基于卓越工程师培养目标和“学习产出”（OBE）教学模式的机械设计课程群的建设与改革
摘要：本文基于机械设计制造及自动化专业“卓越工程师教育培养计划”的培养标准，采用基于产出教育模式，打破机械设计课程群中各课程内容的归属性，弱化各课程个性概念；强化课程内容之间的融合、交叉和关联；从提高学生创新能力和解决实际工程问题能力的培养目标层次把握课程内容的分配与实施，删除、调整课程群中内容重叠部分、理论性较强部分和不适应当代新技术等部分，有效降低课程群的总教学课时，加强实践教学课时。通过机械设计课程群的建设和改革，增进学生在设计中的创新意识和竞争意识，培养并提高学生的创新能力和解决工程问题的能力，真正实现卓越工程师的培养目标。
关键词：机械设计制造及其自动化专业；机械设计课程群；卓越工程师；教学改革；基于产出教育
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）31-0118-03
在传统的机械类专业课程设置中，主干课程一般分为技术基础课程和专业方向课程。技术基础课程如工程力学、机械制图、公差与配合、机械工程材料、机械原理、机械设计、机械CAD等，这些课程组成为以机械设计课程为中心的机械类专业技术基础课程群，简称机械设计课程群[1]。传统的机械设计课程群的内容追求的是学科体系的完整性、学科间相对的独立性，结果出现了内容交叉及知识点衔接不紧密问题。对于课程的知识的要求，老师在对落后知识点的处理上，大多数只是蜻蜓点水般简单介绍，致使学生觉得内容繁杂及思路不清、理解不透彻，学习的效果差。在本专业课程教学的过程当中，仍存在着“重局部、轻综合，重理论、轻实践”的种种现象。机械设计课程是一门机械零构件设计、强度和刚度设计的综合性学科，和机械制图以及公差与配合等的课程联系非常紧密。受传统课程框架的制约以及授课学时的限制，课程改革只能是局部的，常常造成机械设计的实训环节内容单一，涉及的交叉课程综合运用问题也暴露无遗，尤其是在与精度设计内容相关的知识运用等方面，学生总是一味地照搬照抄，缺乏的是独立思考及解决问题的能力，在机械设计过程中，几乎看不到机器协调性很高的精度设计思想及工程设计中的创新，同时也达不到预定设计的要求，也说不上利用计算机软硬件提高设计效率。有些教材甚至还存在以下问题：某些技术概念陈旧，使用的教学实例已不符合现在技术要求，技术标准不是国家最新标准，烦琐的理论公式推导占用较大篇幅，课程设计部分选题脱离实际，等等。
以上问题已严重影响教学质量，致使学生缺乏创新能力和解决实际工程问题的能力，这与卓越工程师的培养目标根本不适应。东莞理工学院机械设计制造及其自动化专业，是国家教育部批准的高校“卓越计划”第一批试点专业之一。近年来，在机械设计专业“3+1”人才培养模式中，通过与企业的研讨沟通，不断完善人才培养方案，迫切需要以工程应用能力为主线的课程整合、教学课程体系的重构[4]。卓越工程师的培养目标下的新型机械设计课程群的建设与改革将势在必行！许多应用型工科院校课程群的建设仍处在初始阶段，课程群建设的概念和内容以及方法及体系的构建没有统一标准，在一定的程度上影响课程群的建设质量。因而对于课程群的建设与改革将是长期而复杂的过程，需要我们不断地努力探索与奋斗！
一、机械设计课程群的建设与改革指导思想
在“重基础、宽口径、强实践、擅应用”的指导方针下，基于卓越工程师的培养目标，围绕着“一个中心、三个基本能力”进行机械设计的课程群建设和改革。在编写课程群网络课程时，打破课程内容的归属性，弱化了课程个性的概念，强化发课程内容间的融合、交叉和关联，树立了大课程的观念，从能力培养的目标层次上来掌握课程内容的分配与实施，进一步地优化专业结构和布局，对专业的建设进行科学与准确的定位。
在编写课程群网络课程时，还应当采用基于学习产出的教育模式（Outcomes-Based Education，缩写为OBE）进行课程体系设计。围着机械设计专业预期“学习产出”，反向设计各门课程，确定各门课程对于实现预期“学习产出”的贡献和程度，突出实现卓越工程师的能力培养。
二、机设课程群的建设内容
（一）修订培养计划和教学大纲，完善机械设计课程群体系
2013年，机械设计课程群的主要教师通过与数十家东莞大中型制造企业共同沟通研讨，对机械设计及其自动化专业的培养计划和教学大纲进行全面修订，新的培养计划和教学大纲是面向工业界，培养素质、知识、能力协调发展，基础扎实、知识面宽、工程意识和工程实践能力强，具有创新精神、较强的自主学习能力、优秀的职业道德，系统地掌握机械设计、制造、自动化的基本知识、基础理论和基本技能，具备从事机电产品和设备的研究设计、加工制造、技术管理、应用与开发、运行维护、经营销售等方面的工作能力和素质，得到机械工程师、制造工艺师和产品服务工程师等基本训练，适应珠三角地区特别是东莞市的制造业产业升级需要，具备国际化视野和现代工程师素质的应用型高级专门人才。根据新的培养计划和教学大纲，构建以工程应用为主线的，以传统机械设计理论与方法为基础的，着重提高学生工程素质及综合应用与创新设计能力培养的机械设计课程体系。
