基于OBE理念的電力拖動自動控制系統實驗教學改革探索

曹建平

摘 要 以OBE教育理念為指導，從制定實驗目標、調整實驗內容、改進實驗教學方法、改善實驗考核方式和持續改進五個方面，對電力拖動自動控制系統實驗進行改革，著重培養學生自主學習能力、分析問題與解決問題能力、創新和工程實踐能力。改革效果較顯著，學生在競賽、畢業設計、考研和就業等方面取得一定的成績。

關鍵詞 OBE教育理念；電力拖動自動控制系統；實驗教學；虛擬實驗；MATLAB

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）06-0113-03

Reform and Exploration of Experimental Teaching of Automatic Control System based on OBE Concept//CAO Jianping

Abstract With the instruction of OBE's education concept， this arti-

cle takes reforms to the experimental electrical drive and automatic

control system in five aspects that includes setting experimental tar-gets， adjusting experimental contents， improving teaching methods， coordinating experimental examination modes and continuing fur-ther improvement. This reform focuses on cultivating students' abi-

lity of autonomous learning， analyzing and solving problems， inno-

vation and practice in engineering. The effect of reform is much sig-nificant， and students have achieved certain success in competitions， graduation design， employment and further education.

Key words OBE's education concept； electrical drive and automatic control system； experimental teaching； virtual laboratory； MATLAB

1 前言

電力拖動自動控制系統是電氣工程及其自動化專業一門非常重要的專業核心課程，綜合了“電機”“電力電子技術”“自動控制原理”等課程的相關知識[1]，綜合性高、應用性強，學生學習起來難度比較大。因此，電力拖動自動控制系統實驗作為該課程的一部分，顯得尤為重要，一方面可以幫助學生理解和鞏固理論知識，另一方面可以鍛煉學生的動手能力及分析問題、解決問題的能力。

但是，目前這門課的實驗教學存在一些問題，例如：教學中強調“教”而非“學”，學生對教師的依賴性很強，缺乏獨立性；實驗教學缺乏目標，學生即使完成實驗項目，對系統的接線和其中的原理也一知半解，分析問題和解決問題能力不足；部分學生對實驗的積極性不高，在實驗過程中較懶散，模仿接線與抄襲實驗數據；等等。這些問題使實驗效果大打折扣，對學生鞏固理論知識和鍛煉實踐能力的作用不明顯。

在工程教育認證的大環境下，武昌首義學院將OBE理念引入教學中，在電力拖動自動控制系統實驗教學中也采用OBE模式教學，以該教學模式來改善實驗效果。在教學中從以教師為中心轉變為以學生為中心，在該思想的指導下安排實驗內容，強調學生的實驗成效，并以該導向確定實驗教學目標和實驗考核方式，采用課堂教學、虛擬實驗、傳統物理實驗和課后開放實驗相結合的形式[2]，對學生的實驗成績進行分析評價，持續改進教學，提高學生自主學習能力、分析問題與解決問題能力及工程實踐能力。

2 OBE教學理念

OBE（Outcomes-Based Education）是一種基于學習產出的教學模式，它的核心理念是“以學生為中心”“以成果為導向”“持續改進”[3-4]。20世紀八九十年代，OBE教育模式在美國、澳大利亞等國家的基礎教育中得到廣泛應用。這種教育模式注重學生學習的產出分析，反向設計學生的教育結構評價體系，從而快速提高教學質量[5]。

在OBE教育理念中，教育者需要對學生畢業時具備什么能力有清晰的構想，然后設計合適的教育結構以保證學生達到這些能力。OBE模式關注的是學生學習的產出，與傳統的注重教學內容與投入的教學方式有著本質的區別，它是教學模式的一種革新，對工程應用型人才的培養有著十分重大的意義[6]。

3 基于OBE理念的實驗教學改革措施

OBE核心教育理念是“以學生為中心”“以成果為導向”“持續改進”，在該核心理念的指導下，將電力拖動自動控制實驗從實驗教學目標、實驗內容、實驗教學方法、考核方式、評價反饋等方面進行改革。

制定實驗教學目標 根據電氣工程及其自動化專業學生培養目標和畢業時要達到的能力，并依照電力拖動自動控制系統的教學大綱，經過相關理論課程和實驗課程教師的多次討論，制定電力拖動自動控制系統實驗的教學目標：一是掌握直、交流調速系統的結構、工作原理及接線方法；二是具有系統檢查與排除實驗故障、分析實驗數據的能力；三是具有系統建模仿真、設計的能力。

調整教學內容 在改革前，學校電力拖動自動控制系統實驗項目有三個，分別為不可逆單閉環直流調速系統、雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統、交流變頻調速系統。為了實現教學目標，培養學生工程應用能力，做到以學生為中心，調整實驗教學內容的具體實施過程。

首先向電氣高一級的學生收集與該實驗相關的建議，從建議中分析學生的意見，主要包括三方面：第一、二次實驗都采用四節課的學時，時間過于充裕，實驗教學不飽滿；在第二次實驗中，調節PID的參數需要用螺絲刀調相關的儀器，對參數進行調節，調節的過程比較盲目，波形很難達到穩定，即使最后系統調整到穩定了，具體參數為多少，學生也不知曉；實驗項目比較少，只有三個，對學生能力的提升很有限。同時從已畢業的學生那里收集企業需求的反饋，較多學生認為熟練掌握變頻技術和PLC控制，對電氣專業學生就業非常有利。

因此，結合電氣高年級學生的實驗建議和已畢業學生對企業需求的反饋，對實驗教學內容進行調整，具體為：將第一次和第二次實驗項目合并為一次，增加雙閉環直流脈寬調速系統項目，增加PLC變頻調速系統實驗作為課后開放實驗。通過調整，豐富了實驗教學內容，學生的參與度高，為調動學生的實驗積極性做了一定的準備。

