新工科背景下基于OBE的電氣工程專業實訓體系的構建

姜斌 曹永成 王強 吳瓊

摘 ?要：依托新工科的建設背景，在電氣工程及其自動化專業的綜合實訓體系進行了研究和探索，引入成果導向的教育理念，從教學產出、教學目標、教學環節進行設計，建立了“三位一體”的綜合實訓系統體系，整合銜接了相關課程模塊的內容，增強了知識體系構成系統的立體感，提高了學生解決復雜工程問題的能力和創造力，加快了學生的就業適應力和競爭力，同時也提升了學生就業的職業素養，為相近專業人才培養和實踐體系的建設提供了參考。

關鍵詞：新工科;成果導向;實訓體系;電氣工程

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）12-0056-04

Abstract： Under the background of constructing the new engineering， this paper studies the comprehensive training system in the electrical engineering and its automation major. By introducing outcomes-based education idea， a "trinity" comprehensive training system from the output of teaching design， teaching target， teaching link is constructed. The content of the courses module cohesion is integrated， the stereo feeling of the knowledge structure system is enhanced， the students' ability to solve complex engineering problems and creativity is improved， sped up the resilience and competitiveness of students' employment is sped up， and the professional quality of student employment improved. It provides a reference for the cultivation of similar professionals and the construction of practical system.

Keywords： new engineering; results-oriented; training system; electrical engineering

一、概述

新科技革命和產業變革的浪潮推動我國的高等教育內涵式發展，需要加快培養新興領域工程科技人才，進而需要工程實踐能力和創新能力更強的高素質“新工科”人才[1-2]。新工科明確提出要面對區域經濟和產業升級，培養具有工程實踐能力，勝任行業發展需求的應用型和技術技能型人才[3]。

基于成果導向的教育理念是上世紀80-90年代在美國和澳大利亞的教育改革中提出的[4]，并隨之在工程教育認證和教學改革中獲得認可，它是將學生的學習成果作為驅動力的一種教學理念。

為了更好地達到新工科對學生工程實踐能力和應用創新型人才培養的要求，在綜合實訓環節，做好電氣工程及其自動化專業相關知識的整合和貫通，要求學生能夠熟練掌握專業的相關知識，為具備一定的工程實踐能力和將來獨立解決工程問題打下基礎。

二、傳統實訓環節存在的問題

在傳統的以教學內容作為驅動力的教學模式中存在著“重理論、輕實踐”的傾向，這就容易在一定程度上制約了學生的應用和創新能力的培養;受單一實驗平臺資源的制約，使得學生缺乏系統性的綜合訓練，容易形成知識模塊的斷裂，不利于學生解決工程問題能力系統性的培養;實訓分工和評價體系不完備，也在某種程度上制約學生的團隊意識和基本職業素養能力的培養[5-6]。

三、電氣工程專業綜合實訓體系的構建

“三位一體”綜合實訓體系（見圖1）是在新工科的背景下，以學生作為教學主體，以成果導向理念[7]作為教學思想建立的，在實訓模塊分為3類模塊化的綜合項目，綜合實訓環節分測控應用系統、工控應用系統、電力電子和電氣傳動系統等 3 項實施，各以典型系統為主線，教學包括現場講授、設計、制作、裝調和測試等動手環節，也包括軟件開發或仿真、上網調研購件、經驗交流、中英文資料分析、撰寫總結報告以及專業應用能力指標的考核驗收等多項工作，要求教師以導師的方式盡力彌補前面教學過程中的不足并引領學生通過團隊協作、分工解決工程實踐問題。

（一）測控應用模塊的建立

以測控應用模塊的項目之一超聲波測距系統的組建和應用為例說明基于OBE理念的實踐環節的設計（見表1）。

超聲波測距在智能駕駛、工業障礙物檢測等方面有廣泛地應用，作為一種典型的非接觸測量有著實際應用價值，采用模塊化的思想進行設計，構建單片機最小系統模塊，測距模塊，顯示模塊等部分[8-9]，方便學生分工協作完成，并且后續可以利用基礎的單片機最小模塊與不同的傳感器相結合，進行其他測量信息的采集和應用的拓展。

超聲波測距系統的總體設計框圖和分組設計實物圖如圖2和圖3所示[10]：

此部分測控應用模塊還有其他題目可供學生選擇，例如人體紅外測溫、家居煙霧濃度、環境溫度濕度檢測等等，學生也可以根據自己查閱的資料，與導師選定適宜的其他題目，有助于學生對傳感器與檢測技術、單片機原理與應用、C語言程序設計、嵌入式系統、印刷電路板的設計與制作等課程知識的整合和順利對接，培養學生的檢測與電路設計、單片機應用和軟件編程能力。

