基于OBE理念的“MATLAB及工程應(yīng)用”教學(xué)及評(píng)價(jià)體系改革

孔俊超 鄭祥 路玲

摘?要：基于OBE理念，結(jié)合工程教育認(rèn)證要求和課程自身特點(diǎn)，改變傳統(tǒng)教學(xué)重教輕學(xué)的不足，構(gòu)建學(xué)什么、怎么學(xué)、如何多學(xué)、學(xué)得如何為主線的教學(xué)及評(píng)價(jià)體系。以畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成度量化學(xué)生學(xué)習(xí)情況，突出培養(yǎng)學(xué)生的編程能力、協(xié)作能力、創(chuàng)新能力，滿足社會(huì)對(duì)本專業(yè)人才能力的需要。

關(guān)鍵詞：OBE；MATLAB；工程應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH111；G642.0??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Based?on?the?concept?of?OBE，this?paper?combined?with?the?requirements?of?engineering?education?certification?and?the?characteristics?of?the?course，to?change?the?deficiency?of?traditional?teaching?of?pay?more?attention?to?teaching?than?learning.Build?a?curriculum?system?that?focuses?on?what?to?learn，how?to?learn，how?to?learn?more，and?how?to?learn.To?quantify?students'?learning?situation?based?on?the?degree?of?graduation?requirements.Highlight?the?cultivation?of?students'?programming?ability，collaboration?ability，and?innovation?ability，and?satisfy?the?society?needs?for?the?talent?ability?of?this?major.

Keywords：OBE；MATLAB；Engineering?application

1?概述

“MATLAB及工程應(yīng)用”課程是一門以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、C語言、理論力學(xué)、機(jī)械原理等課程為基礎(chǔ)的機(jī)械類專業(yè)課程［1］。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握矩陣運(yùn)算和函數(shù)文件創(chuàng)建，并分析實(shí)際工程中常見機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性，從而培養(yǎng)學(xué)生的編程能力、協(xié)作能力、創(chuàng)新能力［23］。傳統(tǒng)教學(xué)通常是以教師為中心，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，教學(xué)效果不理想［4］。OBE的教學(xué)理念是成果導(dǎo)向教學(xué)，以學(xué)生為中心，更注重學(xué)生的學(xué)［5］。而工程教育專業(yè)認(rèn)證也是從“教師的教為中心”變?yōu)椤皩W(xué)生的學(xué)為中心”，突出培養(yǎng)學(xué)生的能力［67］。因此，基于OBE理念的工程教育專業(yè)認(rèn)證的“MATLAB及工程應(yīng)用”課程教學(xué)改革十分有必要。

2?課程的畢業(yè)要求

根據(jù)本校以應(yīng)用型學(xué)科專業(yè)建設(shè)為重點(diǎn)，立足地方，面向行業(yè)，深化產(chǎn)教融合的辦學(xué)定位［8］。結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)應(yīng)培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，制定12條畢業(yè)要求和29個(gè)指標(biāo)點(diǎn)。結(jié)合“MATLAB及工程應(yīng)用”課程的特點(diǎn)和畢業(yè)要求，課程畢業(yè)要求教學(xué)目標(biāo)，如表1。即學(xué)生能對(duì)機(jī)械工程領(lǐng)域問題建立數(shù)學(xué)模型，能基于自然科學(xué)、機(jī)械工程的科學(xué)原理正確表達(dá)工程問題。

2.2?能基于自然科學(xué)、機(jī)械工程的科學(xué)原理正確表達(dá)工程問題

利用MATLAB分析實(shí)際工程中常見機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)問題

3?基于OBE理念的課程教學(xué)體系

為適應(yīng)本校的應(yīng)用型高校中“應(yīng)用”辦學(xué)定位，匹配工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，“MATLAB及工程應(yīng)用”課程的教學(xué)體系亟須改革。結(jié)合本課程特點(diǎn)，基于OBE理念的工程教育專業(yè)認(rèn)證“MATLAB及工程應(yīng)用”的教學(xué)模式，本課程主要包括學(xué)什么、怎么學(xué)、如何學(xué)、學(xué)得如何四個(gè)方面。

