基于OBE理念的“現場總線技術”課程改革探索

作者簡介：寧勇強（1992—），男，助教，碩士；研究方向：計算機網絡技術。

摘要：為進一步提高“現場總線技術”課程的教學質量，文章分析“現場總線技術”課程教學中存在的問題，在產出導向教育（OBE）理念的引領下，從重構教學內容、轉變教學方式和優化評價體系3個方面提出改革思路和具體舉措。課程的教學改革效果表明該舉措能夠提高學生的學習積極性，提升教學質量和學生的學習效果，培養學生獨立思考和解決問題的能力。

關鍵詞：現場總線；課程改革；OBE；學生為中心

中圖分類號：G642文獻標志碼：A

0引言

當前，國家推動創新驅動發展，實施“中國制造2025”等重大戰略，同時，新技術、新模式、新產業不斷涌現，對工程科技人才提出了更高的要求，故迫切需要對新工科專業進行教學改革。產出導向教育（Outcomes-BasedEducation，OBE）是一種以學生為中心、以產出為目標導向、以持續改進為驅動力的教育理念［1］。OBE理念將“以教學內容為本”的教學模式轉化為“以學生為中心”的教學模式，注重培養學生的實踐創新能力，提高學生的綜合素質。

“現場總線技術”課程是高等院校電氣自動化和智能制造等專業開設的一門核心專業課，旨在培養學生在“現場總線技術”中的理論知識和應用能力，具有總線類型數量多、協議知識抽象復雜、課程綜合性和應用性強、學生學習難度大等特點。為了貫徹OBE理念，構建以學生為中心的教學體系，不斷提高教學質量，結合現場總線課程特點，本文針對課程教學中存在的問題進行了課程改革探索。

1課程教學存在的問題

11教學內容陳舊，難以達到學生培養目標

現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節點數字通信的技術［2］。當前，國內開設該課程的高校教學內容主要包括現場總線的基礎概念、特點、發展趨勢，EIA-232-D和EIA-485串行通信接口技術以及工業控制系統廣泛使用的現場總線協議，如LonWorks控制網絡、FF技術、PROFIBUS總線技術、CAN總線技術、DeviceNet總線技術和AS-i總線技術等。

課程教學內容陳舊，難以達到學生培養目標。（1）“現場總線技術”課程內容涉及通信、電子技術和單片機等多課程，對學生的基礎知識要求較高，當前教學內容容易導致學生在學習中存在知識點的脫節，難以接受和理解的問題。（2）由于現場總線類別很多，各種現場總線協議知識復雜抽象，導致教學內容龐雜，加大了學生的學習難度。（3）隨著新型現場總線技術的興起，工業控制領域出現了一些新的重要的工業控制總線，但是教學內容尚未涉及。

12教學方式單一，沒有體現以學生為中心

傳統線下教學是以教師為中心，學生被動接收課程知識，這種教學方式在過去一段時期被廣泛采用，有其實用性?；凇艾F場總線技術”課程特點，傳統教學容易導致教師難教、學生難學的問題，師生難以提高教學質量。首先，當前教學趨向于教師講，學生聽的“單聲道”形式，學生往往充當被動接受者的角色，很少發揮學生的自主意識和探索精神，很少開展學生研討和交流，忽視了以學生為中心，不利于培養學生獨立思考和解決問題的能力。其次，教師往往關注知識點的講授，而忽視了課程的應用性介紹，無法體現課程的應用價值，學生難以感受到知識和技術的魅力。最后，課程沒有開展實驗教學，面對抽象的理論知識，學生普遍存在學習積極性不高的問題，進一步增大了課程的學習難度，也無法鍛煉學生解決問題的實踐能力。

13評價體系受限，不利于考核學生能力提升

傳統的“現場總線技術”課程考核方式不夠完善，強調總結性考核，關注學生期末對于知識點的掌握和出勤及作業情況，體現在期末考試成績占比70%，平時分占比30%。對于傳統的總結性考試，不少學生存在平時不學，考前突擊，導致學習熱情不高或者被動學習的情況。本課程知識點較多，考試結果很難分出層次，未必能體現學生真實水平，不利于考核學生的能力。平時作業考核主要是根據學生的作業完成情況，但當前存在較嚴重的抄襲現象，不利于提高學生的學習積極性。出勤考核主要是根據學生的到課情況來考核，存在學生到教室但不在學習的情況，教師并不能控制學生的關注度，學生到課和能力提升之間沒有必然的聯系。

