基于OBE理念的“MATLAB及工程应用”教学及评价体系改革

孔俊超 郑祥 路玲

摘 要：基于OBE理念，结合工程教育认证要求和课程自身特点，改变传统教学重教轻学的不足，构建学什么、怎么学、如何多学、学得如何为主线的教学及评价体系。以毕业要求指标点的达成度量化学生学习情况，突出培养学生的编程能力、协作能力、创新能力，满足社会对本专业人才能力的需要。

关键词：OBE；MATLAB；工程应用

中图分类号：TH111；G642.0  文献标识码：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及工程应用”课程是一门以高等数学、线性代数、C语言、理论力学、机械原理等课程为基础的机械类专业课程［1］。通过本课程的学习，学生能够掌握矩阵运算和函数文件创建，并分析实际工程中常见机构的运动学、动力学特性，从而培养学生的编程能力、协作能力、创新能力［23］。传统教学通常是以教师为中心，学生被动学习，教学效果不理想［4］。OBE的教学理念是成果导向教学，以学生为中心，更注重学生的学［5］。而工程教育专业认证也是从“教师的教为中心”变为“学生的学为中心”，突出培养学生的能力［67］。因此，基于OBE理念的工程教育专业认证的“MATLAB及工程应用”课程教学改革十分有必要。

2 课程的毕业要求

根据本校以应用型学科专业建设为重点，立足地方，面向行业，深化产教融合的办学定位［8］。结合机械设计制造及自动化专业应培养具备创新精神、实践能力、团结协作能力的高素质应用型人才，制定12条毕业要求和29个指标点。结合“MATLAB及工程应用”课程的特点和毕业要求，课程毕业要求教学目标，如表1。即学生能对机械工程领域问题建立数学模型，能基于自然科学、机械工程的科学原理正确表达工程问题。

2.2 能基于自然科学、机械工程的科学原理正确表达工程问题

利用MATLAB分析实际工程中常见机构的运动学、动力学特性及优化设计问题

3 基于OBE理念的课程教学体系

为适应本校的应用型高校中“应用”办学定位，匹配工程教育专业认证的要求，“MATLAB及工程应用”课程的教学体系亟须改革。结合本课程特点，基于OBE理念的工程教育专业认证“MATLAB及工程应用”的教学模式，本课程主要包括学什么、怎么学、如何学、学得如何四个方面。

3.1 学什么

“MATLAB及工程应用”的教学体系包括理論教学和实践教学两部分，着重加强实践教学环节，本课程总学时为32学时，根据5年的教学经验将理论教学学时大大缩短，强化上机实践编写程序的能力。具体学时分配为理论学时16课时，上机实践16课时。

理论教学包括课堂教学、习题训练、线上网络自学三部分。课堂教学不仅只是简单的编程基础，还包括实际的工程应用。课堂教授if判断语句时，不再是分段函数的编写，还应结合工程中铰链四杆机构类型的判断。首先给定四杆的杆长，学生由机械原理的理论知识判断机构的类型；再结合if判断语句分析机构的类型；最后通过input函数输入任意杆长也可得出机构类型。设计规范、可读性高、有创造性的程序。

习题训练包括线上和线上资源，共7次作业。线上网络自学包括9章，可供学生课后自学所用，提供给学生感兴趣的内容课后自学。

工程实践为工科类专业学习的重点，与工程实践相脱节，学习无意义。实践教学16课时，分为MATLAB基础教学（6课时）和复杂工程实例分析（10课时）两部分。MATLAB基础教学包括向量、矩阵的创建及运算；函数文件创建和二图形可视化。复杂工程实例分析包括常见机构的运动、力学特性分析和常见机构的优化设计。

建立工程实例的数学模型需让学生独立思考各参数的关系，分辨自变量和因变量。不能只按照书本和文献照本宣科、机械化抄写程序，应融入设计者的创造性构思。尤其设计新机器和未知机械时，没有说明书和模板也能建模和编程分析。注重理论的同时，更注重结合实践培养学生的创新能力。

