李继广，董彦非，吕 毅，曹 艳，屈高敏

(西安航空学院 飞行器学院，西安 710077)

近年来，应用型本科教育得到了各界广泛关注。2010年7月，《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》正式发布，强调全国教育大会提出的“教育的目的是培养创新型、适合各类岗位的工程人才，促进国家工业化发展”[1-3]。2015年10月，教育部、国家发改委和财政部联合发布了《关于引导部分地方普通本科高等院校向应用型转变的指导意见》[4-5]，指出应用型本科院校应当服务区域、行业的发展需求，加强一线技术技能人才培养。该指导意见为“建设特色鲜明的高水平应用型本科院校”提供了依据。显而易见，以就业为导向已经成为应用型本科专业建设的基本原则，毕业生的就业成功率、社会就业满意度已成为衡量应用型本科院校办学质量的重要指标[6]。在高等工程教学实践中，实践设计课程和成绩考核是提高学生能力和检验学习效果的重要环节，也是提高学生实践能力的重要途径[7]。近年来，随着应用型本科教育的发展建设，对学生的实践能力提出了更高的要求，各应用型高校更加注重对学生工程实践能力的培养[8-10]。然而，传统的专业实践设计课程存在实践内容单一化、考核结果不科学、远离工程实践等不足，这些不足使得传统的实践教学并不能有效地提高学生的工程实践能力。

针对传统实践教学存在的不足和应用型本科的教学目标，本文根据成果导向教育 (OBE，Outcome based Education)教学模式，设计了应用型本科实践教学的方式和教学效果评估的方法。

1 传统实践教学存在的不足

实践设计课程是本科工科类教学的重要环节，几乎所有的专业课程都有实践环节。然而，这些以提高学生工程实践能力的实践设计课程在实际教学中的效果却不理想。就传统实践教学而言，有以下方面值得注意。

1.1 实践内容单一

对于课内开设的实践设计课程，大多针对本专业课程内容进行实践。然而，就工程应用来说，几乎没有单一门学科知识的应用。以“飞行器总体设计”这门课的实践设计而言，其直接相关的课程至少包括：“飞行器总体设计”“空气动力学”“飞行力学”“结构力学”“材料加工”等。如果单纯从“飞行器总体设计”出发进行课程设计，无疑会背离实际的工程应用。

1.2 实践设计课程组织形式背离工程应用

传统的实践设计课程，或要求学生单独完成，或要求小组协同完成。然而，对于大型的工程设计而言，大多采用总师负责制。在总师负责制下，将整个任务环节进行分解、各分系统独立负责、团队成员协同设计，依靠团队的整体智慧实现整体最优。因此，在大型工业设计活动中，团队协调、组织、合作能力是相较于专业技能之外另一些重要的能力。然而，传统实践设计课程注重的是学生个人的专业技能，团队协调、组织、合作能力则没有得到足够的重视。

1.3 成绩考核标准方式不合理

就课程效果评定而言，一般依据考试试卷、设计报告以及辅助的课堂考勤等等，这种成绩评定方式明显存在重结果轻过程的不足。值得注意的是，这种评价结果能够真正反映学生真实的水平和技能吗？试卷考试是不是考前突击、死记硬背的结果？课程设计报告是不是仅仅是课本或者网络算例的重现？学生在实践过程中有何独特的设计思想？和其它学科知识怎样协调？团队沟通是否顺畅？这一系列问题都不能够回答。需要更加注意的是，教师在设计环节无法及时参与，不能有效帮助学生提高实际工程技能。

基于以上分析可知，传统的实践教学和工程实践是相割裂的，实践结果并不能直观的转化为学生的工程技能，而且在实践过程中，教师的作用除了偶尔的解惑，并不能及时发现实践的问题，了解实践的具体情况和效果，及时帮助学生提高，因此，要从实践设计课程的组织方式和成绩评定两方面入手解决。

2 基于OBE模式的实践设计课程设计

成果导向教育(OBE)是一种基于学习——产出为向导的教育理念，该模式着重关注学生的学习成效，强调以学生的学习成效来评价教学设计以及教学目标实施的合理性[10]。因此，该模式更加重视提高学生的学习效果。为了达到该目的，在课程设计环节就要明确以下问题：明确该课程希望学生在哪些方面有所提高？这些技能的提高会为工程应用带来何种益处？怎样达到使学生提高的目的？怎样科学地评估学生的学习效果？

