融合OBE理念与案例教学法的“智能制造系统”课程改革研究

摘要：本研究旨在探讨融合成果导向教育（OBE）理念与案例教学法在“智能制造系统”课程改革中的应用与效果，分析了基于OBE理念的课程设计原则和案例教学法在提升学生学习成效、理解能力及实践技能方面的作用。研究发现该融合模式促进了学生的主动学习，增强了课程内容的吸收与应用能力，同时提高了教学的互动性和实践性。本研究为“新工科”背景下智能制造专业核心课程的教学改革提供了有益的实践指导和理论依据。

关键词：智能制造系统；成果导向教育（OBE）理念；案例教学法；课程改革

随着工业4.0时代的到来，智能制造已成为全球制造业转型升级的关键。在此背景下，工程技术人才的培养也必须与时俱进，不仅要掌握先进的技术理论，更要具备实际应用和创新解决问题的能力。因此，教育模式和教学方法的改革显得尤为重要，传统的教学方法已经无法满足新时代工程技术人才的培养需求。“智能制造系统”作为工程技术教育中的一门重要课程，其教学改革显得尤为迫切［1］。

以成果导向Outcome-Based Education（OBE）的教育理念［2］强调以学生的学习产出为中心，关注学生的知识、技能与态度的全面发展。OBE旨在通过明确的学习成果目标引导教学活动，确保每一位学生都能达到既定的学习标准。在传统的教学模式中，教学活动往往过于注重知识的传授和理论的讲解，而忽视了学习成果的具体表现和评价标准，导致学生虽然掌握了大量理论知识，但在实际应用能力、创新思维和解决问题的能力方面却往往表现不佳。这种现象在国内高等教育体系中尤为普遍，使得教育成果与社会需求之间存在较大差距。OBE理念的引入正是为了解决这一问题，通过转变教育焦点，从教学过程的投入转向学习产出的结果，确保教育活动能够以提升学生的综合素质和能力为核心。

案例教学法侧重于通过具体案例的分析训练学生的实践能力和解决问题的能力［3］，在案例分析过程中，学生被鼓励提出问题、讨论不同的解决方案，并对可能的结果进行预测和评估。这种教学模式不仅增强了学生的参与感和积极性，而且还培养了他们的沟通能力和团队协作精神。更重要的是，它促使学生从错误中学习，理解在实际工作中面对失败和挑战是成长和进步不可或缺的一部分。此外，案例教学法还能够帮助学生建立起跨学科的知识体系，因为解决复杂问题往往需要综合运用多门学科的知识和方法。这种跨学科的学习方式可以增强学生的适应能力，使他们能够更好地面对未来职业生涯中的各种挑战。

因此，本研究旨在探讨如何将OBE理念与案例教学法有效融合，以实现“智能制造系统”课程的改革与优化。基于OBE教育理念与案例教学法模式，结合扬州大学智能制造工程专业“智能制造系统”课程特点与传统教学中存在的问题分析了将这两种方法融合应用的必要性，建立了一套具体的课程改革方案，以期为该课程提供新的教学模式，也为其他工程技术课程的改革提供借鉴和参考。

1 课程教学内容与目标

1.1 教学内容

目前，我校“智能制造系统”课程是智能制造工程专业必修课，共计32学时，内容涵盖信息物理系统、智能制造系统的架构与模型、新技术，以及离散型智能制造等方面，旨在帮助学生掌握清晰的基础概念、必备知识及分析和实验技能。通过结合机械工程的实际需求，课程不仅引导学生学习智能制造的基础理论，还培养他们分析和解决复杂问题的能力。本课程目的在于分析解决智能制造工程领域复杂问题的能力，成为能从事智能制造系统设计、调试分析和科学研究等方面工作的应用型高级工程技术人才。

1.2 课程目标

本课程作为机械智能制造专业的核心，致力于全面掌握智能制造系统的知识和架构，旨在培养学生的智能制造素养和解决设计问题的能力。学生将通过本课程学习如何应用机械工程和智能技术解决复杂的智能制造问题，识别多种解决方案，构建数字孪生系统，并安全进行智能制造系统的分析、调试和实验，以及数据采集和优化。课程还将结合行业领先的智能制造系统案例，鼓励学生在智能化制造过程中创新并提升制造业效能。围绕国家的“制造业强国战略”，本课程旨在培养学生的爱国情怀、正确的价值观，并鼓励他们担负起时代赋予的责任，全面提升思想政治素质。所设置的课程目标有如下5点：

