信息化背景下基于OBE理念的《電氣控制》課程改革探索

何杭鋒，劉姝廷，史旭華，葛英輝

（1.寧波大學，浙江 寧波 315211；2.沈陽工學院，遼寧 撫順 113122）

1 前言

OBE（Outcome Based Education）是一種基于學習產出的教育模式，其基本理念是以學習者的成果產出為教育的目標，進而反向設計教學方案。培養目標不再一成不變，而應該根據國家導向和人才需求設置與時俱進的培養目標，調整相應的教學內容。并且，基于國家要求、企業反饋、學生自評和教師評價不斷地完善和改進教學方案，提高教學質量。同時，由于人才需求的多樣化，設置多樣化的學習目標，改變學生的學習驅動力，使其能夠主動接收新知識。通過學生積極主動的學習和實踐，提高學生獨立思考和綜合運用知識解決復雜工程問題的專業能力。

本文以《電氣控制》課程為例，探索研究信息化背景下基于OBE理念的課程改革?！峨姎饪刂啤肥且婚T理論結合實踐的課程，通過實驗課不但可以幫助學生鞏固和加深對所學理論知識的理解，還能提高學生對課程內容的興趣，建立理論與工程實際之間的聯系，培養和訓練學生的實驗技能和動手能力。如何培養掌握復雜工程中電氣控制問題的分析和設計能力，滿足行業人才需求的學生是本課程的目標。

2 信息化背景下《電氣控制》課程培養目標的要求

當今社會，全球信息化的浪潮席卷著世界的每一個角落，21世紀將是一個信息化、知識化和全球化高度發達的社會。尤其是在國際產業變革趨勢下，黨中央提出《中國制造2025》國家行動綱領，要求中國制造業改變“大而不強”的現狀，實現產業升級。行動綱領的指導思想中強調要以新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，完善多層次類型人才培養體系。行動綱領的基本方針中明確指出，促進制造業數字化、網絡化、智能化，加快培養制造業急需的專業技術人才、經營管理人才和技能人才。

因此，在信息化背景下和《中國制造2025》國家行動綱領指導下，國家和社會對《電氣控制》課程的培養目標提出了新的要求：首先，課程需要結合新一代信息技術，提高學生綜合運用PLC技術和數字化、網絡化技術的能力；其次，課程要實現多層次、差異化培養，完善多層次人才培養體系；最后，課程需要融合人工智能技術，使學生掌握基礎的電氣設備智能控制技術。進而，相關專業的廣大畢業生能夠更好地服務社會，提高制造業智能化程度，早日把我國建設成為引領世界制造業發展的制造強國，為實現中華民族偉大復興的中國夢打下堅實的基礎。

3 《電氣控制》課程現狀

目前，大多學校該課程的教學主要采用教師講授結合實驗的方式，主要教學和教材內容包括常用低壓電器及基本電氣控制線路、變頻器與電機調速控制線路、可編程控制器的基本組成及工作原理、PLC的系統配置和基本指令及功能指令、PLC控制系統設計，實驗內容包括繼電接觸器控制系統、PLC認知實訓、裝配流水線控制、機械手控制、十字路口交通燈控制、溫度或者電機轉速的PID控制。教學內容上，主要以基本電氣控制線路、PLC基本功能指令、基于PLC的PID控制及相關模擬實驗為主。教學方法上，主要以授課老師講授、演示和學生實驗為主。

從現有的教學內容上來看，雖然現有內容中有A/D采樣等數字化技術內容，但是學生缺少對數字信息可視化和網絡化技術的學習。控制算法上主要包括邏輯控制和PID控制，智能化程度低。從教學方法上看，學生主要以被動學習知識點為主，實驗課程大多按照實驗指導書按部就班進行，不能進行自主選擇和擴展，導致學生學習主動性和成就感較低。

4 基于OBE的《電氣控制》課程教學改革

4.1 基于OBE的課程教學目標

根據寧波大學電氣工程與自動化專業人才培養方案，結合信息化背景和國家及行業需求，制定如下培養目標。

（1）掌握電氣的基本知識，包括熟悉與電氣行業相關的技術標準、行業規范、知識產權、產業政策和法律法規，理解不同社會文化對工程活動的影響，掌握可編程邏輯控制器的基礎知識。

（2）掌握PLC的基礎軟件編程與程序設計，能夠針對電機調速、溫度調節等典型電氣控制系統進行程序設計和軟件編程。

（3）掌握S7-1500 PLC的網絡通訊編程和程序設計，并且基于網絡通訊進階掌握一種或多種以下能力：變頻器綜合應用、WinCC上位機設計、S7-1500 TM NPU神經網絡模塊應用和自抗擾控制算法在PLC中的部署應用等。

在此基礎上，定期開展人才需求調研，按照圖1所示的流程持續改進培養目標。

圖1 培養目標持續改進流程

4.2 基于OBE的教學設計

根據《電氣控制》課程的教學目標，對教學內容進行調整，分配各知識模塊對應的學時、預期學習效果及教學形式?！峨姎饪刂啤氛n程總學時為60學時，包括44學時理論課和16學時實驗課，以20學時為1學分，共3學分。為滿足行業用人需求，預期教學效果從純理論知識轉向理論結合實踐，從程序設計轉向系統設計。課程分別以三個培養目標為預期教學效果，在常見電氣知識的基礎上提高學生對復雜工程問題的分析和系統設計能力。在教學形式上，理論課部分以教師為主導，以學生為主體，強調雙向性，在充分利用教師引導作用的同時，發揮學生主觀能動性。實驗課部分以學生為主導，把學生作為學習的主動探索者，留給學生足夠的時間和空間，發揮學生的自主性和創造性，提高學生自主獨立分析問題和解決問題的能力。