从OBE模式的介绍可知，该模式是一种向导性、反向设计方式。就具体实践教学来说，应遵循以下步骤进行思考设计：工业实践设计对学生素质、技能的需求(目标分析)；如何将这些需求融入实践教学(课程设计)；如何有效、科学的评估教学结果(效果评估)；如何全程参与实践过程，使其达到课程目标(目标实现)。

3 教学效果评定

从以上实施步骤来看，OBE模式需要通过教学效果来指导教学质量的提升，因此，该教学评定应包含过程成绩评定和最终成绩评定两部分。过程成绩评定以检验阶段性教学效果，帮助教师认识学生的实践情况，及时地参与到实践过程中并提高教学质量。同时，过程成绩评定也是帮助学生及时发现问题，及时解决问题的过程。通过对阶段实践的总结，使学生及时调整组员间的组织结构、优化学习效果，最终成绩评定则是对整个实践环节的评定，检验实践教学最终的学习效果。因此，教学评定不仅是最终评定教学效果的依据，更是教师参与实践教学、学生自我优化提升的依据。所以，教学评定是除了合理的教学设计之外，实施过程是更重要的一个环节。

3.1 过程成绩评定

过程成绩评定的主要目的是通过检查、诊断和反馈，激励学生主动学习。作为实践设计课程参与的主体，学生对实践过程的体验最真实、最完整。因此，实践教学应充分听取学生的反馈和意见，具体到实践环节，可以采取学生自评、交叉互评、阶段负责人小组成员打分等措施。另外，教师也应在实践教学的阶段效果中发挥更大作用，具体实施可以通过设计成果阶段性答辩、阶段性设计报告等方式进行评价。教师应根据学生的自评、答辩、阶段报告等方式，发现实践设计课程存在的问题，引导学生对自己的团队、自己的作用做出优化调整，实现优化提升的目的。

3.2 最终成绩评定

最终成绩评定是一个系统性工程，应当摒弃传统单一的以最后试卷或报告作为评定的方式，代之以科学、合理、全面的方式对整个实践过程进行评价。因此，最终成绩评定应当以学生具体的专业技能的提高作为考核的目标，充分发挥实践效果、专业技能、过程提高、协作组织能力等因素在最终成绩评定中的作用，全面考核实践过程所取得的效果。

4 基于综合指数法的成绩评定

4.1 综合指数法

综合指数评估法的一般步骤包括：指标体系的建立、指标的量化、各项指标权重的确定和综合性能的计算。综合指数模型指标体系构造一般按照以下准则。

4.1.1 独立性

成绩评定指标是由一系列相互紧密关联的指标组成，这些指标的划分是相互独立的，并且同一层次的指标必须不能有重叠区间，不存在横向的因果关系。要求指标的独立性，可避免重复计算，减少不必要的评估指标，提高评估的效率。

4.1.2 完整性

对于成绩评估指标，要能够反映实践教学任务的特征，以及描述实践教学任务的完成程度，应使其尽可能地涵盖各个方面，而不遗漏指标，从而可以更全面、正确、系统地考核学生的学习效果。当然，这种成绩评定指标的整体完备性只是相对的，在实际评估时，允许省略一些指标中虽然有影响但属于次要的因素以提高评估效率。

4.1.3 层次性

成绩评定指标是分层次的，整个指标构成一个树状的结构，上一层指标应为下一层指标的概括，下一层指标应为上一层指标的具体体现。

4.1.4 科学性

对教学效果进行定量分析，即以成绩评定指标作为学生实践教学课程的评估标准具有十分重要的意义。

建立成绩评定指标时，应尽可能量化下层指标，即下层指标建模计算后得到一个物理意义很明确的数据，而不是一组数据，这样才能进行估算和评价。最后，建立的成绩评定指标体系的大小要合适，意思明确，分层也要适当。评定指标量化主要是根据不同阶段、不同评价对象、不同评价标准给出的成绩进行标准化处理，从而消除个人打分的主观因素。在各部分评定指标量化之后，还要确定各项指标对总效能贡献的重要程度，即各项指标权重的确定，如前所述，各项指标权重指的是该项指标对系统总效能重要程度的衡量标准。在评定指标量化和指标权重之后就能对综合性能进行计算评估，从而对系统的性能给出相对客观的评价。