（二）工控應用模塊的設計

通過PLC實現罐體的液位控制，變頻器帶動水泵為罐體輸送液體，浸入式壓力傳感器傳送實時液位數據，通過網絡在上位機顯示系統工作情況，上位機的畫面可以觀測工作數據、實時報警、遠程控制、制造報表等工作[11-12]，基于OBE理念的教學環節設計如表2所示。

罐體液位控制： 圖4～圖7為液位控制的主頁面，包括罐體的液位動畫顯示和實時數據，通過畫面的按鈕可以實現遠程的罐體上水、排水等工作。通過左側的標簽可以在主頁面、液位圖、報警頁面、專家報表之間轉換。

此部分工控應用模塊采用力控組態軟件，在PLC自動控制技術的基礎上展開遠程監控、遠程控制，綜合應用了自動控制原理、PLC技術、網絡技術、過程控制、傳感器、電機調速等多門課程知識，屬于綜合實踐應用較強的科目，通過學習可以對工程問題有較為清晰的認識。通過工業控制模塊的歸納和工業網絡控制技術的綜合應用，學生對工業控制由各門課程的知識片段轉化為應用實踐，鍛煉了工程思維能力。

（三）電力電子和電氣傳動系統

電力電子和電氣傳動系統的項目之一——轉速、電流雙閉環直流調速系統的仿真為例說明基于OBE理念的實踐環節的設計（見表3）。

在很多實際的生產中，由于加工、運動等的工藝要求，電動機經常需要啟動、制動和反轉的過渡過程中，因此，他們在很大程度上決定了其生產效率，而如果僅僅使用PI調節器的轉速反饋單閉環調速系統，其性能不是很理想。采用速度調節器和電流調節器的雙閉環直流調速系統來調節，設計的兩個調節器均為PI調節器，能夠獲得比較理想的靜態和動態性能[13-15]。

轉速、電流雙閉環直流調速系統的仿真模型圖如圖8：

此部分模塊還有其他題目可供學生選擇，例如高功率因數的交流-直流變換器、邏輯無環流可逆直流調速、DC-DC變換器的設計等等，學生也可以根據自己查閱的資料，選定適宜的其他題目，有助于學生對電力電子技術、電力電子技術應用、電力拖動自動控制系統、仿真技術應用等課程知識融合，培養學生在電力電子和電力傳動方面的實際能力，增強解決生產生活中復雜的控制工程問題的能力，增強學生的創新能力。

四、結束語

結合新工科的教育背景，基于OBE的教育理念進行電氣工程專業綜合實訓實踐教學環節的設計，從情感教學目標上激發學生對于專業的熱愛，從理論教學目標上提高學生對于專業知識的綜合運用和解決實際工程問題的能力，充分激發學生的自主學習和應用創新能力，為將來就業能夠迅速進入崗位角色打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]林菲，龔曉君，馬虹.新工科背景下軟件工程專業創新實踐體系構建[J].實驗技術與管理，2019，36（05）：181-183，219.

[2]王亞良，潘柏松，董晨晨，等.新工科背景下的機械類創新設計性實驗項目群設置與實施[J].實驗室研究與探索，2019，38（06）：162-167，175.

[3]“新工科”建設復旦共識[J].高等工程教育研究，2017（01）：10-11.

[4]趙健，范士杰.基于OBE理念的高校工程教育實踐教學模式創新研究[J].高教學刊，2018（20）：32-34.

[5]杜曉煒，聶立.基于“職業人”培養的應用型院校實踐教學創新研究[J].教育與職業，2018（23）：99-102.

[6]李紅，趙修臣，石素君，等.基于OBE理念的電子封裝技術專業實踐教學研究[J].實驗室研究與探索，2019，38（4）：212-214，226.

[7]李志義.解析工程教育專業認證的成果導向理念[J].中國高等教育，2014（17）：7-10.

[8]趙同剛，史新天，劉人豪.改革測距實驗提升光信息專業學生實踐能力的探索[J].實驗技術與管理，2019，36（5）：135-137，143.

[9]董云峰，董迎霞.基于單片機的倒車雷達系統的設計[J].大慶師范學院學報，2019，39（3）：46-50.

[10]吳瓊.基于單片機超聲測距系統的應用[J].黑龍江科技信息，2016（23）：69.

[11]孟慶宜.基于DDC和組態軟件的污水處理實驗系統設計[J].實驗室科學，2018，21（05）：64-66，70.

[12]郭建莉，施惠元，王杰，等.基于無線網絡的工業過程的設計與開發[J].遼寧石油化工大學學報，2019，39（03）：80-86.

[13]黃忠霖，黃京.電力電子技術的MATLAB實踐[M].北京：國防工業出版社，2009.

[14]陳嵐峰，呂嫣，程立英，等.基于Matlab/Simulink的電力電子仿真實驗教學研究[J].沈陽師范大學學報（自然科學版），2019，35（03）：364-369.

[15]羅成名，黃國銘，張學武，等.加強電力拖動控制實踐教學培養新工科學生創新能力[J].實驗技術與管理，2018，35（12）：36-39.