基于OBE理念的电力拖动自动控制系统实验教学改革探索

曹建平

摘 要 以OBE教育理念为指导，从制定实验目标、调整实验内容、改进实验教学方法、改善实验考核方式和持续改进五个方面，对电力拖动自动控制系统实验进行改革，着重培养学生自主学习能力、分析问题与解决问题能力、创新和工程实践能力。改革效果较显著，学生在竞赛、毕业设计、考研和就业等方面取得一定的成绩。

关键词 OBE教育理念；电力拖动自动控制系统；实验教学；虚拟实验；MATLAB

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：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

電力拖动自动控制系统是电气工程及其自动化专业一门非常重要的专业核心课程，综合了“电机”“电力电子技术”“自动控制原理”等课程的相关知识[1]，综合性高、应用性强，学生学习起来难度比较大。因此，电力拖动自动控制系统实验作为该课程的一部分，显得尤为重要，一方面可以帮助学生理解和巩固理论知识，另一方面可以锻炼学生的动手能力及分析问题、解决问题的能力。

但是，目前这门课的实验教学存在一些问题，例如：教学中强调“教”而非“学”，学生对教师的依赖性很强，缺乏独立性；实验教学缺乏目标，学生即使完成实验项目，对系统的接线和其中的原理也一知半解，分析问题和解决问题能力不足；部分学生对实验的积极性不高，在实验过程中较懒散，模仿接线与抄袭实验数据；等等。这些问题使实验效果大打折扣，对学生巩固理论知识和锻炼实践能力的作用不明显。

在工程教育认证的大环境下，武昌首义学院将OBE理念引入教学中，在电力拖动自动控制系统实验教学中也采用OBE模式教学，以该教学模式来改善实验效果。在教学中从以教师为中心转变为以学生为中心，在该思想的指导下安排实验内容，强调学生的实验成效，并以该导向确定实验教学目标和实验考核方式，采用课堂教学、虚拟实验、传统物理实验和课后开放实验相结合的形式[2]，对学生的实验成绩进行分析评价，持续改进教学，提高学生自主学习能力、分析问题与解决问题能力及工程实践能力。

2 OBE教学理念

OBE（Outcomes-Based Education）是一种基于学习产出的教学模式，它的核心理念是“以学生为中心”“以成果为导向”“持续改进”[3-4]。20世纪八九十年代，OBE教育模式在美国、澳大利亚等国家的基础教育中得到广泛应用。这种教育模式注重学生学习的产出分析，反向设计学生的教育结构评价体系，从而快速提高教学质量[5]。

在OBE教育理念中，教育者需要对学生毕业时具备什么能力有清晰的构想，然后设计合适的教育结构以保证学生达到这些能力。OBE模式关注的是学生学习的产出，与传统的注重教学内容与投入的教学方式有着本质的区别，它是教学模式的一种革新，对工程应用型人才的培养有着十分重大的意义[6]。

3 基于OBE理念的实验教学改革措施

OBE核心教育理念是“以学生为中心”“以成果为导向”“持续改进”，在该核心理念的指导下，将电力拖动自动控制实验从实验教学目标、实验内容、实验教学方法、考核方式、评价反馈等方面进行改革。

制定实验教学目标 根据电气工程及其自动化专业学生培养目标和毕业时要达到的能力，并依照电力拖动自动控制系统的教学大纲，经过相关理论课程和实验课程教师的多次讨论，制定电力拖动自动控制系统实验的教学目标：一是掌握直、交流调速系统的结构、工作原理及接线方法；二是具有系统检查与排除实验故障、分析实验数据的能力；三是具有系统建模仿真、设计的能力。

调整教学内容 在改革前，学校电力拖动自动控制系统实验项目有三个，分别为不可逆单闭环直流调速系统、双闭环晶闸管不可逆直流调速系统、交流变频调速系统。为了实现教学目标，培养学生工程应用能力，做到以学生为中心，调整实验教学内容的具体实施过程。

首先向电气高一级的学生收集与该实验相關的建议，从建议中分析学生的意见，主要包括三方面：第一、二次实验都采用四节课的学时，时间过于充裕，实验教学不饱满；在第二次实验中，调节PID的参数需要用螺丝刀调相关的仪器，对参数进行调节，调节的过程比较盲目，波形很难达到稳定，即使最后系统调整到稳定了，具体参数为多少，学生也不知晓；实验项目比较少，只有三个，对学生能力的提升很有限。同时从已毕业的学生那里收集企业需求的反馈，较多学生认为熟练掌握变频技术和PLC控制，对电气专业学生就业非常有利。

因此，结合电气高年级学生的实验建议和已毕业学生对企业需求的反馈，对实验教学内容进行调整，具体为：将第一次和第二次实验项目合并为一次，增加双闭环直流脉宽调速系统项目，增加PLC变频调速系统实验作为课后开放实验。通过调整，丰富了实验教学内容，学生的参与度高，为调动学生的实验积极性做了一定的准备。