4.2 成绩评定指标体系

以学生能力提高为核心，对学生整个实践设计课程的学习效果进行综合评定，应该根据综合指数评估法的基本准则，建立完善的评估指标体系。针对实践设计课程的特点和目的，建立实践设计课程评定指标体系如图1所示。

图1实践设计课程评定指标体系

在该评定指标体系中，学习态度反映学生的自我学习、自我成长能力。在当今科技飞速发展的时代，短短的在校学习阶段不可能学会掌握所有工作所需的全部技能，因此，引导学生养成良好的学习习惯和学习态度，这对学生今后的成长至关重要。

团队效率反映的是学生的团队合作能力，正如前文所述，目前几乎所有的工程项目都需要依靠团队的力量来完成，因此，在实践过程中，必须重视培养学生的团队合作能力和意识。过程成绩是学生自我总结、自我提升的重要环节，同时也是教师参与实践教学、及时发现问题、引导优化的重要依据。对于实践设计课程来说，要根据学生的设计结果评定最终成绩，其设计成果的科学性和规范性是实践教学质量最直观的表现。

4.3 性能指标的量化

在该评价指标体系中，有些指标的评定可以直观的给出分数，如教师根据考勤和观察给出的学习态度成绩，根据实践报告的科学性、规范性给出的完成质量成绩。而另一些成绩的评定则有很多非客观的因素夹杂其中，如团队效率的评定，无论是学生的反馈或者根据完成质量情况进行评分都不能完全客观的反映，过程成绩中的小组互评成绩也夹杂了学生的个人情感和受每个人评分标准不同的影响。因此，在最终成绩评定时要充分考虑这些因素的影响。

所以，在成绩评定指标体系中要实现评定指标量化，有必要对指标进行公度化处理。其处理方法如下：

式中，xij为单项给定成绩；xmin、xmax为单项成绩中的最低分和最高分；c为成绩基准值；n为班级或者小组人数。

4.4 权重系数的确定

从评定体系可知，实践设计课程的最终成绩是由学习态度、团队效率、过程成绩和完成质量四部分组成。各部分权重的大小不仅反映了课程设计的目标、教学目的，而且将直接影响到学生最后的得分。对于该权重系数的确定，本文采用层次分析法建立成绩评定模型。

层次分析法是一种实用的多准则决策方法，该方法灵活、简明，具有定量和定性相结合分析各种决策因素的特征，其基本思路是根据问题的本质和最终要达到的目的，分解出问题的若干组成因素，并按它们之间的从属关系，将各因素分层，构成一个层次化模型体系，然后逐层分析，成绩评定时只需对同层中各因素进行两两比较，确定同一层次中诸因素的相对重要性，然后综合专家的判断，决定各因素相对重要的顺序。采用此方法会比凭借经验定出的权重系数更科学。其次，对成绩评定时要进行一致性检验，由于因素较多，可能会出现矛盾的评论，如果能通过一致性检验就表明各因素的评价顺序是相当一致的。

在上一层次中某一准则Ck下，对同一层次的n个元素中的任意两个元素Ai和Aj，通过比较可以得出哪个更重要以及重要多少，目前多采用1～9判断尺度作为赋予重要程度的数值。判断尺度如表1所示，表1给出了1～9判断尺度的含义(其中Ck为A的上一层判断准则)。

表1 判断尺度

对于n个元素，由上表可以得到两两判断矩阵A

简写为A=(aij)n×n

判断矩阵A具有如下性质：

(1)任意元素aij>0；aji=1/aij； 主对角线元素等于1，即aii=1。

矩阵A中元素不一定具有传递性，即不一定有aij×ajk=aik成立，如果成立，则称A为一致性矩阵。在由判断矩阵导出元素排序权重时，一致性矩阵具有重要意义。

(2)计算单一准则下的相对权重

即计算单一准则Ck下n个元素A1，A2，…，An的排序权重，并进行一致性检验。具体就是求判断矩阵A的最大特征根λmax对应的最大特征向量W，表达式为：

A·W=λmax·W

(2)

