系统工程视角下OBE理念导引的机械专业人才培养模式探析

2022-05-30曹阳马军都金光刘琨段留洋

大学教育 2022年10期

曹阳　马军　都金光　刘琨　段留洋

［摘要］针对现代制造业发展趋势以及机械专业人才培养面临的挑战与机遇，结合工程认证背景下的OBE理念，课程组剖析了机械专业人才培养的系统工程观，构建了以“理论讲授—综合训练—创新实践”为主线、课程体系改革与教学方法创新为支撑的“3+2”机械专业人才培养模式，提出了自适应可重构的机械专业模块化课程体系，研究了问题驱动的教学方法，并以金属切削过程课堂教学为案例进行了应用，最后总结了面向校企协同育人的机械专业人才培养创新实践经验。

［关键词］工程教育专业认证；机械专业；人才培养；OBE；系统工程

［中图分类号］ G640 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）10-0244-04

制造业作为人类社会赖以生存和发展的基础，是社会物质财富的主要来源，而发达的制造业要有先进的制造技术与人才作为支撑[1]。改革开放40多年来，我国机械教育规模不断扩大，质量得到了快速提升，基本构建了相对完善的机械人才培养体系，但在新时代背景下制造业产业结构不断调整，产品更新速度不断加快，知识有效周期也明显缩短。有研究指出，工科毕业生的知识半衰期仅为4～6年，这些都对机制类专业人才培养提出了新的要求，特别是以物联网、大数据、云计算、区块链为代表的信息技术与制造业的深度融合，给机械类专业人才培养带来了前所未有的机遇与挑战。机械专业技术人才培养还存在与新兴产业发展和新工科要求有所脱节的问题，具体表现在[2]：1.传统机械专业受限于单一学科，专业知识体系窄化，不利于培养开放式综合型机械专业人才；2.教学体系过多注重学生理解掌握知识，而忽视解决复杂工程问题的能力培养； 3.课程体系仅考虑专业知识的完整性，缺乏开放边界，难以适应现代制造业多学科知识融合的特点；4.实践教学未能有效面向工程实际，与企业合作不够紧密，校企隔阂阻碍了人才与市场的匹配。因此，对传统机械专业人才培养模式进行升级改造，培养适应新一轮科技革命与产业变革的机械专业技术人才迫在眉睫[3]。

成果导向教育（Outcomes-based Education，OBE）最早出现于美国和澳大利亚的基础教育改革，OBE理念的核心在于实现三个转变：从学科导向向目标导向转变、从教师中心向学生中心转变和从质量监控向持续改进转变[4]。为了迎接新工業革命对高等工程教育的挑战，从20世纪80年代到90年代早期，经过10多年的不断发展，OBE形成了比较完整的理论体系，并在美国、英国、加拿大等国家成为教育改革的主流理念[5]。美国工程教育认证协会全面接受了OBE的理念，并将其贯穿于工程教育认证标准的始终。2013年6月，我国成为《华盛顿协议》签约成员并陆续开展高等教育工程认证工作[6-7]。

本文以工程教育专业认证为背景，以培养具有系统工程观的机械专业人才为根本任务，用OBE理念导引传统机械专业人才培养模式的改革，这对培养符合工程认证需求的机械专业技术人才具有重要研究意义与实践价值。

一、系统工程观下的机械专业人才培养模式构建

（一）机械专业人才培养的系统工程观

现代机械及产品往往是具有强耦合、层次化和非线性特点的复杂工程，如大飞机、航天器、盾构机、高端数控机床等，这不仅需要多学科领域知识的交叉融合，而且要能够从系统认知的视角进行审视[8]。而当前单一固化的专业知识架构在很大程度上制约了学生跨学科的工程创新能力，因此现代制造工程背景下机械专业人才培养需要有系统工程观。系统工程观包括以下三个方面的认知。

1.机械专业人才培养模式是一个由经济、社会和环境构成的相互作用的有机整体，其本质是通过人才培养活动与社会、经济、环境发生物质、能量、信息交流。

2.机械专业人才培养模式是由高等教育范畴内各种与人才培养相联系的主客体（企业、大学、科研机构、政府、行业机构）组成的、满足特定功能的复杂系统。

3.随着社会经济的发展，机械专业人才培养模式与外部环境相互作用，其功能、结构与行为（课程建设、教学方法和创新实践）会相应进行转换或升级。

（二）系统工程视角下的机械专业人才培养模式

工程认证把创新和实践提升到了前所未有的高度，要求新建设的工科专业和传统工科专业交叉融合，面向未来的产业结构发展，发挥自身优势与当地的行业产业紧密结合，主动对接地方区域经济发展需要，深化产教融合、校企合作，增强学生的创新能力和创业能力，培养专业知识扎实、行业背景深厚、动手实践能力强、适应行业发展的复合型工程技术人才[9]。

