基于OBE理念的實驗教學方法研究*

高明玲 尹紅彬

山東理工大學 山東 淄博 255049

引言

隨著全球環境與能源危機的加深，節能與新能源汽車發展成為汽車產業發展的重要方向。永磁電機是節能與新能源汽車9大關鍵領域之一，《現代汽車電機與控制》是車輛工程、交通運輸、能源與動力專業新增設的核心課程之一，而驅動電機的實驗課程是培養學生實踐能力的重要環節。

構建基于OBE理念的教學方法有利于提高學生的參與度和解決工程實踐的能力[1-3]。本文以《現代汽車電機與控制》實驗為例，反思了傳統教學過程的不足，構建基于OBE理念的教學方法[4]。對兩種教學過程進行對比，為其他實驗教學改革提供指導。

1 傳統實驗教學過程存在問題

1.1 教學高階性不夠

在實驗過程中，學生按照實驗指導書的指導步驟進行，沒有對實驗方法做深度思考。實驗數據、實驗表格都是固定的，沒有充分調動學生對實驗結果的理論分析。整個實驗過程都是停留在表面，無法培養學生針對具體問題制定實驗方案的能力。

1.2 學生參與度不夠

由于實驗設備有限，教學課時有限，整個實驗過程中，只有部分學生可以參與實驗操作，其余學生只是參觀與記錄實驗數據，導致學生參與度不夠，學習興趣下降。

1.3 創新性不夠

目前，實驗過程采用的實驗設備都是經過設計的標準化、模塊化實驗設備，各個模塊的連接都有符號、顏色標記，線束連接與調節過程都是固定不變的，不利于培養學生創新能力。

2 基于OBE理念的實驗教學過程

為了提高實驗教學的高階性、創新性，提高學生的參與度，培養學生應用實驗方法解決工程實踐問題的能力。課題組根據OBE理念對實驗教學方法進行了改革。基于OBE理念的實驗教學改革，以目標為導向，對教學方案、教學手段、考核方式進行了改革，加強學生對理論知識理解的基礎上，培養其解決工程實踐問題的能力。

2.1 教學方案的改革

教學內容強調如何利用現有的實驗設備解決問題，目標是授予學生“漁”。成績評定根據學生給出的實驗方案，即解決問題的過程和實驗報告給出實驗部分成績，課程過程更加注重過程評價。首先，根據教學目標，設計科學問題，把科學問題作為任務驅動目標。第二，講解目前具備的實驗條件和設備。第三，讓學生制定實驗方案。第四，對學生制定的方案進行討論與評估，確定實驗方案，進行實驗。

2.1.1 問題提出及實驗條件介紹。問題提出及實驗條件介紹階段是老師凝練問題和學生的認知學習階段。該階段還未涉及學生動手操作的問題。但是，問題提出的好壞直接影響學生對該次實驗的興趣，學生對實驗認知學習的質量直接影響后續實驗的質量和操作安全。

比如以直流電機調速與換向實驗為例，可以根據實驗目的和實驗過程，老師凝練出本次實驗需要解決的問題。

直流電動機的輸出轉矩和勵磁電流存在什么樣的關系？

直流電動機轉速和那些因素有關，如何通過現有器材調整直流電動機轉速？

根據現有的試驗設備如何實現直流電動機的換向？

2.1.2 實驗方案制定。實驗方案的制定階段是培養學生思考、創新能力的重要階段。該階段根據學生的特長，把具有不同特質的學生進行分組，在老師引導、學生為主的模式下完成實驗方案的制定工作。對于在實驗方案制定過程中出現的問題，不應直接否決，應該以組內討論、組間討論的方法解決，在不影響安全的前提下，也可以通過實驗的方法解決。

2.1.3 實驗方案討論及實施。傳統實驗過程中大量使用演示實驗，以老師演示，學生觀摩為主。在以OBE理念為主導的實驗體系中采用實物實驗優先于虛擬實驗、虛擬實驗優先于演示實驗的優先級。增多同學們的動手操作機會。本次實驗過程中，首先老師與同學一起討論給出的實驗方案、試驗步驟及注意事項，對試驗方案進行修改。然后，同學們根據修改后的實驗方案進行實際操作實驗，測試試驗數據。