3.2 怎么学

首先通过案例分析让学生产生兴趣，并提出问题；其次通过启发式教学引导学生思考，使学生能达到主动思考、主动提问、主动总结；再将班级按人数分为若干组，对重难点进行小组讨论；最后教师讲解共性问题。

分析铰链四杆机构的运动特性分析，首先从学生熟知的雷达仰俯机构图解法入手；其次让学生思考数学中常用的向量投影法或复数矢量法在位移模型中的应用；再将学生分成6人一组，讨论重难点一：投影法得出位移模型方程，重难点二：循环和矩阵点乘的应用；最后，归纳总结投影法或复数矢量法得出位移模型方程的方法以及编程出现的共性错误。既加强学生之间的协作能力，更能激发学生的学习的主动性，提高学生对编程的好奇心。

3.2.1 线下教学

在实验教学中，借助MATLAB的强大计算能力，可以进行机构运动学、机构动力学、常用零件设计及选型、机构优化四部分。十二个实验项目都为设计性及综合性实验项目，此实验教学方法可巩固课堂理论知识，更能提高学生的编程能力及对常见机构和零部件优化。

项目化教学不仅可以传授基础的理论知识，更注重培养学生的工程实践能力，调动学生的积极性和激发学生的兴趣。鉴于实验课堂课时有限，由学生根据自身所学理论知识及兴趣开展三个项目。线性代数较薄弱的学生着重讲解机构矩阵方程的转化；高数薄弱的学生则重点求解机构中速度和加速度方程。结合实际工程实例中最常见的机构分析，符合我校地方应用型高校的办学定位和机械及材料等专业培养目标。

3.2.2 线上教学

“超星学习通”中创建所有班级并发布相应的教学视频资源、课件和习题，讨论区中创建学生共性问题，并让学生积极讨论发布自己看法。如分析铰链四杆机构的运动特性分析时，必须先了解运动的特性具体包括哪些？分析曲柄滑块机构力学特性时，让学生思考数学模型是如何建立的？掌握齿轮优化设计时，讨论齿轮的基本参数有哪些？常见零件选型及校核时，相关参数化设计，针对图表的公式化，需要学生参考文献中拟合公式，如单根V带的额定功率、链号的选择、齿轮的齿形系数和重合度系数的公式拟合。

目前已建立丰富的线上资源供学生自学其他实验项目，并选择其中一项上传编写的程序和结果，不仅能激发学生的学习兴趣，给学生更多的自由度，还能督促学生强化自身编程能力。弥补实验手段和实际仪器的紧缺，还能培养学生的创新能力，为学生自行设计创新实验打下坚实的基础。

3.3 如何多学

本课程安排在第5学期，授课对象主要为机械设计制造及其自动化专业的大三学生。学生大多数通过计算机C语言二级，有一定编程基础，容易掌握M语言的基础数值。课堂理论授课时只着重讲解编程易错点和核心知识点矩阵的创建。常见机构的运动学和力学特性分析的图解法在机械原理课程已学习，解析法也有初步的了解，进一步查阅文献即可得出模型方程。以齿轮的几何尺寸计算为例编写函数文件时，只介绍如何输入基本参数：模数m和齿数z，编出分度圆直径d，学生即可举一反三得出齿顶圆da、齿根圆df1、基圆直径db以及重合度εα。

上机前两次为MATLAB编程基础，后六次结合学生学习情况为8选5的实际工程案例分析，其余学生课后自学完成。课后大作业中是一次囊括课程所有知识点的综合性练习，学生可根据自身学习情况在课题中二选一。学生必须熟练掌握课上所学内容，更需要学生课下参考文献分析模型，多人协作讨论建模的疑难点，编程出错时需要自我查错补漏，争取设计出更易读、通用高、人性化、有创新性的程序。

3.4 學得如何

如表2，传统的教学评价只将课程的学习笼统地分为平时的作业、出勤和实验，以及最终的期末试卷考核。严重忽略通过课程的学习，学生能力是否提高，毕业要求能否达到，能否培养解决实际工程问题的能力。