郑州轻工业大学（以下简称“我校”）作为一所地方工科大学，积极响应以OBE理念导引创新传统机械人才培养模式的号召，优化教育教学资源，从系统工程视角探索新的人才培养模式，在人才培养过程中强化行业企业需求导向，以人才培养质量为核心，围绕“教”“学”“做”三个环节，以 “理论讲授—综合训练—创新实践”为主线，以课程体系改革与教学方法创新为支撑，以培养创新型、应用型技术人才，服务中原地区和黄河流域的区域经济建设为目标，创造性地构建了由理论讲授、综合训练、创新实践三大功能系统和课程体系、教学方法两大支撑系统集合而成的“3+2”机制专业人才培养模式，如图1 所示。

二、OBE理念导引的机械专业人才培养模式的实现

（一）自适应可重构的模块化课程体系

目前，专业课程体系改革已经成为机械专业教学改革的主要任务。由于缺乏对社会需求的精准把握，机械专业缺乏以完整的学科体系为出发点设置课程的理念，从而造成理论教学多、实践教学少，必修课多、选修课少以及课程之间的联系不紧密等问题，影响了学生的专业认知水平，导致学生专业能力和素质与社会需求脱节，缺乏前瞻性和综合性等[10-11]。机械专业人才培养必须探索并构建“理论知识宽泛、应用能力突出”的课程体系。

因此，我校以提高课程针对性、实践性、时效性和开放性为目的，构建了通识教育、专业教育和职业发展3个课程平台，并按照“功能—结构”模块化解耦原则，划分并设立了思政教育、科技人文、身心修养、专业基础、专业核心、专业综合、专业技能、工程实践和科技创新9个课程模块，如图2所示。我校课程体系的特色包括以下几方面。

1.强调思政教育与专业教育的有机统一。大学的任务是培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人，思政教育与专业教育相结合可以更好地立德树人，努力使学生认识自身价值，树立社会主义核心价值观，自觉承担社会责任。

2.精炼和整合课程内容，优化专业课与选修课的比例，在保留主干课程的基础上，进一步增加选修课程的比例，给予学生自主学习的有效空间，促使学生经常参与趣味性的学习实践活动，达到全面培养学生专业技能特长的效果。

3.在专业知识结构上，根据学生的认知规律，构建了三个层次的“能力进阶”模块：专业基础能力模块、专业核心能力模块和专业综合能力模块。每个模块相对独立，有各自的主题和特定的目标，模块之间又相互联系，使多学科交叉融合。

4.传统课程与网络课程相结合，增加线上线下互动课程的比例，不仅达到合理调配教学资源、满足学生个性化学习需要的目的，而且提高了教学资源供给的针对性，从而保证了学生在OBE理念下进行创新学习的效果。

（二）问题驱动的机械专业教学方法

好奇心是人类进步的源泉，保持学生对“问题”与生俱来的好奇，是激发其不断探索学习的驱动力。问题驱动教学法（Problem-Based Learning，PBL）就是将学生置于具体问题的情境中，使其通过独立思考和合作学习完成对问题的分析、推理、综合与引申。与其他教学方法相比，PBL更注重培养学习者面对问题时的意识和思维，以及处理问题的能力。问题驱动更符合人类认知的基本规律，因此PBL被视为能扩展学生创新能力和批判性思维能力的最具创新性的教学方法[12]。

PBL中问题是核心，问题如何产生，以及产生什么问题是关键，这都需要结合具体的专业背景和教学案例进行设定。总体而言，应该注意以下几点。

1.问题设定应从工程实践中来再到工程实践中去，从反映专业本质的本源性问题入手，通过分析、综合和概括过渡到普适性的原理与规律。

2.问题设定应符合人的认知规律，即应由浅入深、由表及里、由具体到抽象、由现象到本质，环环相扣，体现出该教学方法的互动性。

3.问题设定应该有一定的必要性，不要因问而问，而是因教而设问；还要有一定的启发性，既考虑学生的学习兴趣，又要保证教学的有序性。

将问题驱动作为一种教学理念融入机械专业教学，首先要选取合适的工程背景，设计出承载问题的工程案例；然后教师引导学生围绕案例进行分析和推理，一步步过渡到案例背后的本源性问题；接着学生发挥主观能动性，以团队协作的方式，运用多方面知识建立问题模型并求解；最后学生以科学规范的形式提供求解结果。整个过程以问题为核心、以案例为载体，将各方面的知识融合在一起，培养学生解决实际问题的能力。