（1）课程目标1：培养学生创新意识、职业严谨性、工匠精神，以及科学和爱国情怀；

（2）课程目标2：应用智能制造术语和知识，识别和选择智能制造单元，提出升级措施；

（3）课程目标3：应用智能制造原理和新技术，识别、分析智能制造系统设计，建立架构模型；

（4）课程目标4：针对复杂工程问题设计特定需求的智能制造系统、部件和流程；

（5）课程目标5：运用管理原理和经济方法科学评判和优化智能制造系统，选择最佳方案。

2 教学实际中存在的问题

当前“智能制造系统”的先修课程为“计算方法”“机械原理”“机械设计”“工程测试技术”“数控技术”“微机原理”以及“嵌入式技术”等，只有充分掌握上述专业知识，才有望深入理解该课程中的复杂概念和技术。教学实际中，学生可能在先修课程中学到了相关概念和技术，但未能有效地将这些知识应用到智能制造的具体场景中。同时，“智能制造系统”是一门高度实践性的课程，需要学生将理论知识应用到实际的智能制造项目中。然而，受限于实验设备、项目资源或课程设计的局限，学生可能发现将课堂所学理论转化为实践操作较为困难。本节总结并深入分析了两个主要问题。

2.1 填鸭式教学导致课程目标难以真正达成

填鸭式教学由于其高效的信息传递特性而得到广泛应用。然而，这种教师为中心的教学方法在促进学生深入学习和发展批判性思维方面存在明显不足。“智能制造系统”针对具有专业素养的本科高年级学生开设，是一门综合性核心课程，它要求学生不仅拥有专业基础知识，还需具备创新意识和问题解决能力。现行教学模式往往专注于事实和概念的解释，导致学生虽能掌握知识，但难以将其应用于新环境。鉴于课程设定的五个目标，难以充分满足成果导向教育（OBE）的要求。

2.2 传统课堂讲授不利于培养学生的工程实践能力

教学实践表明，“智能制造系统”课程中传统的课堂讲授模式在培养学生工程实践能力上有显著局限。本课程的一个核心目标是培养学生将理论知识应用于解决实际智能制造问题的能力，强调了理论知识的理解及其在实践中的应用。但传统课堂讲授主要侧重理论知识传递，缺少教师与学生间的互动和反馈，限制了学生在实际操作和问题解决能力方面的培养。此外，传统教学难以为学生提供充分的实践机会以面对真实工程挑战，造成了理论与实践的脱节。例如，设计和优化智能制造系统涉及复杂决策，要求学生理解并应用技术原理以评估不同设计方案。缺乏实际应用和反馈使得学生难以把课堂理论转化为解决实际问题的能力。

3 融合OBE理念与案例教学法的课程改革

针对“智能制造系统”课程特点以及实际教学中存在的问题，本文提出了融合OBE理念与案例教学法的课程改革模式，旨在通过明确的学习成果和实际案例的应用，提升教学效果和学生的实际能力。OBE强调以学生学习成果为中心，重视学生在学习过程中的实际获得，而案例教学法通过具体案例让学生在解决实际问题中学习和应用知识。下图1清晰明了地展示了这一课程改革的基本步骤和关键要点。

首先，基于OBE理念明确智能制造工程专业的培养目标和毕业要求，确定课程旨在培养的具体能力和知识，确保学习成果具体、可衡量且与学生未来职业发展密切相关。其次，通过精选与学习成果紧密相关的实际案例，并确保案例的多样性，覆盖不同情境、问题和行业，以满足不同学生的兴趣和职业方向。在教学实施环节，采用案例讨论方法，引导学生围绕特定主题进行分析、问题识别和解决方案提出。随后，在成果评估与课程考核中，采用反映学生知识理解和应用能力的评估方式，如项目作业和案例分析报告，超越传统笔试和口试。最后，以持续改进为目标，定期收集并根据学生和教师的反馈进行调整，更新案例库和优化教学策略，确保课程内容和教学方式持续适应学生需求和行业发展。通过将OBE理念与案例教学法相结合，课程改革不仅能够提高学生的学习兴趣和参与度，还能够更有效地培养学生解决实际问题的能力，为学生的未来职业生涯打下坚实的基础。下文将继续阐释案例式教学的具体内容与相应评价考核机制。

3.1 工程案例指导下的课堂教学

根据OBE先进教育理念，设定了满足毕业要求指标点的“智能制造系统”课程目标，并引入5个工程案例辅助课程讲授，具体如下表所示。这些工程案例不仅覆盖了智能制造系统的关键技术和流程，还模拟了工程实践中可能遇到的挑战，使学生能够在解决具体问题的过程中深化对智能制造系统设计、优化及管理的理解。