3.1?學(xué)什么

“MATLAB及工程應(yīng)用”的教學(xué)體系包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩部分，著重加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，本課程總學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)，根據(jù)5年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)將理論教學(xué)學(xué)時(shí)大大縮短，強(qiáng)化上機(jī)實(shí)踐編寫程序的能力。具體學(xué)時(shí)分配為理論學(xué)時(shí)16課時(shí)，上機(jī)實(shí)踐16課時(shí)。

理論教學(xué)包括課堂教學(xué)、習(xí)題訓(xùn)練、線上網(wǎng)絡(luò)自學(xué)三部分。課堂教學(xué)不僅只是簡(jiǎn)單的編程基礎(chǔ)，還包括實(shí)際的工程應(yīng)用。課堂教授if判斷語句時(shí)，不再是分段函數(shù)的編寫，還應(yīng)結(jié)合工程中鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的判斷。首先給定四桿的桿長(zhǎng)，學(xué)生由機(jī)械原理的理論知識(shí)判斷機(jī)構(gòu)的類型；再結(jié)合if判斷語句分析機(jī)構(gòu)的類型；最后通過input函數(shù)輸入任意桿長(zhǎng)也可得出機(jī)構(gòu)類型。設(shè)計(jì)規(guī)范、可讀性高、有創(chuàng)造性的程序。

習(xí)題訓(xùn)練包括線上和線上資源，共7次作業(yè)。線上網(wǎng)絡(luò)自學(xué)包括9章，可供學(xué)生課后自學(xué)所用，提供給學(xué)生感興趣的內(nèi)容課后自學(xué)。

工程實(shí)踐為工科類專業(yè)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，與工程實(shí)踐相脫節(jié)，學(xué)習(xí)無意義。實(shí)踐教學(xué)16課時(shí)，分為MATLAB基礎(chǔ)教學(xué)（6課時(shí)）和復(fù)雜工程實(shí)例分析（10課時(shí)）兩部分。MATLAB基礎(chǔ)教學(xué)包括向量、矩陣的創(chuàng)建及運(yùn)算；函數(shù)文件創(chuàng)建和二圖形可視化。復(fù)雜工程實(shí)例分析包括常見機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、力學(xué)特性分析和常見機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

建立工程實(shí)例的數(shù)學(xué)模型需讓學(xué)生獨(dú)立思考各參數(shù)的關(guān)系，分辨自變量和因變量。不能只按照書本和文獻(xiàn)照本宣科、機(jī)械化抄寫程序，應(yīng)融入設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造性構(gòu)思。尤其設(shè)計(jì)新機(jī)器和未知機(jī)械時(shí)，沒有說明書和模板也能建模和編程分析。注重理論的同時(shí)，更注重結(jié)合實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.2?怎么學(xué)

首先通過案例分析讓學(xué)生產(chǎn)生興趣，并提出問題；其次通過啟發(fā)式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生思考，使學(xué)生能達(dá)到主動(dòng)思考、主動(dòng)提問、主動(dòng)總結(jié)；再將班級(jí)按人數(shù)分為若干組，對(duì)重難點(diǎn)進(jìn)行小組討論；最后教師講解共性問題。

分析鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析，首先從學(xué)生熟知的雷達(dá)仰俯機(jī)構(gòu)圖解法入手；其次讓學(xué)生思考數(shù)學(xué)中常用的向量投影法或復(fù)數(shù)矢量法在位移模型中的應(yīng)用；再將學(xué)生分成6人一組，討論重難點(diǎn)一：投影法得出位移模型方程，重難點(diǎn)二：循環(huán)和矩陣點(diǎn)乘的應(yīng)用；最后，歸納總結(jié)投影法或復(fù)數(shù)矢量法得出位移模型方程的方法以及編程出現(xiàn)的共性錯(cuò)誤。既加強(qiáng)學(xué)生之間的協(xié)作能力，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)生對(duì)編程的好奇心。

