基于OBE理念的虚实结合实训教学体系实践

赵 巍, 刘梦莹, 刘学斌, 韩 柳

(天津职业技术师范大学 机械工程学院, 天津 300222)

1 OBE教育理念概述

OBE(outcome-based education)教育理念最早出现于20世纪90年代初期的美国和澳大利亚,是以结果为导向的教育[1],根据不同的学生素质、不同的学习环境、不同的学习目标提出特定的人才培养方案,方案包括课程体系和评价体系,是一种基于培养目标导向的反向设计[2]。在一个OBE体系中,所有这些都围绕明确的学习结果来组织,这样的体系是真正以全部学生为中心,确保学生在离开教育系统时拥有成功所需要的知识、能力和素质[3]。一个学校产出人才的多少决定了一个学校的教学质量和整体水平,而教学质量的高低需要一整套的教育评价体系进行测量,以OBE教育理念为教学课程建设的主线,贯穿于学生培养的全在校学习生命周期中,应能培养出一大批具有工程实践能力的高素质复合型人才。

2 虚实实训平台开发背景

虚拟现实技术(virtual reality,VR)是一种以计算机硬件技术为载体、软件技术为手段,通过视、听、触觉等作用于用户,用来创建和体验虚拟世界的技术[4]。在国外,VR技术已日趋成熟,美国的SensableTech公司的PHAN-TOM系统,实现了通过虚拟软件平台进行人机交互操作。我国在虚拟现实技术方面也日渐重视,但主要的开发应用单位仍停留在社会企业,高校教学中应用甚少。

随着信息化的加快,实验任务式教学被逐渐重视,并应用于科研和实训中[5]。但是在实验室建设中还有很多问题亟待解决,比如:实训设备成本高、实训设备少、教学效果差；学生实训环境与企业的实际工作环境存在较大偏差、实训用设备不能够随着企业的发展快速更新。另外,理论课程和实践环节结合度不高,机械、控制、计算机等各门课程的集成度不高也是目前训练环节、第二课堂创新创业环节存在的主要问题[6]。

为解决上述问题,基于OBE教学理念,开发了虚实结合的实训平台。为解决实训中存在的一系列问题提出可行的解决办法。

3 基于OBE的虚实平台整体构架

OBE教学模式强调基于目标导向的反向设计课程体系,构建一个教育体系的闭环[7]。传统的教学平台体系如图1所示。传统的理论知识不考虑学生能力的培养,教学流程由理论课学习、实训课学习、学生学习成果和期末考核组成,是一个开环的模式[8]。这样的教学模式使教学偏重于以教师为中心,课堂更重视教师所教内容和学生所学内容,是为了期末考核和学习成果的授课形式,学生学习的积极性不高,学习过于被动,使得学习效果不好。

图1 传统的教学平台体系

OBE教学理念的核心内容是建立以学生为中心、目标导向、持续改进的教学体系,在课堂中学生转换为教学的主体,由被动的学习过程转变为主动的探究提高自身能力的过程,在完成各项任务中能力得到了锻炼和提升,教师根据学生的学习反映情况,对课程体系进行持续的改进。本文根据实训平台的特点和OBE教学理念的指导,建立了如图2所示的教学平台系统3P(presage, process and product)模型。

图2 基于OBE理念的教学平台体系

该教学平台以企业调研的先进设备和生产线等PLC编程实训内容为教学目标,在该目标的基础上参考国外3P模型对课程体系的建设,开发实训模型和实训课程,同时采用了形成性检测和成效检验方法对学生的学习成果进行考核,并将考核结果与最初制定的教学目标进行对比,完善教学目标[9]。该教学平台的教学体系更注重学生毕业时得到了哪些能力,而不是是否通过了考试。

4 Irai软件为核心的平台教学系统构成

Irai软件是一款虚实结合的运动仿真软件,可使工业装备和自动化系统的设计者能够在逼真并且交互式的三维虚拟环境下测试产品,并实时监控、模拟设备的行为[10]。通过连接三维仿真模型与外部的控制器,如PLC或嵌入式虚拟控制器,Irai能够在完全虚拟的环境下再现设备或机器在真实世界中的工作情况[11]。

具体使用流程如图3所示,将Solid works等三维建模软件所建立的三维模型导入Irai软件,编写PLC程序[12]。将定义的物理运动与PLC控制器中的各个接口相连接,通过A8软件，PLC与VU Pro软件建立一个通信工程,将寄存器地址赋予相应的动作即可完成通信,进行仿真实验。

图3 Irai软件使用流程图

5 实训平台教学资源开发

5.1 教学目标及教学案例

目前,我国正在实行的工程能力认证计划,旨在培养学生的学习能力、研究能力、实践能力、综合能力等。本文的实训教学目标围绕这几方面能力进行设定,将这些能力进行分解和细化,细分成各个小目标,融入到实训任务中。设定并细化目标结构如图4所示。