改进实验教学方法 为了确保达到预期的实验教学目标，基于OBE教育理念，将实验教学模式改为课堂教学、虚拟实验教学、传统物理实验教学、课后开放实验教学相结合的形式。在课堂教学中，涉及与实验相关的理论知识着重提出，布置与实验相关的思考题，为学生做实验打下基础，同时引导学生理论结合实际。

将MATLAB仿真软件引入虚拟实验教学中，特别是针对双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验，学生可以先计算出系统稳定时的PID数值，通过调节相关模块的参数，系统的波形可以快速稳定，且参数具体直观，同时可以方便地仿真实验中的多种情况。传统的实验教学以学生动手操作为主，学生根据系统的结构，利用实验台进行导线搭建。在实验过程中，实验教师仅仅起引导作用，学生自主接线，分析故障、解决故障，提高动手能力、分析问题及解决问题能力，树立工程应用意识。

课后开放性实验主要是将PLC和变频调速技术综合在一起，让学生通过图书馆和网络自主查资料，确定设计方案，对系统进行接线调试，培养学生自主独立性，提高创新和设计能力。

改善实验考核方式 以学生学习成果为导向的考核方式，将从原来单一的实验报告定成绩，改变为从实验前准备、实验过程、实验报告及课后开放实验四部分对学生进行评价并给出成绩。实验前准备主要考核学生是否认真预习实验，有没有带着问题进实验室，对实验是否搭建仿真模型，仿真波形是否正确等，占实验总成绩的10%；实验过程考核学生学习态度是否端正认真，能否正确使用实验仪器，能否正确接线及排除故障，能否正确回答教师提出的问题，能否按要求完成实验，占实验总成绩的50%；实验报告考核学生实验报告是否撰写规范，绘制的电路是否正确，实验数据处理是否合理，实验结果分析是否正确，占实验总成绩的30%；课后开放实验的考核，包括学生设计方案是否合理，实验接线和调试是否正确，实验数据和结果是否合理，占实验总成绩的10%。

持续教学改进 OBE教育理念注重的是学生的学习效果，为了验证实验目标是否完成，对学生的实验成绩进行评价分析，设定各个目标合格达成度标准值为0.65（学校统一规定的数值）。经过计算，实验目标一达成度为0.81，达成度较好，反映了学生对直、交流调速系统的结构、工作原理及接线方式掌握较好，具备一定的实践动手能力；目标二达成度数值为0.73，达成度一般，表明学生对检查与排除故障及分析数据的能力一般，在这方面有待提高；而目标三的达成度值为0.66，虽然达到合格标准，但学生设计和系统仿真能力仍有所欠缺，需要花大力气改进这方面。

通过对目标达成度的分析，教师可以很直观清楚地看出学生哪些能力是已经达到的，哪些能力有待提高，哪些能力是欠缺的，使教师对学生的能力有比较清晰的把握。

通过目标达成度分析，出现以上问题的主要原因在于：学生对实验中存在的故障不可预知，并且分析时间有限；学生对MATLAB仿真软件不太熟悉，自学有一定的难度；设计性的内容讨论较少。

针对这些问题，电力拖动自动控制系统理论教师和实验教师经过多次讨论，最后决定从以下三个方面进行改进。

1）在理论教学中增加两个学时的MATLAB仿真教学，让学生对MATLAB仿真软件有初步的了解并具备一定的使用能力，为虚拟实验教学打下基础。

2）在实验前布置相关故障的思考，为实验过程中检查和排除故障做好准备。

3）对于开放实验，在实验前至少进行两次讨论和答疑，提升学生的设计能力，确保设计方案的正确及可实施性；在实验过程中，学生通过多讨论、多尝试，同组的学生共同完成系统的接线和调试，调动学生的学习积极性，培养学生分析问题、解决问题及创新的能力。

改进措施在下一届学生中实施，根据评价结果，动态调整教学实验目标、实验内容、实验方法及实验考核方式，做到持续改进。

4 结束语

基于OBE教育理念对电力拖动自动控制系统实验教学进行改革，在改革中始终坚持以学生为中心，以学生学习效果为导向，以持续教学改进为动力，使学生对该课程理论知识的理解更透彻，提高了学生的学习兴趣与自学能力，培养了学生分析与解决问题能力、创新能力及工程实践能力。改革效果较显著，学生屡次在全国大学生电子设计竞赛中获奖，毕业设计论文省优秀、校优秀的数量增加，考研和就业竞争力也有提升。今后将继续总结经验，将OBE教学理念更好地运用在教学改革中，培养更契合社会需求的人才。

参考文献

[1]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]王晓琳.电力拖动控制系统教学中的探索与实践[J].科技信息，2007（3）：9-10.

[3]李志义，朱泓，刘志军，等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究，2014（2）：

29-34，70.

[4]郑兆兆.基于OBE模式的数字电路实验教学的探讨[J].实验科学与技术，2016，14（4）：184-185，206.

[5]顾佩华，胡文龙，林鹏，等.基于“学习产出”（OBE）的工程教育模式：汕头大学的实践与探索[J].高等工程教育研究，2014（1）：27-37.

[6]程超，刘诗琼，刘红岐，等.基于OBE理念修订人才培养方案：以西南石油大学勘查技术与工程专业为例[J].中国地质教育，2016，25（1）：41-44.