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        OBE教育

        基于學習產出的智能制造人才培養模式研究

        發布:悉尼協議研究院  點擊:

        、研究背景

        智能制造需要什么樣的人才? 周濟院士指出:智能制造是一個大系統工程,要從產品、生產、模式、基礎四個維度系統推進,其中,智能產品是主體,智能生產是主線,以用戶為中心的產業模式變革是主題,以信息物理系統(CPS)和工業互聯網為基礎。 由此可見,智能制造覆蓋產品全生命周期及企業運營管理的方方面面。從機械專業本科人才能力需求角度來看,新模式下的制造企業對于機械制圖及計算機輔助制造(CAD、CAM)的應用能力要求越來越高;對機械、電氣等基礎知識的要求,如電工電子技術、精度檢測與公差配合、液壓與氣動技術應用、編程等將成為所有崗位的必備技能,必須人人過關;人機工程、CAPP、加工過程動態仿真、物聯網、云計算、大數據等新技術也需要學生有所了解。除了專業技能外,學生的綜合素質也是關鍵因素。國際工程界推行的工程教育認證一一華盛頓協議所要求的畢業12 項素質是:工程知識、問題分析、設計/解決開發方案、研究、使用現代工具、職業規范、溝通、團隊合作、工程與社會、環境和可持續發展、項目管理、終身學習。 12 項能力要求里面后 項無疑與企業所要求的品質相契合。那么,如何培養出智能制造所需要的且符合12 項畢業要求的合格人才? 目前看來, 基于學習產出的 OBE(即 OutcomeBased Education)教育模式卓有成效 。自美國工程認證委員會(ABET)頒布和實施重視學生產出的 EC2000 認證標準后,從上世紀末開始,歐美各國工程教育認證組織都先后改革認證標準,視學習產出為一項重要的質量準則,并由此延伸開來,在國家學位標準、高校教育目標、專業培養計劃中都以學習產出為重要質量準則。汕頭大學執行校長顧佩華教授長期積極推動中國工程教育的改革和實踐CDIO(構思— 設計—實施—運作)工程教育模式,近年來特別強調基于結果(OBE)的工程教育,汕頭大學也對高水平 OBE 工程教育模式進行了全方位的、卓有成效的實踐,對本課題具有重要的借鑒意義。安徽理工大學“雙創”成果導向下的工程教育體系取得了初步成效。北京交通大學采用 OBE 理念創新了本科實習模式,將畢業能力有機地導入實習模塊和工程模擬訓練中,知識點環環相扣,全程跟蹤和評估實習過程,實現了“因材施教”的目的。 華僑大學研究了基于 OBE 理念的工程教育認證下精細化工工藝課程教學改革,促進了精細化工工藝課程教學質量的持續改進。 筆者主要探討智能制造背景所需的知識、技能、素養,采用OBE 理念,研究面向智能制造的人才培養新模式。

        二、智能制造模式下基于OBE理念面向產品全生命周期的課程體系設置

        本文參照畢業要求的 12 項能力,以 OBE 理念為指導,以第一、二、三課堂為平臺,以智能制造的產品全生命周期構建的課程體系為根基,為智能制造培養合格的工程應用型人才,研究模型如圖所示。第一、二課堂的教學目標是打牢智能制造所需的基礎知識技能,第三課堂則以培養綜合素質為目標。


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        課題的總體框架圖

         各項能力、素質的培養需要載體。 筆者將智能制造的產品全生命周期設置的課程體系作為載體,如圖所示。 該體系包含 DMCAM 五個模塊,即設計模塊(Design)、 制造模塊 (Manufacture)、 控制模塊(Control)、 裝調模塊 (Adjust)、 管理經營模塊(Management)。 DMCAM 五模塊與第一、二、三課堂的具體內容一一對應,且融入智能制造的理念和技術。在教學過程中,由大小項目貫穿。項目是按照 OBE 理念設計的, 設計原則是既源于企業又符合教學規律,由淺入深、由簡入難,既全面又有針對性。如普通機床模型、數控機床模型、生產線模型等。將這些項目分解到DMCAM 五個模塊的各個環節課程,每個小環節都設有評估檢測,并在最終的實訓環節以小組形式提交制作模型。

