于学校应为每一位学生提供基于合作的学习环境，使每一位学生都能发挥自己独有的才能^[2]。OBE就是基于成果导向反向设计组织并实施教学过程的教育结构模式^[3]。对于学校和教师而言，OBE教育理念要求其对学生在经过教育后所能达到的成果有预期的规划和架构，进行课程设计和课程教学来辅佐学生达到预期成果^[4]。OBE被认为是教育未来发展的正确方向，对我国工程教育具有启迪意义，其经过数十年发展已形成较为完善的理论架构^[5][6]。

CDIO工程教育理念是由麻省理工学院等国际知名大学研究探索出的一种将理论课程和实验课程有效结合起来的一种，以学生为中心的先进教育改革成果^[7]。通过引入CDIO工程教育思想以及结果和过程并重的评价体系，可打破传统教学过程的重演示性、轻探索性的局限^[8][9]。注重学生实践过程的完整性以及工程化学习的主动性，可将理论知识与实验课程有效地结合，解决精密机械设计课程中实验课存在与理论知识联系不强、学生做实验难以下手、实验过程单调重复缺乏创新性等问题，令学生以主动的、实践的、深入的、系统的方式进行实验课的学习。

四、基于OBE-CDIO混合教学思想课程结构设计

传统的精密机械设计课程采用的是以教师讲解为主、以课后作业等为依据评判学生掌握知识程度，在授课方式、学生掌握程度有效反馈等方面相比与当前国内外先进的教学理念已经远远落后，不符合我国当前对相关工科类型人才培养需求。因此本文基于“精密机械设计”课程，提出OBE-CDIO教育理念。以OBE教育理念为主，将其作为整体教学方案的设计依据和指导思想，以学生作为整体教学方案的中心。以CDIO工程教育模式为辅，根据OBE培养理念的要求，通过CDIO工程教学设计理念进行教学活动设计，其中包含：理论课程讲解采用翻转课堂和对分课堂授课形式，实践课则采用“微观CDIO”实验模式,并且构建综合教育质量评价体系，跟踪反馈当前教学质量进展。OBE-CDIO具体教育理念如下。

（一）明确学生学习成果

以学生成果为导向、明确预期学习产出可使后续的教学活动有条不紊地进行。结合学生培养方案要求以及课程特点，OBE教育理念下精密机械设计基础理论课的预期学习产出为：（1）掌握基本机械设计术语：使学生能理解并解释精密机械设计相关的专业术语。（2）解决实际工程问题：能利用基本概念和理论分析并解决精密机械设计中的实际工程问题。（3）能利用运动副、自由度等基本概念和分析方法解决精密机械设计中的工程问题。（4）理解并融会贯通常用机构（包括平面四杆机构、凸轮机构、齿轮机构）的工作原理、设计方法、选型。（5）了解通用机械零件参数、选型依据和设计方法。（6）学会利用机械手册解决实际机械设计问题。

（二）设计授课方式

明确学生学习预期产出后，为保证后续教学活动的实施能有效地帮助学生达到预期的学习成果，采用“宏观CDIO”设计理念对教学方案进行构建。“宏观CDIO理念”设计是指将CDIO核心理念“从产品开发到产品运行的整个生命周期”扩大应用到整个教学实施体系，依据CDIO理念的四个实施步骤精准有效地构建基于OBE理念的授课方式。在OBE理念下采用“宏观CDIO理念”设计教学结构应遵循构思、设计、实施、运行这四个阶段，其阶段任务分别为（1）分析并落实教学目标，确定不同层次阶段学生的能力培养。（2）以学生学习预期产出为导向设计课程结构，设计教学方法。（3）根据设计阶段的方案确定理论课、实践课的授课形式。（4）设计有效的综合教学质量评价体系反馈教学的实际进展，根据反馈结果持续改进。

（三）理论课教学实施形式

采用“宏观CDIO理念”教学实施体系后，根据设计阶段（Conceive）的要求，在课程理论知识讲解中穿插采用翻转课堂和对分课堂授课模式，以满足OBE教学培养理念。

翻转课堂的实质在于教学模式的“翻转”：通过网络或远程通信手段，使学生在课前对教学内容进行自主的学习，课堂中在教师的指导下进行问题讨论，并结合课堂提问和测试等方法检验自学成果，加深对知识点的理解；课下可通过作业或思考题等手段对课上所讲知识点进一步地巩固。相比于传统的授课方式，翻转课堂划分为课前、课中和课后三段，形成了循序渐进的学习思维路径^[10]，即从“课上学习、交流、巩固”转变到“课前预习、课上师生互动、课后知识巩固”的模式，对于不同学习能力的学生群里都可以有效地达到预期教学成果。

对分课堂讲究先教后学^[11]，兼顾传统教学方法和讨论式教学模式，教师需将授课内容精炼化，在课上帮助学生构建知识体系框架，学生课下自主阅读教材或资料将知识消化吸收，遇到的问题在下次课的讨论环节进行集中讨论。对分课堂的授课形式可应用在课程重难知识点上，教师在课堂上通过细致的讲解，使学生课程知识体系和各知识点间清楚的理解，以便后续翻转课堂的课前学习有效开展。