改進實驗教學方法 為了確保達到預期的實驗教學目標，基于OBE教育理念，將實驗教學模式改為課堂教學、虛擬實驗教學、傳統物理實驗教學、課后開放實驗教學相結合的形式。在課堂教學中，涉及與實驗相關的理論知識著重提出，布置與實驗相關的思考題，為學生做實驗打下基礎，同時引導學生理論結合實際。

將MATLAB仿真軟件引入虛擬實驗教學中，特別是針對雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統實驗，學生可以先計算出系統穩定時的PID數值，通過調節相關模塊的參數，系統的波形可以快速穩定，且參數具體直觀，同時可以方便地仿真實驗中的多種情況。傳統的實驗教學以學生動手操作為主，學生根據系統的結構，利用實驗臺進行導線搭建。在實驗過程中，實驗教師僅僅起引導作用，學生自主接線，分析故障、解決故障，提高動手能力、分析問題及解決問題能力，樹立工程應用意識。

課后開放性實驗主要是將PLC和變頻調速技術綜合在一起，讓學生通過圖書館和網絡自主查資料，確定設計方案，對系統進行接線調試，培養學生自主獨立性，提高創新和設計能力。

改善實驗考核方式 以學生學習成果為導向的考核方式，將從原來單一的實驗報告定成績，改變為從實驗前準備、實驗過程、實驗報告及課后開放實驗四部分對學生進行評價并給出成績。實驗前準備主要考核學生是否認真預習實驗，有沒有帶著問題進實驗室，對實驗是否搭建仿真模型，仿真波形是否正確等，占實驗總成績的10%；實驗過程考核學生學習態度是否端正認真，能否正確使用實驗儀器，能否正確接線及排除故障，能否正確回答教師提出的問題，能否按要求完成實驗，占實驗總成績的50%；實驗報告考核學生實驗報告是否撰寫規范，繪制的電路是否正確，實驗數據處理是否合理，實驗結果分析是否正確，占實驗總成績的30%；課后開放實驗的考核，包括學生設計方案是否合理，實驗接線和調試是否正確，實驗數據和結果是否合理，占實驗總成績的10%。

持續教學改進 OBE教育理念注重的是學生的學習效果，為了驗證實驗目標是否完成，對學生的實驗成績進行評價分析，設定各個目標合格達成度標準值為0.65（學校統一規定的數值）。經過計算，實驗目標一達成度為0.81，達成度較好，反映了學生對直、交流調速系統的結構、工作原理及接線方式掌握較好，具備一定的實踐動手能力；目標二達成度數值為0.73，達成度一般，表明學生對檢查與排除故障及分析數據的能力一般，在這方面有待提高；而目標三的達成度值為0.66，雖然達到合格標準，但學生設計和系統仿真能力仍有所欠缺，需要花大力氣改進這方面。

通過對目標達成度的分析，教師可以很直觀清楚地看出學生哪些能力是已經達到的，哪些能力有待提高，哪些能力是欠缺的，使教師對學生的能力有比較清晰的把握。

通過目標達成度分析，出現以上問題的主要原因在于：學生對實驗中存在的故障不可預知，并且分析時間有限；學生對MATLAB仿真軟件不太熟悉，自學有一定的難度；設計性的內容討論較少。

針對這些問題，電力拖動自動控制系統理論教師和實驗教師經過多次討論，最后決定從以下三個方面進行改進。

1）在理論教學中增加兩個學時的MATLAB仿真教學，讓學生對MATLAB仿真軟件有初步的了解并具備一定的使用能力，為虛擬實驗教學打下基礎。

2）在實驗前布置相關故障的思考，為實驗過程中檢查和排除故障做好準備。

3）對于開放實驗，在實驗前至少進行兩次討論和答疑，提升學生的設計能力，確保設計方案的正確及可實施性；在實驗過程中，學生通過多討論、多嘗試，同組的學生共同完成系統的接線和調試，調動學生的學習積極性，培養學生分析問題、解決問題及創新的能力。

改進措施在下一屆學生中實施，根據評價結果，動態調整教學實驗目標、實驗內容、實驗方法及實驗考核方式，做到持續改進。

4 結束語

基于OBE教育理念對電力拖動自動控制系統實驗教學進行改革，在改革中始終堅持以學生為中心，以學生學習效果為導向，以持續教學改進為動力，使學生對該課程理論知識的理解更透徹，提高了學生的學習興趣與自學能力，培養了學生分析與解決問題能力、創新能力及工程實踐能力。改革效果較顯著，學生屢次在全國大學生電子設計競賽中獲獎，畢業設計論文省優秀、校優秀的數量增加，考研和就業競爭力也有提升。今后將繼續總結經驗，將OBE教學理念更好地運用在教學改革中，培養更契合社會需求的人才。

參考文獻

[1]阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統：運動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]王曉琳.電力拖動控制系統教學中的探索與實踐[J].科技信息，2007（3）：9-10.

[3]李志義，朱泓，劉志軍，等.用成果導向教育理念引導高等工程教育教學改革[J].高等工程教育研究，2014（2）：

29-34，70.

[4]鄭兆兆.基于OBE模式的數字電路實驗教學的探討[J].實驗科學與技術，2016，14（4）：184-185，206.

[5]顧佩華，胡文龍，林鵬，等.基于“學習產出”（OBE）的工程教育模式：汕頭大學的實踐與探索[J].高等工程教育研究，2014（1）：27-37.

[6]程超，劉詩瓊，劉紅岐，等.基于OBE理念修訂人才培養方案：以西南石油大學勘查技術與工程專業為例[J].中國地質教育，2016，25（1）：41-44.