具体案例内容如下所示：

（1）智能算法建模实例：抽象智能制造场景中常见的优化算法，依托MATLAB或Python语言将优化问题转变为可执行代码进行求解。同时以最常见的旅行商优化求解案例导入，拓展学生对凸优化、目标寻优等概念的理解，最终加深对智能制造赋能技术中普遍存在的智能算法及应用的认识。

（2）视觉缺陷检测实例：通过目前成熟的工业视觉检测案例引入第三章智能化产品的介绍，基于视觉缺陷检测示教平台，让学生充分理解目前智能化缺陷检测设备的组成及各部分功能等。同时该检测实例有效联动了虚拟识别检测算法与真实工业CCD相机，进一步加深了同学们对“智能制造系统”课程综合性的认识。

（3）铣削加工工艺仿真实例：基于VERICUT数控编程、机床仿真和优化软件进行五轴铣削加工仿真案例的学习，让同学们深入理解智能设计、制造中蕴藏的数字化内涵。该仿真实例主要包含CAD模型导入与设置、编程和路径规划、仿真和验证、结果分析和调整以及实际加工等环节。通过学习同学们可以在加工前发现并解决潜在的问题，通过优化数控程序和刀具路径，提高了加工效率和产品质量，避免了成本浪费。

（4）仓储自动化送料实例：通过综合应用智能制造系统专业知识，采用博图软件、PLCSIM_Advanced软件以及Process Simulate软件实现立体仓库系统的控制程序设计、信号连接通信、运动学参数设计、控制逻辑块设计、仓库物料统计、单次出入库过程仿真等。深入浅出地带领同学们理解智能生产中涉及的软硬件交互、数字化、智能化生产等核心内容。

（5）轴承故障诊断实例：以经典的机械装备预测性维护案例之轴承故障诊断为例，帮助同学们理解智能制造中涉及智能服务的具体应用。其中本案例由传感器信号采集、信号处理与智能诊断算法搭建组成，有效地将测试与传感、动态信号分析与处理以及程序设计等课程有效综合，并依托常见的旋转机械——轴承为研究、学习对象，让学生理解并参与智能预测性维护服务中去。

3.2 OBE理念下“智能制造系统”课程考核与评价方式的改革

根据图1建立的融合OBE理念与案例教学法的课程改革思路图，“智能制造系统”课程考核与评价将紧密围绕设定的五个课程目标开展，同步考核平时作业（权重15%）、实验成绩（权重15%）、期中成绩（权重20%）和期末成绩（权重50%）四个部分。以课程目标4为例，该目标内涵是针对复杂工程问题，要求学生具备设计特定需求的智能制造系统、部件和流程的能力。传统讲授式教学方式难以真正带领学生掌握智能制造系统、部件和流程设计的能力，因此基于案例教学法思想设立了仓储自动化送料实例，该实例考核要求同学5～8人一组在仿真环境下完成实例程序并撰写PLC程序设计、模型构建、调试以及仿真结果报告。

结语

“智能制造系统”课程改革通过整合成果导向教育（OBE）理念和案例教学法，展现了一条创新的教学模式改革途径。OBE理念专注于学习成效，强调教育的核心目的在于增强学生的实践技能与职业素养。案例教学法是一种强调实践的教学方式，它有效结合理论与实践，促进学生的批判性思维与解决问题的能力。将这两种方法有效结合，不仅能提升“智能制造系统”的教学质量，还能帮助学生深入理解并掌握智能制造的复杂理念和技术。此改革不仅响应了工程教育中提高学生实践与创新能力的需求，也为其他机械类课程改革提供了参考模式。

参考文献：

［1］银文达，张日亮，银文通，等.应用型本科机械类专业课程群改革与实践［J］.科技风，2024，05：133-135.

［2］顾佩华，胡文龙，林鹏，等.基于“学习产出”（OBE）的工程教育模式——汕头大学的实践与探索［J］.高等工程教育研究，2014，01：27-37.

［3］尚振国，曹丽娟，高天一，等.基于案例教学的机械制造类课程教学改革研究与实践［J］.价值工程，2012，31（03）：249-250.

基金项目：2023年教育部产学合作协同育人项目：产教融合的机电液一体化智能制造系统综合实践教学改革研究（230803177232807）

通讯作者：丁鹏（1993—），男，江苏扬州人，工学博士，讲师，硕士研究生导师，研究方向：智能制造系统、机电系统智能运维理论及方法。