（二）基于OBE教育模式进行机械设计课程群体系设计
采用基于OBE教育模式进行课程群体系设计，其本质就是课程计划的“反向设计”，明确各门课程、每节课对于实现预期“学习产出”的贡献及程度。
根据新的培养计划和教学大纲，我校机械设计专业毕业生应是适应珠三角地区特别是东莞市的制造业产业升级需要的、具备国际化视野和现代工程师素质的应用型高级专门人才，即卓越机械工程师。教师要根据“学习产出”类型，使用多样化的教学方法。老师可以把自己与名人的工作实践经验和创新的经历，细致地介绍给自己的学生，激发学生的创新意识和学习热情。激励学生们自由选题，开展各种小发明的制作，以及软件开发与教学论文撰写等多种多样的创新活动。在课堂教学中还要多鼓励学生积极思考，敢于提出问题、回答问题，使学生养成积极主动思维的习惯。
在理论教学方面，要多结合实际工作中的工程对象，实行理论分析计算与工程实际相结合的模式，将先进现代教学的工具及传统教学的方法有机地结合起来，摸索出一种手段先进的、生动活泼的、内容丰富的教学新模式。
任课教师应尽可能地创设丰富的教育环境，调动学生积极地参与到整个教学过程。在课程的教学上，教师也可以采取测验、问卷及项目等多种多样化的评价方法，对自己学生实际“学习产出”进行评估，根据评估结果及时调整该课程教学内容和改进教学方法。
（三）树立大课程观念，优化各课程内容，突出以机械设计课程为中心和工程应用能力的培养
1.打破各课程内容的归属性，弱化各课程个性概念，强化计算机技术在机械设计过程中的应用。机械设计课程群的目的是为机械产品设计服务，经过课程群的学习，帮学生培养基本机械设计的能力，也是机械设计制造及其自动化本科专业的培养目标。在课程群各门课程教学与改革中，要以机械设计为中心点，根据具体设计的程序，将零部件制造与设计进行完美的组合，同时，要充分考虑机电产品的具体设计要求，对于课程群的内容进行规划和整合。着重课程群的整体性建设，增强不同课程间的互补与整合，促使教学内容的有机结合，避免了缺失与重复，形成了完善及合理的课程群体系。
例如在编写《机械设计》及《公差与配合》的网络课程时，要突破课程内容界限，重新精简课程群组交叉的内容，运用“纲要信号网络法”，将典型零部件的运动设计及结构设计作为提纲，以具体设计方法为信息，把《机械设计》课程图表及公式和《公差与配合》的几何量公差及检测内容，纳入机械设计的信息图库，同时，充分发挥多媒体教学声像并茂的优势，充分与学生进行信息交流，加强了教学重点，彰显了机械设计知识的综合性与整体性。
计算机设计能力的提高，将有助于创新能力与解决实际工程能力的大幅提高。CAD/CAE技术的进一步发展引起了机械设计领域的大改革，机电产品的设计理论、方法和手段等，都发生了巨大的变化。机械设计的过程，从构思分析研究，以及加工工艺的制定和产品仿真的评价，均是运用计算机模拟出的三维空间完成的，它的设计分析过程，也十分符合产品的运行规律。因此，应将培养学生使用计算机设计的能力作为主要培养目标，将计算机设计的技术和各门传统的课程相连接，建立课程群体系，激发学生们在机械方面创新设计的潜力。课程群中计算机绘图、CAD等课程的设立，对于学生计算机设计能力的培养，打下了很扎实的基础；也在其他各课程教学的过程中，比如机械原理课程，运用计算机编程进行参数化设计，又增强了计算机的学习及应用。通过引进计算机辅助设计和分析，使计算机教育在整个大学阶段持续并逐步强化，从而使学生的计算机设计能力得到极大提高，达到提高学生创新能力与解决实际工程能力的目的。
2.整合精简课程重复内容，增加新技术、新概念、新的工程应用实例以提高学生的工程应用能力。对某些课程有重复内容的部分进行整合与删除。例如，《机械制图》与《公差与配合》课程中皆有极限、配合、形位公差等知识内容，可考虑将《机械制图》中相关知识点删除，同时在课时安排上进行一定调整。这样既避免了教师在教零件图与装配图知识时要花较多时间与精力去阐明极限、配合、形位公差等知识，又节约了教学课时，从整体上提高了教学效率。《工程力学》、《机械原理》、《机械设计》中也有一些知识点重复，如应力、应变等知识，可以进行合理整合与删除。