3.2.1?線下教學(xué)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，借助MATLAB的強(qiáng)大計(jì)算能力，可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、常用零件設(shè)計(jì)及選型、機(jī)構(gòu)優(yōu)化四部分。十二個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都為設(shè)計(jì)性及綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，此實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法可鞏固課堂理論知識(shí)，更能提高學(xué)生的編程能力及對(duì)常見機(jī)構(gòu)和零部件優(yōu)化。

項(xiàng)目化教學(xué)不僅可以傳授基礎(chǔ)的理論知識(shí)，更注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和激發(fā)學(xué)生的興趣。鑒于實(shí)驗(yàn)課堂課時(shí)有限，由學(xué)生根據(jù)自身所學(xué)理論知識(shí)及興趣開展三個(gè)項(xiàng)目。線性代數(shù)較薄弱的學(xué)生著重講解機(jī)構(gòu)矩陣方程的轉(zhuǎn)化；高數(shù)薄弱的學(xué)生則重點(diǎn)求解機(jī)構(gòu)中速度和加速度方程。結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例中最常見的機(jī)構(gòu)分析，符合我校地方應(yīng)用型高校的辦學(xué)定位和機(jī)械及材料等專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。

3.2.2?線上教學(xué)

“超星學(xué)習(xí)通”中創(chuàng)建所有班級(jí)并發(fā)布相應(yīng)的教學(xué)視頻資源、課件和習(xí)題，討論區(qū)中創(chuàng)建學(xué)生共性問題，并讓學(xué)生積極討論發(fā)布自己看法。如分析鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析時(shí)，必須先了解運(yùn)動(dòng)的特性具體包括哪些？分析曲柄滑塊機(jī)構(gòu)力學(xué)特性時(shí)，讓學(xué)生思考數(shù)學(xué)模型是如何建立的？掌握齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，討論齒輪的基本參數(shù)有哪些？常見零件選型及校核時(shí)，相關(guān)參數(shù)化設(shè)計(jì)，針對(duì)圖表的公式化，需要學(xué)生參考文獻(xiàn)中擬合公式，如單根V帶的額定功率、鏈號(hào)的選擇、齒輪的齒形系數(shù)和重合度系數(shù)的公式擬合。

目前已建立豐富的線上資源供學(xué)生自學(xué)其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并選擇其中一項(xiàng)上傳編寫的程序和結(jié)果，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，給學(xué)生更多的自由度，還能督促學(xué)生強(qiáng)化自身編程能力。彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)際儀器的緊缺，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，為學(xué)生自行設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3?如何多學(xué)

本課程安排在第5學(xué)期，授課對(duì)象主要為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的大三學(xué)生。學(xué)生大多數(shù)通過計(jì)算機(jī)C語言二級(jí)，有一定編程基礎(chǔ)，容易掌握M語言的基礎(chǔ)數(shù)值。課堂理論授課時(shí)只著重講解編程易錯(cuò)點(diǎn)和核心知識(shí)點(diǎn)矩陣的創(chuàng)建。常見機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)特性分析的圖解法在機(jī)械原理課程已學(xué)習(xí)，解析法也有初步的了解，進(jìn)一步查閱文獻(xiàn)即可得出模型方程。以齒輪的幾何尺寸計(jì)算為例編寫函數(shù)文件時(shí)，只介紹如何輸入基本參數(shù)：模數(shù)m和齒數(shù)z，編出分度圓直徑d，學(xué)生即可舉一反三得出齒頂圓da、齒根圓df1、基圓直徑db以及重合度εα。

上機(jī)前兩次為MATLAB編程基礎(chǔ)，后六次結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)情況為8選5的實(shí)際工程案例分析，其余學(xué)生課后自學(xué)完成。課后大作業(yè)中是一次囊括課程所有知識(shí)點(diǎn)的綜合性練習(xí)，學(xué)生可根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況在課題中二選一。學(xué)生必須熟練掌握課上所學(xué)內(nèi)容，更需要學(xué)生課下參考文獻(xiàn)分析模型，多人協(xié)作討論建模的疑難點(diǎn)，編程出錯(cuò)時(shí)需要自我查錯(cuò)補(bǔ)漏，爭(zhēng)取設(shè)計(jì)出更易讀、通用高、人性化、有創(chuàng)新性的程序。