以机械制造基础这门专业基础课为例。金属切削变形属于机械制造过程范畴，任何金属切削过程都存在积屑瘤以及不同类型切屑的形成，这是涉及金属切削基本原理的本源性问题。图3以积屑瘤以及四种不同类型切屑的形成为例，说明问题驱动在机械制造基础课程中的运用。

人类的思维认知存在阶段性，在上述教学进程中，讨论和总结都是必不可少的环节。讨论环节是一个头脑风暴式的思想碰撞过程，在此環节学生思维活跃，有时可能出现不同见解，这样会使教学不一定能完全按设定开展，这就需要教师给予学生必要的引导和提示。问题总结就像是对百家争鸣的统一，也像是对诸子思想的提炼，从而达到对问题寻根溯源的目的，否则讨论将变得“剪不断、理还乱”。随着教学进程的推移，问题也从教与学双方都很熟悉的一些现象级问题，过渡到学生不完全熟悉的原理与规律的认识和理解上。整个学习过程不再是学生孤军深入，而是师生协同推进。

（三）基于校企合作协同育人的创新创业实践

校企协同育人模式将学校与企业的优质资源进行整合，为学生提供更好的学习、实践与就业平台，从而提升学生的就业竞争力，增加学生的就业机会，同时也为企业提供充足的后备人才，实现企业持久稳定的发展。目前，校企双方对校企协同育人的重要性虽已达成共识，但在实践中往往存在高校一头热、企业反应冷淡的现象。究其原因，企业的根本是获取利润。因此校企合作时，一是要打通人才需求侧与供给侧的沟通渠道，二是要建立与校企深度合作的长效机械，三是要让企业以“合作主体”而不是“参与者”的身份融入合作中，这样才能保证企业的长久积极性，使校企合作育人稳定向前发展[13-14]。基于上述实践，总结出以下四点经验。

1.地方高校人才培养定位应面向地方工业经济需求，要在课程的传授与建设中融入企业的生产需求及特点，共同组建一支高素质的专业教师团队，包括安排教师前往企业学习先进的机械技能，不断更新教师的专业知识，进而使学生得到更加优质的教育。同时，引进企业导师来校上课，把企业的职业标准、技术技能标准融入课程教学中，让学生对企业的真实岗位有一定的了解。

2.要突出课程设计、毕业设计等实践环节解决工程实际问题的导向作用。一方面，把企业真实案例融入课程设计、毕业设计中，使实践教学与工程实际密切联系；另一方面，实施项目制教学法，项目组学生对项目背景、研究内容和可行性进行分析，之后申请立项、开题和验收，教师参与指导和答辩。独立完成一个项目不仅能使学生了解项目整体流程，而且能提高学生资料收集、文章撰写、解决问题的能力。

3.建设虚拟仿真实验实训平台。通过Hyperworks软件、AR/VR等技术将实训车间布局、设备、生产线工艺流程数字化，构建与实际生产线装备高度逼真的虚拟系统，采取“虚实结合、教学联动”的实训方法，不仅有效地支撑了学生的创新实践，而且弥补了当前很多高校面临的工业自动化实验装备采购运维费用高、占地空间较大、上机实训人数有限以及操作安全隐患难以避免等不足。

4. 要以学科竞赛为抓手，将“双创”教育贯穿于机械专业人才培养全过程。可以组织学生参加全国机械创新设计大赛、中国“互联网+”大学生创新创业大赛、“西门子杯”中国智能制造挑战赛、“创青春”全国大学生创业大赛等以提高学生的综合实践与创新能力。

三、结语

当前，制造业正处在从工业3.0到工业4.0的新一轮变革时代，中国制造也正在向中国创造迈进。工程教育专业认证下的OBE理念及系统工程观赋予了机械专业人才培养新的要求。只有将机械专业人才培养落实到以人才培养质量为核心，以课程体系改革与教学方法创新为支撑，以 “理论讲授—综合训练—创新实践”为主线的改革实践中，才能培养出创造未来的卓越工程人才。2019年，我校机械设计制造及自动化专业成功入选国家及河南省一流本科专业建设名单，这也是践行新工科背景下机械类专业人才培养模式的一次良好实证。下一步，课题组将以大数据、物联网、新一代人工智能技术“升级”机械专业，着力培养学生智能设计、智能制造和智能服务能力，以“智能制造工程班”为载体，打通机械、信息、控制、计算机、管理等学科边界，培养兼具制造工程与科技创新能力的卓越工程人才，实现专业结构与人才培养模式的战略性调整。

［参考文献］

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