在具體內容上，理論課部分增加PLC網絡通訊課程內容，包括以太網通訊技術、RS-485通信技術和CAN總線通信技術，提高學生信息化技術水平?？紤]到總課時有限，實驗課減少PLC認知實訓和裝配流水線控制、機械手控制等模擬實驗的課時。利用校內鍋爐水位虛擬仿真系統和PLC VR虛擬仿真系統代替模擬實驗，訓練學生的基礎電氣控制系統設計能力。相比于模擬實驗，虛擬仿真實驗平臺具有自由度大、遠程學習和不占用大量課堂學時的優點，學生可以隨時遠程自由聯系，根據自己的水平和興趣愛好設計、搭建和實施多樣化的電氣控制系統。優化的課時可以增加變頻器綜合應用、WinCC上位機設計、S7-1500 TM NPU神經網絡模塊應用和自抗擾控制算法在PLC中的部署應用等相關內容，通過網絡化教學平臺和教師輔導，引導學生自學和自主設計實驗。通過引入網絡化教學平臺和虛擬仿真平臺，優化教學內容和課時安排，將部分內容轉移到線上教學，線下教學增加更多的信息化、網絡化和智能化的實物實驗，提高學生獨立解決復雜電氣工程問題的能力。

并且，基于OBE理念按照圖2所示的機制定期調整教學方案。其中，“反饋與改進①、⑨”表示根據課程教學設計、課程教學評價中的反饋，對課程教學目標和畢業要求及指標點之間的映射關系進行改進?！胺答伵c改進②、④、⑦”表示依據來自課程教學資源建設過程、教學實施過程或課程教學評價的相關反饋對教學設計進行持續改進?！胺答伵c改進⑤”表示依據達成評價中發現的問題與不足對教學目標進行持續改進?！胺答伵c改進③、⑥、⑧”表示依據課程教學實施過程或課程教學評價的相關反饋對教學資源進行持續改進。

圖2 基于OBE的課程教學調整機制

4.3 基于OBE和競標機制的課程考核

基于OBE教學理念，課程在圍繞教學目標進行教學方案設計的同時，也應該根據教學目標進行課程考核和評價。不同的教學目標應當采用不同的考核方式，以增加考核的合理性。對于教學目標1對應的電氣行業概念、定義和可編程邏輯控制器的基礎知識點以期末卷面考試為主，平時作業和課堂互動為輔；對于教學目標2對應的PLC的軟件編程、程序設計和典型電氣控制系統設計等設計及其實施能力以期末卷面考試和實驗考核為主，平時作業為輔；對于教學目標3對應的信息化、網絡化和智能化等高級應用以實驗考核為主，技術報告為輔。具體考核比例如表1所示。

表1 課程考核

由于基礎知識和典型控制系統是統一教學與實驗，教學目標1和教學目標2的考核可統一進行。但是教學目標3對應于不同的實驗，學生根據自身的基礎和興趣愛好進行選擇。教學目標3對應實驗在具有高度自主性的同時也給公平考核和評價帶來了困難。如何制定公平合理，讓學生認可的評價機制是信息化、網絡化和智能化高級應用實驗順利實施的關鍵因素之一。

模擬企業項目競標流程，以教師為甲方，以學生團隊為乙方。通過教師對任務的講解和學生文獻查閱，讓學生了解各個項目的基本要求，設計電氣控制系統方案，并標注競標分數參與競標。教師根據方案和競標分數，考慮實驗室設備臺套數，選擇每個項目適合的團隊。若學生完成項目基本要求，可以獲得該項目所有中標團隊競標分數的平均分。若能夠在設計和功能實現上有較好的創新和提升，優于其它同項目團隊，可獲得加分。通過教師和學生的雙向選擇，使得不同的項目能夠具有相對公平的評分機制。

5 實踐效果

將本文所述的產業信息化背景下基于OBE理念的課程改革在本校2019級電氣工程及其自動化專業進行實驗。相較于2018級學生，本課程的優良率大幅提高，不及格率有所降低。學生實驗表現大幅改善，學習積極性高。一方面，虛擬仿真實驗給了基礎較差的學生足夠的時間進行仿真實驗，在此基礎上實物實驗表現大幅提升。另一方面，信息化和智能化的高級應用極大地激發了基礎較好的學生對本課程的學習積極性，并且在相關西門子競賽中取得較好的成績。因此，大部分學生在掌握基礎電氣知識的同時，都能夠初步具備解決復雜電氣工程問題的能力，達到課程培養目標。

6 結語

基于國家導向和行業人才需求，本文對《電氣控制》課程的教學目標進行了梳理和補充。通過虛擬仿真實驗平臺優化課時，并根據OBE理念圍繞教學目標改革更新了教學內容和教學方案。同時，引入競標雙向選擇機制，解決了不同實驗項目的公平評價問題。通過實踐，本文提出的《電氣控制》課程改革能夠大幅提高學生的學習積極性，提高學生解決復雜電氣工程問題的能力。