              設計模塊:主要培養學生的機械設計能力,包括識圖、制圖能力,計算機應用能力,常用機構種類及應用、校核、仿真能力等,由以下各環節實現:第一課堂理論課包含通識課程(高等數學、大學物理)、專業基礎課程(機械制圖、理論力學、材料力學)、專業課程(機械原理、機械設計、 機械創新設計、 機械 CAD/ CAM、夾具設計)、選修課程(沖壓模具設計)等組成;第二課堂實踐課包含理論課程對應的實驗及課程設計,如物理實驗、部件測繪課程設計、企業認知、三維造型設計、機械設計課程設計、機械創新實踐、夾具設計課程設計、制圖強化訓練;第三課堂主要是課外訓練,包括課外訓練及競賽。課外訓練是學生利用課余時間進行 CAD、CAM 的大量練習, 由機械 CAD/CAM 協會組織;競賽分為校級、市級、國家級三個層次,如校級CAD/CAM 競賽、天津市投影制圖競賽、全國應用型人才技能大賽 (創新創意設計大賽)、CaTICs 網絡賽、教育部信息中心賽項等。 設計模塊里主要講解普通機床、數控機床、生產線模型的機械結構。

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        以智能制造產品全生命周期理念設置的課程體系圖

        制造模塊:通過三類課堂的有機結合,培養學生實際操作能力、解決機械工程問題的能力。 該模塊充分發揮我校制造強項, 以機械制造核心課程為主線,輔以智能制造領域的3D 打印和數字化制造等相關技術。 第一課堂理論課包含專業基礎課程(工程材料及成型技術、互換性與測量技術)、專業課程(金屬切削原理及刀具、金屬切削機床、數控機床及編程、金屬切削工藝、數控加工工藝、快速成型技術、特種加工)、專業特色課程(現代切削刀具與工量儀使用技術)、選修課(塑料成型工藝及設備)等。第二課堂包含理論課程對應的實驗、金屬切削原理及機床課程設計、工藝課程設計、實訓(職業技能訓練與鑒定、技能拓展訓練)等。第三課堂由學院的創新協會組織平時的訓練、競賽,比賽包含學?!八烧睓C器人大賽、新偉祥作品比賽、天津市“機械創新設計”大賽、天津市“挑戰杯” 大賽、全國大學生“挑戰杯”大賽、全國“機械創新設計”大賽、全國應用型人才技能大賽(機械設計與制造綜合技能大賽)。制造模塊里主要講解普通機床、數控機床、生產線模型的加工及裝配的工藝。

        控制模塊:機械專業的學生學習電路、編程、控制類的課程總是覺得吃力, 教師也覺得教學效果不佳。本課題擬以智能制造所需要的技術為主線,打造電工電子技術、C++語言程序設計、 液壓與氣動控制技術、計算機工業控制、傳感器與檢測技術、 機床電控及 PLC、機械控制工程、機器人技術及應用的控制類課程群。 第二課堂由液壓與氣動課程設計、機電一體化訓練組成。 本模塊的開設主要為了拓寬機械專業學生的思路,滿足智能制造的需要,也為制作各種智能機構、參加各類比賽進行控制類知識和技術的儲備??刂颇K里主要講解數控機床、生產線模型的控制系統。裝調模塊:主要由技能拓展的實訓環節、畢業實習、畢業設計完成。裝調模塊里主要進行普通機床、數控機床、生產線模型的裝調、測試。

        管理經營模塊:本模塊涵蓋的內容豐富,主要培養學生情商,如溝通、團隊合作、職業規范、工程與社會、環境和可持續發展、項目管理、終身學習能力等。第一課堂里包括大學英語、思想政治、近代史、生產運營管理等;第二課堂包括科技文獻寫作實踐、師范教育技能訓練、微格教學、教育實習等;第三課堂包括師能展示月活動,由教育家協會負責訓練和比賽。

        第一課堂側重理論講解,知識點細化,打牢解決復雜工程問題的基礎,包括設計實驗、分析與解釋數據,并通過信息綜合得到合理有效的結論。

        第二課堂由實驗、實訓、課程設計、畢業設計組成,在實驗室、實訓室完成。充分發揮我校的國家級實驗實訓中心的特色,學生可以參加鉗工、加工中心、數控車、車銑復合、三坐標測量、數控程序員的培訓,并可以獲得相應的資格證書。拓展訓練里還可以進行五軸編程、線切割、電火花、快速成型的訓練。在實踐中訓練熟練使用 CAD、CAM、CAPP 等智能設計所需軟件的能力,培養職業規范能力、溝通能力、使用工具能力、解決復雜問題的能力等。