2.2 教學手段的改革

傳統教學過程中，實驗都是在現實的實驗設備上進行，實驗次數與時間受到教學場地、實驗設備數量、教學計劃安排的限制，學生很難做到人人可以操作，整體參與度較低。為了解決以上問題，引入實驗虛擬仿真技術，使同學們在個人電腦上就可以完成實驗分析與實驗訓練。

JMAG是一種先進的低頻電磁分析工具；它具有強大的耦合計算功能，其自身有溫度、結構、振動噪聲分析功能，還可以和Star-CCM+、Abquas、LMS等進行雙向耦合分析；支持單、雙相異步電機、直流無刷電機、永磁直流電機、調速永磁同步電機、磁阻電機、串激電機、凸極發電機等多種電機的虛擬仿真實驗，步驟如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗步驟

2.2.1 建模。通過JMAG直接建模或用CAD導入事先圖紙，根據自己電機結構，設計出完整的磁路結構，畫出轉子鐵芯、定子鐵芯、繞組和磁鐵，如圖2所示為電機1/4模型示意圖。

圖2 電機建模示意圖

2.2.2 設定。創建一個新的研究，這里分有很多種類，有電磁分析、結構分析和聲場分析，這里選擇電磁瞬態的Transient Analysis study。

2.2.3 條件。在Designer的右側的有Toolbox，里面有Materials、Conditions、模板庫和腳本庫。Toolbox欄下Materials里是軟件的材料庫，可以給電機的各個部件設置材料。定子和轉子的材料都設置為50JN1300，緊接著磁鐵和繞組分別設置釹鐵硼和銅。具體設置方法如圖4所示。

圖4 定轉子材料設置示意圖

2.2.4 電路。電路為三相電路，每個繞組上設置好阻抗和線圈匝數，在繞組前端加上電壓表，至此空載的電路圖設置完成，如圖5所示。

圖5 三相電路圖

2.2.5 條件及繞組設置。從Toolbox里的Condition里選擇Rotion設置旋轉條件，選擇轉子和磁鐵，從Winding里面設置周期范圍以及繞組的纏繞，具體設置如圖6所示。

圖6 旋轉便捷條件及繞組設置

2.2.6 網格劃分及計算。網格要求對計算精度非常關鍵，再磁通變化非常快的區域通常要求細分網格。電機的氣隙網格尤其關鍵。也可以采用自適應網格劃分，這種方法配合網格重構技術，通過控制計算精度來生成高質量的網格。用戶不需要設置任何網格參數，完全自動生成。

2.2.7 顯示結果。這里主要顯示空載轉矩、空載反電動勢、磁感應強度云圖和磁感線矢量流向云圖。圖9、圖10分別為磁感線分布圖和齒槽轉矩分布圖。

圖7 磁感線分布圖

圖8 齒槽轉矩分布圖

2.3 考核方式的改革

增加過程性考核，可以顯著提高學生實驗工程中的參與積極性，針對傳統實驗工程中，成績評定重視實驗報告、輕視實驗過程考核的問題，在考核方式中增加了過程性考核。

2.3.1 增加學生對實驗方案設計過程的考核比例。學生課下整理實驗方案、實驗數據，回答老師提出的問題，形成實驗報告。然后，老師根據課上同學給出的實驗方案和課后實驗報告綜合給出實驗成績，并且根據具體情況提高實驗方案制定過程的成績比例。

2.3.2 提高對虛擬仿真建模過程及數據分析的考核。對使用JMAG有限元仿真軟件、Matlab/simulink仿真軟件進行電機本體及控制算法實驗的部分，加強考核學生建模過程、建模能力及數據分析能力，將建模的過程評定成績與實驗報告成績綜合考慮，確定最總成績。

最終形成學生制定實驗方案考核、虛擬實驗建模過程考核、實驗報告考核的多種評價機制，并根據實際情況，增加對實驗方案、虛擬實驗建模過程的分值比例。

3 結束語

針對傳統實驗教學高階性不夠、參與度不夠、創新性不夠的問題，提出了基于OBE理念的實驗教學方案。與傳統的教學過程相比，基于OBE理念的實驗教學方案，以目標為導向，通過讓學生根據要解決的問題制定實驗方案，利用虛擬實驗技術進行實驗研究，提高了學生的參與度。成績考核參考學生制定實驗方案的過程與可行性、虛擬實驗建模過程及數據分析能力，有益于過程評價加強。改革后的實驗教學過程更有利于培養學生解決工程實踐問題的能力，為其他實驗教學方案的制定提供了參考。