2課程教學改革探索

21立足產出導向，重構教學內容

本課程的教學目標包括知識目標、能力目標和素質目標3個方面，即幫助學生建立現場總線和控制網絡的基礎知識，掌握工業控制領域常用的現場總線技術，培養學生應用現場總線技術解決實際問題的能力，提升學生的探究意識和實踐能力，實現“知識傳授和價值引領”相結合，培育社會主義接班人。立足產出導向，重構教學內容，本文設計出“以基礎知識為依托”“以四大總線為主體”“以新興技術為引領”的內容體系。

211以基礎知識為依托

“現場總線技術”課程是一門綜合性的課程，涉及“數據通信與計算機網絡”“電子技術”“單片機技術”“微處理器技術”“嵌入式系統”和“數字信號處理”等課程［3］。因此，為了幫助學生更好地學習各類總線協議，教師在課上安排6個課時的時間介紹相關基礎知識，幫助學生建立起學習“現場總線技術”的基礎。同時，教師需要介紹現場總線技術的基本概念、特點、發展歷程和趨勢等基礎理論。

212以4大總線為主體

現場總線技術經歷了40多年的發展，國際上出現了幾十種現場總線標準協議，國際電工技術委員會／國際標準協會IEC/ISO1999年制定的IEC61158標準涵蓋了8種總線協議。2007年第4版現場總線標準IEC/ISO61158Ed.4納入了20種總線協議（后取消了1種）；IEC61158-1∶2014包含了19種總線協議；IEC61158-1∶2019納入了21種總線協議［4］。為了減少現場總線的學習內容，降低學習難度，同時考慮到學生的知識能力需要，參考教學目標達成，教師在課上主要講PROFIBUS、FF、LONWORKS、CAN4種現場總線。這4大總線是當前應用最廣泛，具有代表性的總線，課上重點幫助學生掌握4大總線的協議知識和技術應用，培養學生的總線分析和實踐能力。

213以新興技術為引領

未來的工業控制將從封閉走向開放，基礎設施從專用走向通用，業務部署從本地單體走向邊云/邊邊協同，業務應用從控制走向涵蓋多層次融合的泛控制［5］。近年來，工業領域出現了許多新的熱點現場總線技術。AUTBUS被國際電工委員會工業測控和自動化技術委員會（IEC/TC65）列入國際總線標準，也是目前國際上唯一基于時間敏感技術和互聯網協議第6版（IPv6）技術的兩線制寬帶總線國際標準［6］。AUTBUS是一種采用兩線非橋接媒介，具有多節點、大帶寬、高實時、可遠距離傳輸的工業現場總線，通過總線式組網結構能最多支持254個有效節點。隨著以太網技術向總線技術的滲透，出現了多種工業以太網總線協議，工業以太網通信速率高，能很好地滿足機器人技術、智能技術對控制網絡帶寬、性能以及靈活性的要求。此外，5G網絡、確定性網絡、窄帶物聯網（NB-IOT）、遠距離無線電（LoRa）、邊緣計算、智能網絡等技術的出現也為現場總線技術的發展注入了新的活力。因此，為了實現多學科多課程的邏輯貫通，融合前沿技術發展領域，支撐智能制造和工業互聯網縱深發展，提升課程“兩性一度”，提高人才培養質量，教師需要在課堂上介紹新興總線技術。

22圍繞學生中心，轉變教學方式

在OBE理念引領下，課程在傳統講授式教學的基礎上引入案例式教學、探究式教學和實驗式教學，實現從“教什么”到“學什么”的轉變。教師開展案例式教學，將現場總線協議和具體案例深度融合，引導學生分析討論和總結，理解現場總線協議制定的原因及存在的問題，提高課程的實用性和趣味性。教師基于研究項目引入探究式學習，通過分組學習和課堂討論幫助學生掌握總線協議特別是新興技術。教師開展實驗式教學，為幫助學生更好地理解總線協議，創造性地開展現場總線協議驗證實驗。

221開展案例式教學

現場總線技術廣泛應用于工業生產領域，課程具有很強的實踐性和應用性。因此，課程不僅需要介紹現場總線的基本理論，更應該分析現場總線在實際生產場景中的應用。教師通過提供現場總線應用的具體案例，如CAN總線在機器人領域上的應用，Lonworks總線在智能樓宇上的應用，PROFIBUS總線在污水處理廠、冶金廠和核電站等實際應用場景［7］，引導學生通過分析、討論和總結的方式學習總線協議規范，來形成對各類現場總線的客觀認識。教師通過案例式教學提高學生的課程參與度，培養學生的溝通表達和總線應用能力。