        第三課堂由三層次 28 模塊競賽(如下頁圖 所示)、課外 20 學分組成。其中,競賽由國家級、市級、校級三個層次以及基礎素質、專業技能、創新應用三個維度組成,形成從普適到拔尖人才培養的模式,側重培養溝通能力、團隊合作能力、工程倫理、社會責任感、環境和可持續發展能力、.項目管理能力、創新創業能力等。在實驗室、實訓室、賽場、企業完成。充分發揮學生社團的作用,由教師帶領機械CAD/CAM、機械創新協會、教育家協會等社團完成訓練和參賽各環節工作。實踐證明,競賽過程是對學生全面鍛煉、提升的過程,經過比賽訓練的學生在畢業設計環節及工作中表現得游刃有余。因為比賽不僅考察知識、制作能力,更重要的還有宣傳頁的構思制作、答辯演講、參賽的組織等多方面鍛煉,是鍛煉溝通能力、合作能力、責任感、項目管理能力的好時機。所以,本課題擬將比賽環節與第一課堂有機結合,貫穿教學始終。課外20 學分由智能制造的系列講座組成,擬聘請智能設計、智能生產、智能管理、物聯網等行業專家以講座的形式將智能制造的關鍵技術和理念傳輸給學生。此外,學校已與哈量、沈陽機床、大連機床、虛擬軟件公司、職業院校建立有長期的合作關系。校外基地不僅可以提供實訓場所,還提供教學用項目,來源于實際的項目最有效。


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        三層次28模塊的競賽圖

        三、 四位一體的教學方法

        課程體系的實現還需要有活力的教學內容和教學方法。筆者采用理實結合、虛實結合、傳統與現代先進技術結合、學校與企業實踐結合的四位一體的教學方法。

        理論和實踐結合是行之有效的教學和學習的方法。本專業的優良傳統就是理論課程和實驗課程有機結合,實訓環節貫穿學習的全過程,實踐環節在培養方案的占比高達40%。 實踐證明,學生的動手能力在工作中得到用人單位的認可。本專業還將繼續沿用理實結合的方法,注重培養學生的創新意識、創新思維和創新能力。

        虛實結合,形成課程資源包(含微課、PPT、視頻等)、虛擬仿真裝備、實物實訓裝備“兩虛一實”的數字化資源與實物裝備于一體的教學模式, 如圖4所示。目前,虛擬仿真技術的應用日益廣泛。虛擬仿真技術對于教學也有事半功倍的作用, 提高了教學效率,降低了教學成本,培養了創新意識,激發了學習興趣。一些難于理解的知識點,如刀具角度的認識、順逆銑削、坐標系的關系等,可以制作成微課;一些常識和技巧,如科技論文寫作、制圖方法等,也可以制作成微課,供學生隨時學習。購置一些虛擬仿真軟件,如數控機床的拆裝軟件、數控加工仿真軟件等,可以在進行實物拆裝和加工前進行仿真訓練,極大地提高實踐教學效率,降低實踐教學成本;在一些虛實結合的軟件上開發虛擬機構,采用真實的單片機或PLC控制樣機,提高樣機開發效率,為比賽贏得寶貴的時間;另外,還可以開發或購置各種虛擬的智能制造的生產線,實現在校園里就可以感受智能制造的生產環境。在虛實結合的學習過程中,讓學生感受并掌握數字化設計、制造的方法。

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        虛實結合的一體化教學模型圖

        傳統與現代先進技術結合。面向制造業的人才能力需求現狀與專業知識結構,需要夯實傳統技能,強化專業素質,如機床、畫圖、設計的基本常識和基本的工藝知識,打牢編程基礎;同時面向智能制造發展現狀及趨勢,有針對性地對接、強化先進制造與高端制造技術,如機器人應用技術、3D打印技術、制造物聯技術及智能生產技術等。注重傳統技術與現代技術培訓的銜接過渡。

        學校與企業實踐結合, 理論學習與實踐實訓深度融合、深度互動。在與企業合作過程中發現了一些問題,比如有些工程師技術高超,但講解乏味,缺少教學方法;再如,企業的某一工種的技術單一,單純的定崗實習達不到真正的訓練目的。筆者提出的校企合作、產教融合采用教師深入企業一線,參與企業具體工作,把企業的經驗、工藝、生產流程變成易于學生接受的方式,循序漸進地融入到課程體系中,同時根據新技術、新模式的發展不斷充實實踐內容,促進企業發展。