以“齿轮传动”为例，《精密机械设计基础》中关于齿轮的内容分为齿轮机构和齿轮传动两章，从齿轮的基本尺寸到齿轮啮合再到齿轮强度计算，循序渐进的介绍了齿轮以及在机械中的应用。传统的教学方法应用在“齿轮传动”时以老师讲解、演示为主，师生间沟通少，学生学习效果很难得到保证，对于齿轮基本结构和参数这部分内容，教学大纲规定为重点知识，对于初次了解并学习齿轮结构的学生而言属于较难内容，故可通过对分课堂授课方法引入齿轮基本尺寸的知识点，学生在理解齿轮基本结构和参数后，自主了解齿轮的其余特征、应用，遇到的问题可在下次课讨论环节集中解决，即巩固所学的知识点又衔接了后续学习内容。

（四）基于“微观CDIO”模式机械设计实验课

精密机械设计是一门重实践的工程类专业课，授课形式包含理论课和实验课，其中开设实验课的目的即让学生通过课堂上理论知识的学习，经过实验操作加深对理论知识的理解，并用理论知识解决实验时遇到的实际工程问题，培养学生具备现代化的实验方法和测试手段，提高学生创新思维和动手能力。

     相比于传统的实验授课方式，以老师讲解操作为主，学生逐步模仿完成每次实验的学习和技能训练，难以激发学生主动性。 “微观CDIO”工程教育理念将CDIO工程理念所要求的四个实施阶段细化到一个个具体的实验，以小组为单元依照CDIO教学理念进行不同学时的实验教学。河南大学物理与电子学院精密机械设计基础实验课程拥有一套与理论课程配套、可组装拆卸的机械实验装置，以理论课讲解顺序为流程、以机械实验装置为载体，应用“微观CDIO”实验教学理念可有效地帮助学生高效、有兴趣地进行机械实验学习，达到OBE理念要求的预期学习产出。

下面以“轴系结构设计”为例，阐述基于CDIO模式下的实验教学具体流程。（1）构思阶段：首先学习课本、查阅文献了解轴的种类、制造材料以及用途，在此基础上识别轴上基本零件，如大小直齿轮、大小斜齿轮、轴承座、轴承透盖、套筒、轴端挡板、键以及石棉密封垫等，了解它们的特点和使用要求，最后理解轴系整体结构设计要求。（2）设计阶段：经过构思阶段对轴以及轴相关零件、装配要求有所了解后，根据个人喜好以及对轴掌握程度选择不同的轴系结构设计方案，如单级齿轮减速器输入轴、二级齿轮减速器输入轴、蜗杆减速器输入轴、锥齿轮减速器输入轴等，然后选择所需的轴上零件，并按照装配要求绘制相应轴系结构装配草图。（3）实施阶段：参照设计阶段的零部件选型、结构装配设计方案，按要求进行实际轴系结构的装配。（4）运行阶段：根据工程调试标准对所装配的轴系结构进行调试，验证所设计结构是否符合实际使用标准。

（五）综合教学质量评价体系的设计

制定长期有效的教学质量评价体系可以评估OBE-CDIO教学理念的实际应用效果，以便有效掌握学生对知识体系的理解程度。基于OBE-CDIO教学理念的“精密机械设计”综合教学质量评价标准可采用多元化、综合的评估手段来考察学生的学习效果、创新能力以及学习态度。

六、结语

相比于传统的授课方式，基于OBE-CDIO模式的精密机械设计基础课堂与实验教学模式，符合我国当前对工程类专业人才培养标准，以多元化的教学方案贯穿教育过程，基于OBE教育理念的理论课设计以成果为导向，进而确定了翻转课堂和对分课堂相结合的授课模式，打破了传统课堂重演示、轻探索的局限氛围；以CDIO为理念的实验课形式从实际工程项目流程出发，以构思、设计、实施、运行四个阶段为实验流程，培养了学生团队合作、创新思维和工程实践能力。

[参考文献]

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[8] 林礼区,周晨,姜锐,王晓倩,郑蓓蓉,申允德.工程教育认证背景下机械类专业实践教学体系改革[J].实验技术与管理, 2017, 34(09): 204-207.

[9] 王留芳，曲凌，混合式工程实践的教学重构[J]. 中国大学教学，2019(5):24-28.

[10] 王晓晨, 张佳琪, 杨浩, 张世红. 深度学习视角下高校翻转课堂教学模式研究[J]. 电化教育研究, 2020, 41(12): 85-91+128.

[11] 杜艳飞, 张学新.“对分课堂”: 高校课堂教学模式改革实践与思考[J]. 继续教育研究, 2016(03): 116-118.

Exploration of New Class Teaching Based on OBE-CDIO Educational Concept

Take the "Precision Machinery Design" Course as an Example

JIA Guan-wei, PENG Mao-jun, HE Yu-xuan, LI Teng-fei, CHANG Yan-jie,

ZHANG Dong-ming, LV Hao-jie

School of Physics and Electronics, Henan University Kaifeng, Henan, 475000

Abstract: In order to actively respond to the call of the Ministry of Education on the new engineering discipline structure, innovative engineering talent knowledge reserve, new engineering education methods, etc., some current colleges and universities' lack and deficiencies in the training of new engineering related majors are analyzed, including theoretical courses. The limitations of traditional teaching methods and experimental curriculum design. Taking the specific course of "Precision Machinery Design" as the entry point, focusing on the OBE education concept, supplemented by the CDIO engineering education model, a new model based on the OBE-CDIO education concept is proposed. Classroom teaching mode. This teaching model runs through the education process with a diversified teaching plan, which is in line with my country's current standards for training engineering professionals.

Keywords: new engineering; OBE; CDIO; precision mechanical design; diversification;