删除《机械原理》、《机械设计》等课程中比较复杂的理论公式的推导过程，只保留公式具体应用的说明。如《机械设计》课程中带传动中受力分析、有效拉力公式的推导过程；齿轮的接触应力强度和弯曲疲劳强度公式的推导过程等。
目前我校机械学院使用的部分教材中存在一些不符合时代特征的技术和工程应用实例，如滚动轴承标准等可能不是国家最新技术标准。利用学校图书馆的文献数据库查阅最新的相关知识，结合课程群教师的科研项目和东莞企业的先进技术，更新旧知识与技术标准，增加新技术、新概念、新的工程应用实例。
在“机械设计课程群”的系列课程教学中，课程群教师应尽量以实际工程应用作为教学实例，通过课程群教师长期理论联系实际的教学，以达到培养及提高学生解决实际问题的能力。
（四）把提高学生创新能力和解决实际工程问题能力进行课程设计教学内容及实验教学内容改革
在所有课程设计的过程中，突出了课程设计的内容，贯穿了更加系统的观点，从全部方案设计及具体结构的设计，摸索出了一套系统的方法，来提高学生的综合设计能力及创新实战能力；充分利用现有实验、仪器设备，开展了创新设计的活动；利用现代的设计实验室设备、功能较强的设计平台以及面向工程实践的软件等，给自己的学生提供了把全新的现代设计方法运用于设计过程的良好平台。
鼓励自己的学生直接参加老师的科研课题，同时，作为本课程设计的题目及毕业设计的题目，把学生所学基本知识直接应用于工程实践。
保存培养学生基本技能的验证性实验，增强了学生综合性和设计性的实验项目。以现代的工程教育实践的观念作为指导，并且自主设计实验系统，设立具有工程特征的真实与虚拟的、综合设计的实验。学生实验的项目具备教学实验和工程实践背景相结合，培养工程实践的创新意识，训练工程实践的能力，来实现工程教育回归工程实践的教学目标。
建立多种多样的学生机械创新实践活动的平台，可以说是深化改革机械设计课程群实践的教学内容。研究与创新实践设计训练的平台，是学生们完成创新实验项目、制作设计产品的基地，如我校机械学院的机械创新团队，学生们都可以在老师们亲自指导下，完成“微型太阳能汽车”的设计与制造、装配和整机的测试，机器人创新团队近年来在各种国家机器人比赛中取得了优良的成绩；3D打印创新团队也在全国机械创新比赛和大学生挑战杯比赛中取得了优良的成绩。这些机械创新实践活动平台极大地提高了学生的工程实践能力和创新能力。
（五）强化机设课程群教学团队建设，促进教学团队持续性发展
教学团队的建设是课程群建设的关键所在，应该充分优化教学队伍的结构；充分发挥主动性和积极性，吸引国内外人才充实到教学的队伍中；激励中青年教师积极进取，获得博士学位；坚持将人才培养质量的提高作为团队工作的第一要务。通过教学研究、科学研究和国际交流提升教学队伍整体水平。目前我校机械工程学院已形成一支知识结构和年龄结构合理，责任感强、团结协作精神好，整体教学能力强，教学经验丰富，教学特色鲜明，教学效果好的机械设计课程群教学团队。本课程群的教学团队的特点是着重“理论教学、实验教学及工程应用教学”三元结合和相互促进，将机械基础理论、机械设计新技术和工程应用知识的传授放在首要地位，为学生工程应用能力和终身学习能力的形成打下扎实基础。
三、结语
本文基于卓越工程师的培养目标和OBE教育模式，围绕“一个中心、三个基本能力”对机械设计课程群建设与改革进行论述，从机械设计专业预期的“学习产出”，确定课程层面的“学习产出”，逆向设计各门课程，明确各课程对于实现预期“学习产出”的贡献和程度，突出以工程应用能力为主线进行课程整合和教学课程体系重构。目前，我们机械制图与机械设计基础课程已获得广东省精品课程项目支持；出版了机械设计、机械原理、机械设计基础等一系列教材并入选了国家“十二五”规划；2014年团队成员有1人获得广东省教学名师称号；多人获得国家和省级教学改革项目支持；多人在国内各级相关学会、行业协会担任重要职务。学生在全国机器人比赛和机械创新比赛中取得了一二等奖多名的好成绩；学生3D打印创新团队自主设计与制造了多台3D打印机并已成功实现了网络销售。通过调查，企业普遍认为我校机械专业学生的机械创新能力与工程应用能力较高，2014年机械设计专业毕业生就业率达到了99%以上。这些成果说明了我们教学改革的成功。
参考文献：
[1]陈波，张建中.基于CDIO的“机械设计课程群”教学改革与实践[J].教育教学论坛，2012，（31）：181-182.
[2]张凤梅，张向红，韩忠义，蒙丽.机械类（对口）专业机械设计课程群组优化的改革与实践[J].职业教育研究，2007，（3）：159-160.
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