特征向量经归一化后即可作为在准则Ck下n个元素A1，A2，…，An的排序权重。

在求出和后，要对进行一致性检验。

首先要计算一致性指标CI

(3)

然后从查出平均随机一致性指标RI，RI值随参数量n(判断矩阵A的阶数)变化，平均随机一致性指标RI如表2所示。

表2 平均随机一致性指标RI

最后计算随机一致性指标

CR=CI/RI=(λmax-m)/((m-1)×RI) (4)

当CR≤0.1时，一般认为判断矩阵的一致性是可以接受的。

5 以通用飞机/无人机实践课为例的教学实践

5.1 课程设计

通用飞机/无人机实践课是飞行器设计与工程专业的综合实验环节，要求学生能综合运用所学的飞机总体设计、飞行力学、空气动力学、飞机结构等理论知识以及CATIA、ANSYS、Fluent等设计软件来完成一款飞行器设计的基本流程。根据应用型本科的培养目标和教学大纲，通过为期7周的实践设计课程，希望学生获得以下能力：飞行器设计的基本过程和实践步骤；飞行器设计的基本组织架构和流程；专业知识巩固和设计工具的使用；终身学习能力和团队协作能力。

5.2 具体实践

通用飞机/无人机设计是一个庞大而系统的工程，需要依靠团队的整体协作才能完成。为了符合教学实践，结合飞行器设计的工业组织方式，将本课程划分为初步设计、方案设计、三维建模、结构分析、气动计算分析、优化迭代五个实践阶段。

为了体现现代飞行器设计组织的总师负责制，该实践设计课程采用自愿分组方式，每组选出1名总负责人。小组总负责人负责小组各项工作的协调，同时为该阶段小组成员的表现打分。

在设计题目上，小组可以选择设计指导书中给定的通航飞机、长航时无人机、中型运输机、中型客机等设计题目，也可以自拟题目。在选定题目之后，小组成员要系统、连贯的完成整个设计流程。

5.3 成绩评定权重系数的确定

根据前文确定的成绩评定方法，下面计算该实践设计课程各部分成绩权重系数。根据专家对各部分的打分认定，可得如下评定矩阵：

评定矩阵的最大特征值为4.21，最大特征值对应的特征向量为[0.2505 0.2505 0.4674 0.8099]r。

一致性检验：CI=0.07，CR=0.0729≤0.1，因此，通过一致性检验，是可接受的结果。对最大特征值对应的特征向量进行归一化处理可得：[0.1409 0.1409 0.2628 0.4554]r。

根据计算结果，该实践设计课程四部分的成绩权重如表3所示。

表3 实践设计课程四部分的成绩权重

5.4 设计内容和效果展示

5.4.1 设计内容和性能要求

该小组以侦察型无人机为题进行设计。该无人机主要任务需求为对地侦察，要求采用轮式滑跑起飞和着陆方式。为了满足对地侦察的要求，该无人机应具有携带侦察设备进行长时间巡航的能力。在实际实施时，教师应深入到课堂、观察各小组设计工作的协调、讨论情况，以及阶段工作的完成进度，参与各组的技术讨论并指导该小组的组织方法和技术方案确定。各组每完成一阶段的设计，即提交该阶段的设计报告，教师根据该阶段的完成质量综合评价该小组的实践学习效果，并为下一阶段的组织、设计提供指导。根据基本设计要求，该无人机主要设计指标如下：

(1)巡航时间>5h；(2)巡航高度约1500m；(3)有效载荷约5kg；(4)起飞重量不大于30kg；(5)实用升限为4000m；(6)最大平飞速度不小于150km/h；(7)起降方式为轮式滑跑起飞和轮式着陆方式 ；(8)控制操作方式为地面站监控全自主+无线电遥控。

5.4.2 设计结果展示

(1)初步设计：

起飞重量：估计20 kg；推重比和推力：推重比为0.2 ，推力为5kg；机翼面积：1.3m2；机翼载荷：199.4 N/m2；螺旋桨参数：直径0.45m，螺距为0.19m；油箱体积：燃油质量为8kg，则需要油箱的体积为10L。