根据上述目标结构,采用任务式教学方法,将通过企业调研开发的一批实训项目进行分类,如图5所示,按照由易到难的原则,将实训任务分配到学生学习的各个阶段中去(见表1),使项目贯穿于整个学生学习的全生命周期中,学生各项能力得到提高。

图4 目标结构细化示意图

图5 结构分类示意图

表1 各年级任务分配表

表1(续)

整个实训过程贯穿于学生4年的学习课程中,引导学生从认识简单的机械零部件和电器元件开始,逐渐可以操作基本的机床和生产线,使学生对所学专业产生兴趣。

针对学生所学专业课程的进行,在二年级开设制图课后,将各个模型进行绘制,培养学生机械识图和制图的能力,并且通过装配体组装训练,使学生树立系统的概念,了解任何一个零部件在整个系统中都有适当的位置,并能够进行相应的运动学仿真。配合三年级学生开设的PLC程序控制基础课程,实训内容扩充到了PLC的程序编写实训项目,通过对理论课PLC编程内容的学习,学生通过实训将自己编写的程序与平台提供的模型相连接,验证程序的正确性,编程和探究能力得到提高。四年级是对之前学习的一个总结和升华,不仅使学生将自己的3D模型与控制程序连接起来实行仿真,还引导和鼓励学生通过企业实习和企业调查,对企业真实生产线模型进行改进和创新,培养学生的创新能力和终身学习能力。

整个实训平台融入了OBE理念中第一课堂、第二课堂和第三课堂的内容,学生实现了自主探究式学习,能力得到了提高。

5.2 教学评价系统

由于实训平台中的实训任务贯穿于学生四年的学习过程中,所以选择形成性过程评价模式,结合学生在每个阶段、每个任务中的各方面学习情况,并结合最后设计任务的完成,对学生进行评价。对每个学生建立学习档案(见表2),并设计评价体系对学生每个阶段所达到的能力与课程目标进行对比,得出学生最终成绩。

表2 学生档案体系

考核和评价要注意方式方法,注重对每个项目做出评价,最后形成整体评价,将评价结果与既定目标作对比,得到最终结果。应按时对毕业生进行回访,检验毕业生获得的能力在工作中是否发挥,是否有能力的遗漏,将鉴定结果进行分析,与教学目标进行对比,根据反馈来的学生情况对教学目标进行修改和完善。

6 结语

针对基于OBE理念的虚实结合实训平台开发进行了探讨,开发了一整套实训任务方案,提出了课程目标,并对实训任务按照难易程度进行了分类,将实训课程贯穿于学生在校学习的整个学习周期中,提出了基于OBE理念的学生能力的培养,根据课程内容和任务要求提出了评价方案,最后通过学生毕业后的就业质量对先前修订的课程目标进行修改和完善,形成了一个教学系统的闭环,在学生能力培养方面提供一种新思路。

References)

[1] 周春月,刘颖,姚东伟,等.OBE理念下的本科生毕业实习创新[J].实验技术与管理, 2016,33(10):19-22.

[2] 程超,刘诗琼,刘红崎,等.基于OBE理念修订人才培养方案[J].中国地质教育,2016,41(1):41-44.

[3] 杨振.高校建筑类专业虚拟现实实验室的建设与应用探析[J].实践与探索，2017,7(1):49-52.

[4] Richter D. Infusing an interdisciplinary automation experience in engineering technology education[C]//Proceedings of the 2013 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition.Honolulu,2013.

[5] 关秋燕.OBE教育理念的课程教学模式改革[J].岳阳职业技术学院学报,2016,31(6):84-87.

[6] 韩同样,刘志明,胡燕士,等.开放式工程训练与OBE教学模式探索[J].实验技术与管理. 2016,33(5):174-177.

[7] 顾佩华.基于“学习产出”(OBE)的工程教育模式[J].高等工程教育研究,2014,11(1):27-37.

[8] 凤权.OBE教育模式下应用型人才培养的研究[J].安徽工程大学学报,2016,31(3):81-95.

[9] 刘彬.OBE视角下的PLC纵向课程群建设[J].实验技术与管理,2016,33(3):5-11.

[10] Virtual Universe Pro V2用户手册[Z].北京:2013.

[11] Zhao W.Research on Virtual Simulation Training Course Construction Based on Irai Platform[C]//International Conference on Education Technology.2017:267-272.

[12] Liu M Y.Design and Realization of Simulation System Combined with Virtual Reality of Tool Controller Mechanism for Machining Center Based on Irai software[C]//3rd Annual International Conference on Mechanics and Mechanical Engineering.2016:199-203.