如表3，OBE教学评价通过课程目标达成度的形式考核，更注重学生的学为中心，毕业要求达成的评价主要采用试卷、作业、实验等形式的成绩为基础。根据毕业要求指标点的支撑权重折算进行定量分析。学生完成表3的毕业要求指标1.4和2.2，对应的作业（20%）、实验（30%）和考查（50%），可提高学生创新能力与实践能力、解决复杂工程实例的能力。

“MATLAB及工程应用”课程授课内容严格按照教学大纲的要求，覆盖全面，包含编程基础和工程应用两个方面。包括《MATLAB基础与编程入门》中第一、二、三、四、六章及《机械原理MATLAB辅助分析》中第一、二、三章，共八章，覆盖面广，信息量大。

从课程达成度看，两个班级的两个课程目标达成度都在0.82以上，同时2个班级达成度差异并不大，也说明学生对所学内容的整体掌握情况良好。但课程目标2的达成度为0.83，比课程目标1的达成度低0.4，一部分原因是课程目标1是MATLAB基础知识，课程目标2为结合工程实例的MATLAB应用，目标2的难度较大。说明课程目标2有待进一步加强学习。优秀、良好、中等、及格，不呈现标准的正态分布，同时课程目标达成度在0.82以上。一方面，“MATLAB及工程应用”课程课上采用上机教学，且另有单独的上机实验，学生较为感兴趣，学习积极性较高，大部分学生学习主动性强；另一方面，试卷虽然有A卷和B卷且试题对学生的机械专业知识和编程综合能力有较高的要求，需要学生灵活运用所学知识，但核心知识点学生课上和课下都能很好地反复学习，因此成绩整体良好。

5 结论

“MATLAB及工程应用”课程传统教学通常以教师的教为中心，学生被动学习，教学效果不理想。OBE教学理念以学生为中心，结合工程教育专业认证要求和本课程的特点，改变“MATLAB及工程应用”课程传统教学中重教轻学的不足。构建以学什么、怎么学、如何多学、学得如何为主线的新课程体系，采用毕业要求指标点的达成度量化学生学习情况，突出培养学生的编程能力、协作能力、创新能力，满足社会对本专业人才能力的需要。

参考文献：

［1］温建明，马继杰，程光明.基于MATLAB的机械优化设计课程数字化教学改革［J］.吉林省教育学院学报，2011，27（05）：8182.

［2］李旻，李静，饶雄新，等.MATLAB优化工具箱在机械优化设计教学中的应用［J］.装备制造技术，2010（03）：156158.

［3］莫景文，曾嘉莹，沙菁，等.设计原理与方法课程教学改革研究与实践［J］.机械设计，2018（35）：6062.

［4］代光辉，张晴晴，许雪艳.机械专业创新创业教育内涵、机制、路径之探讨［J］.黑龙江教育（理论与实践），2020（09）：2728.

［5］李永湘，何晓芬，张卫华.Matlab软件在机械原理课程OBE教学改革中的应用［J］.内燃机与配件，2019（19）：245246.

［6］张磊，于涛，马国清，等.基于工程教育专业认证的“机械原理”课程教学改革探索［J］.科教文汇（中旬刊），2020（04）：6770.

［7］于克强，刘元林，宋胜伟.基于工程教育专业认证的机械原理OBE教學模式的构建［J］.教育教学论坛，2020（27）：246247.

［8］应用技术大学（学院）联盟、地方高校转型发展研究中心，地方本科院校转型发展实践与政策研究报告［R］.2013.

基金项目：巢湖学院精品线下开放课程《MATLAB及工程应用》（ch20kfk10）；巢湖学院校级自然科学研究重点项目（XLZ202205）；巢湖学院教学研究重点项目（ch22 jxyj05）；安徽省教育厅高等学校省级质量工程项目（2022 zybj065）

作者简介：孔俊超（1990— ），男，安徽合肥人，硕士研究生，讲师，研究方向：机械设计及摩擦磨损。