3.4?學(xué)得如何

如表2，傳統(tǒng)的教學(xué)評(píng)價(jià)只將課程的學(xué)習(xí)籠統(tǒng)地分為平時(shí)的作業(yè)、出勤和實(shí)驗(yàn)，以及最終的期末試卷考核。嚴(yán)重忽略通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能力是否提高，畢業(yè)要求能否達(dá)到，能否培養(yǎng)解決實(shí)際工程問題的能力。

如表3，OBE教學(xué)評(píng)價(jià)通過課程目標(biāo)達(dá)成度的形式考核，更注重學(xué)生的學(xué)為中心，畢業(yè)要求達(dá)成的評(píng)價(jià)主要采用試卷、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)等形式的成績(jī)?yōu)榛A(chǔ)。根據(jù)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐權(quán)重折算進(jìn)行定量分析。學(xué)生完成表3的畢業(yè)要求指標(biāo)1.4和2.2，對(duì)應(yīng)的作業(yè)（20%）、實(shí)驗(yàn)（30%）和考查（50%），可提高學(xué)生創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力、解決復(fù)雜工程實(shí)例的能力。

“MATLAB及工程應(yīng)用”課程授課內(nèi)容嚴(yán)格按照教學(xué)大綱的要求，覆蓋全面，包含編程基礎(chǔ)和工程應(yīng)用兩個(gè)方面。包括《MATLAB基礎(chǔ)與編程入門》中第一、二、三、四、六章及《機(jī)械原理MATLAB輔助分析》中第一、二、三章，共八章，覆蓋面廣，信息量大。

從課程達(dá)成度看，兩個(gè)班級(jí)的兩個(gè)課程目標(biāo)達(dá)成度都在0.82以上，同時(shí)2個(gè)班級(jí)達(dá)成度差異并不大，也說明學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的整體掌握情況良好。但課程目標(biāo)2的達(dá)成度為0.83，比課程目標(biāo)1的達(dá)成度低0.4，一部分原因是課程目標(biāo)1是MATLAB基礎(chǔ)知識(shí)，課程目標(biāo)2為結(jié)合工程實(shí)例的MATLAB應(yīng)用，目標(biāo)2的難度較大。說明課程目標(biāo)2有待進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)習(xí)。優(yōu)秀、良好、中等、及格，不呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，同時(shí)課程目標(biāo)達(dá)成度在0.82以上。一方面，“MATLAB及工程應(yīng)用”課程課上采用上機(jī)教學(xué)，且另有單獨(dú)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生較為感興趣，學(xué)習(xí)積極性較高，大部分學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性強(qiáng)；另一方面，試卷雖然有A卷和B卷且試題對(duì)學(xué)生的機(jī)械專業(yè)知識(shí)和編程綜合能力有較高的要求，需要學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，但核心知識(shí)點(diǎn)學(xué)生課上和課下都能很好地反復(fù)學(xué)習(xí)，因此成績(jī)整體良好。

5?結(jié)論

“MATLAB及工程應(yīng)用”課程傳統(tǒng)教學(xué)通常以教師的教為中心，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，教學(xué)效果不理想。OBE教學(xué)理念以學(xué)生為中心，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證要求和本課程的特點(diǎn)，改變“MATLAB及工程應(yīng)用”課程傳統(tǒng)教學(xué)中重教輕學(xué)的不足。構(gòu)建以學(xué)什么、怎么學(xué)、如何多學(xué)、學(xué)得如何為主線的新課程體系，采用畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成度量化學(xué)生學(xué)習(xí)情況，突出培養(yǎng)學(xué)生的編程能力、協(xié)作能力、創(chuàng)新能力，滿足社會(huì)對(duì)本專業(yè)人才能力的需要。

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基金項(xiàng)目：巢湖學(xué)院精品線下開放課程《MATLAB及工程應(yīng)用》（ch20kfk10）；巢湖學(xué)院校級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（XLZ202205）；巢湖學(xué)院教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（ch22?jxyj05）；安徽省教育廳高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（2022?zybj065）

作者簡(jiǎn)介：孔俊超（1990—?），男，安徽合肥人，碩士研究生，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及摩擦磨損。