        四、面向學習結果的評估體系構建

        在微觀上,對每個學生的每個模塊設計每門課程的評價指標,課程的評估體系采用在線考試閉環控制”和“形成性評價”。 對于教師每門課程的教案由以前的知識目標轉變為知識目標、技能目標、能力目標。在宏觀上,設計用人單位、畢業生的評估體系,從而形成雙閉環的評估體系,為教學效果保駕護航。

        各模塊的評價體系如表 所示。質量評價等級標準及內涵如表 所示。

        各模塊評價體系表

        主項目

        分項目

        質量等級

        A

        (優秀)

        B

        (良好)

        C

        (合格)

        D

        (不合格)

        1.管理經營模塊

        1第一課堂(期中/期末考試)

        1第二課堂(實驗/實訓平時成績)

        1第三課堂(比賽成績)





        2.裝調模塊

        2第一課堂(期中/期末考試)

        2第二課堂(實驗/實訓平時成績)

        2第三課堂(比賽成績)





        3.控制模塊

        3第一課堂(期中/期末考試)

        3第二課堂(實驗/實訓平時成績)

        3第三課堂(比賽成績)





        4.制造模塊

        4第一課堂(期中/期末考試)

        4第二課堂(實驗/實訓平時成績)

        4第三課堂(比賽成績)





        5.設計模塊

        5第一課堂(期中/期末考試)

        5第二課堂(實驗/實訓平時成績)

        5第三課堂(比賽成績)





        質量評價等級標準框架及內涵表(以設計模塊為例)


        主項目

        分項目

        參考權重

        等級標準

        說明

        C(合格)

        A(優秀)

        設計模塊

        1第一課堂(期中期末考試)


        在考試中達到及格分數, 并且能夠基本掌握所學內容,能對所學內容進行運用

        在考試中達到優秀分數,熟練掌握學習內容,能夠靈活運用到工作生活中

        學校須提供各個階段的考試和各類型的學科競賽

        1第二課堂(實驗實訓平時 成績)


        能夠基本達到實驗/實訓要求并按照要求得到相應數據和實訓效果。獲得相關職業資格證書或技術等級證書

        完成實驗/實訓任務,能夠熟練將實驗/實訓結果運用于其他創新項目中,對實驗實訓有與眾不同的結論,提出創新性問題和見解。 獲得相關職業資格證書或技術等級證書,證書等級為優秀

        1第三課堂( 比賽成績)


        主動參加學校各類競賽,并在比賽中獲得名次或獎項

        在學校各類比賽中脫穎而出并在省級以上比賽中獲得三等以上


        五、充滿活力的“雙師型”師資隊伍建設

        OBE 培養模式對教師提出了更高的要求。 OBE 不限定教師采取什么樣的教育方法和教育內容,只通過指定階段性的學習期望為教師指明方向。汕頭大學在實踐中也提到教師要花大量精力與時間用于學生的個性化輔導、教學文檔撰寫、構想預期學習產出、設計教學策略及評估等,教師承擔著繁重的教改任務。所以,OBE 教育模式既為教師充分展現教育藝術實現既定目標提供了廣闊空間,也對教師自身的知識結構、能力、素養提出了更高的要求,尤其強調熱愛教育事業的敬業精神。

        首先,通過全員參加學校舉辦的教師“雙師杯”技能培訓、參加特色培訓、參加國際會議、直接參與企業生產等形式增強教師自身的能力。秉承送出去、請進來的理念,對青年教師進行沉浸式培養及國際化合作與服務。 聘請企業技術人員做技術講座和專項輔導,與企業一線人員面對面。培育一大批既有深厚的理論知識、又有扎實的實踐基礎的高素質“雙師型”一體化師資。

        其次, 及時了解學生是否達到了階段性教學目標,根據結果及時調整資源配置、師資培訓和學生輔導等工作。教師也明確了自己在教學質量提升過程中的責任,不斷改進工作。

        通過第一、二、三課堂的有機結合,理、虛、實結合,全方位、多視角培養學生的多方面能力。按照智能制造的產品全生命周期設置課程體系,形成DMCAM 五個模塊,即設計模塊(Design)、制造模塊(Manufacture)、控制模塊(Control)、裝調模塊(Adjust)、管理經營模塊(Management)。 DMCAM 五模塊與第一、二、三課堂的具體內容一一對應,以期在基于學習產出的智能制造人才培養模式指導下培養出一批高素質、高質量的人才。


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