点评：在该阶段，小组成员依据《飞机设计》相关知识完成了相关设计工作，完成了研究报告。但是，报告形式的规范程度有待提高。

(2)方案设计：

初步设计下，飞机采用襟翼装置增加飞机起飞状态下的升力。飞机发动机选用单发发动机DLE20RA型发动机，推进装置为推进式。考虑到螺旋桨的直径、飞机的重量要求，在方案设计阶段，采用两叶桨。飞机起落架形式采用前三点式。

机翼设计：

机翼面积1.3m2；展弦比：5；后掠角：2°；根稍比：2.5；根：50mm；梢：20mm；平均气动弦长：0.36m。

机身设计：

机身为圆头方形机身，在减少阻力的同时,尽可能的增大机身内部的体积,以便携带更多的燃油和更大的机载设备。同时考虑配平的要求选择适当的长度。

尾翼设计：

水平尾翼为V形尾翼,避开螺旋桨气流的情况下连接水平尾翼,以确保两尾撑杆的协调运动如尾翼整体的强度。

点评：在该阶段，小组成员依据《飞机设计》相关知识完成了相关设计工作，完成了研究报告。但是，所设计的飞机科学性和合理性有待提高，不过总体完成质量优良。

(3)三维建模

根据初步方案设计结果，该小组设计的飞机三维模型如图2所示。

图2 飞机三维模型

点评：在该阶段，小组成员按照前面阶段的设计完成了飞机的三维建模过程。但是，模型的精细程度有待提高。

图3 飞机结构设计

图4 结构强度校核计算

(4)结构设计

根据总体设计结果和结构强度要求，该小组的飞机结构设计如图3所示。

点评：在该阶段，小组成员按照前面阶段的设计完成了飞机的结构设计。但是，设计的结构需要进一步优化，有比较大的减重空间。

(5)强度校核

根据结构设计结果，对飞机的结构受力进行计算分析，结果如图4所示。

点评：在该阶段，小组成员完成了飞机结构计算的相关工作，证明结构强度符合飞行要求，不过也证明了飞机主起落架安装位置的不合理性。

(6)气动计算与分析

根据总体设计结构，对该设计进行网格划分并进行气动性能计算，其网格划分效果和气动流场如图5所示。

图5 气动计算网格划分和机翼流场

点评：在该阶段，小组成员完成了气动计算的相关工作，给出了机翼的流场图。

5.4.3 成绩评定

根据式(1)所示换算方法对小组打分成绩进行换算，应用表3所确定的各部分权重对学生成绩进行综合计算。学生的小组成员打分、教师打分、换算成绩和最终得分如表4所示。

表4 小组成绩评定

5.5 实践教学总结

在为期七周的教学实践中，小组成员分工明确、相互配合完成了各阶段的设计任务，而且通过每周提交的各阶段设计报告和设计过程中的表现，任课教师及时了解实践的动态和设计的缺陷。小组在下一阶段的设计过程中，及时避免了类似错误的再次发生。在第七周，小组成员对前期设计存在的缺陷进行了集中优化设计。

通过该小组的实践过程可知，该组第一阶段的组织和设计存在较大的失误，设计工作完成质量不高，小组成员的协调也不顺畅，但是在教师指导以及小组成员的反思、改进下，第二阶段及以后各阶段有了极大的改善，小组成员的协作和设计工作走上正轨，设计效率和效果有了很大的提高。

总体来看，该实践过程很好的达到了课程目标，学生的专业知识、设计实践能力和组织协调能力得到了锻炼和提高，整个实践过程取得了较好的效果。

6 结语

随着应用型本科教育理念的深化以及应用型高校教育教学改革的不断推进，应用型高校更加注重对学生工程实践能力的培养，专业实践设计课程是提高学生工程实践能力的重要途径和有效手段。然而，传统的专业实践设计课程存在着实践内容单一化、考核结果不科学、远离工程实践等不足。这些不足使得传统的实践教学并不能有效的提高学生的工程实践能力。针对传统实践教学存在的不足和应用型本科教学的目标，本文根据OBE教学方法，探讨了应用型本科实践教学方法和教学效果评价法。为了更加合理全面评判实践教学的实际效果，本文应用综合指数模型建立了实践教学成绩评估体系，并给出了具体的评定方法，且通过飞行器设计专业通航飞机创新课程的实践证明了该教学方法的有效性。