222開展探究式教學

教師通過引導學生自主學習和研究現場總線標準協議并開展討論，有利于以學生為中心提高學生的課堂參與度，增加課堂的學術性和創新性。具體做法是4個學生分成一組，每組選擇1個學習內容，先以小組的形式學習和討論，然后小組成員在課堂上分享，分享結束后其他學生提問，老師點評。例如：在講到新興技術如確定性網絡、AUTBUS、ZigBee、無線網絡藍牙、WLAN和5G時，教師布置每小組選擇1種現場總線開展探究。由于現場總線都是協議和國際規范，教師只講解協議的下載和學習探究方法，學生下載總線協議，通過閱讀英文原文，理解現場總線的設計和方案，做成報告在課堂分享。這個過程有利于培養學生的思維能力和表達能力，激發了學生的學習興趣。

223開展實驗式教學

現場總線協議復雜抽象，學生不易理解，單純的理論教學容易出現內容空洞，學習無趣的情況。實驗式教學是新工科能力培養的重要環節，對于提高學生的實踐能力和創新能力具有重要作用。在“現場總線技術”課程中，教師介紹了多種現場總線的連接及控制方法，但是缺少對這些理論講解的實驗仿真和驗證，學生無法獲得實際體驗和認識。因此，將理論和實踐相結合，利用學院的實驗條件，增加實驗環節。當前，課程已開展S7-200PLC與S7-300PLC的PROFIBUS-DP協議實驗、VC60編程控制的工業以太網協議實驗和Lonworks總線網絡通信性能仿真實驗3個實驗，通過實驗能夠讓學生掌握各種現場總線的連接和節點控制方法。

23突出學習成果，優化評價體系

在OBE理念引領下，突出學生學習成果，優化課程評價體系。課程改革采用基于過程性考核的方法實現學生學習成果的考核，以此引導學生達到技術、能力和綜合素質提升的教學目標。關注學習過程，優化評價體系，降低期末考試成績占比，增加小組探究、課堂互動和實驗完成情況考核，取消到課考勤，完善課后作業考核。優化后的課程評價體系為期末考試成績占比50%，小組探究占比20%，課堂互動占比10%，實驗完成情況占比為10%，課后作業占比為10%。

期末成績采取閉卷考試的方式考核，考查學生對于課程目標的達成程度，考試題目包括基本概念、基本理論、基本分析方法。題型采用填空題、簡答題、計算題和綜合分析題?？己藘热莞采w主要教學內容，體現課程目標和支撐的畢業要求指標的達成度的評價，側重考查學生應用現場總線技術分析問題和解決問題的能力。小組探究成績根據學生在探究式學習中的表現來衡量，具體地分為教師評價和小組成員評價兩部分。課堂互動成績根據在課堂上的討論、回答和交流情況確定，提高學生的課程參與情況，鍛煉學生的表達能力和思辨能力。實驗成績根據學生的實驗操作過程和實驗報告來評定，重點考核學生對于實驗理論和方法的掌握情況。課后作業成績根據學生作業完成情況考核，作業應避免簡單問答，鼓勵學生自主思考，獨立完成。教師批改后給出反饋意見，學生訂正，形成閉環。

3課程教學改革效果

“現場總線技術”課程教學改革實施后，取得了較好的效果。從期末考試成績上看，班級平均成績有較大提高，80分以上的學生比例比往年有所增加。大部分學生掌握了現場總線技術的基本知識、理論和方法，能夠利用現場總線技術分析和解決實際問題。從課堂參與情況來看，學生參與熱情明顯變高，教師提出的問題學生能夠積極舉手回答，有時學生之間能夠開展討論和交流，改變了以往沉悶的課堂氛圍。部分學生能夠提出新的問題，學生的學習積極性和思辨能力有較大的提高。從探究式學習開展情況來看，大部分學生能夠通過查找資料和閱讀論文分析現場總線協議，探究總線協議制定的邏輯，有學生根據課堂上發現的問題撰寫了論文，學生的自主學習精神和創新能力有所提高。

4結語

在OBE理念的引領下，本文對“現場總線技術”課程開展了教學改革，實現了從“以知識傳授為中心”到“以學生為中心”的教學理念轉變。通過重構教學內容，轉變教學方式，優化評價體系，實現了學生在現場總線知識獲取的與時俱進，提升課程的“兩性一度”，促進了學生的分析能力、創新能力和思辨能力的提升，大大提高了學生的學習興趣，實現了課程培養目標。

參考文獻

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［3］田莉，孫金秋，郭艷平.基于應用型人才培養模式下的現場總線技術教學改革探索［J］.科技經濟導刊，2020（33）：178-179.

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［5］黃倩，唐雄燕，黃蓉，等.面向工業互聯網云網邊端協同技術研究［J］.郵電設計技術，2022（3）：25-28.

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［7］彭輝，李恒，楊迎澤，等.面向通信工程專業的“CAN總線通信實驗”課程創新性探索研究［J］.工業和信息化教育，2022（3）：39-43.

（編輯王永超）