新工科背景下基于OBE的电气工程专业实训体系的构建

2020-04-22姜斌曹永成王强吴琼

高教学刊 2020年12期

姜斌曹永成王强吴琼

摘要：依托新工科的建设背景，在电气工程及其自动化专业的综合实训体系进行了研究和探索，引入成果导向的教育理念，从教学产出、教学目标、教学环节进行设计，建立了“三位一体”的综合实训系统体系，整合衔接了相关课程模块的内容，增强了知识体系构成系统的立体感，提高了学生解决复杂工程问题的能力和创造力，加快了学生的就业适应力和竞争力，同时也提升了学生就业的职业素养，为相近专业人才培养和实践体系的建设提供了参考。

关键词：新工科;成果导向;实训体系;电气工程

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：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

新科技革命和产业变革的浪潮推动我国的高等教育内涵式发展，需要加快培养新兴领域工程科技人才，進而需要工程实践能力和创新能力更强的高素质“新工科”人才[1-2]。新工科明确提出要面对区域经济和产业升级，培养具有工程实践能力，胜任行业发展需求的应用型和技术技能型人才[3]。

基于成果导向的教育理念是上世纪80-90年代在美国和澳大利亚的教育改革中提出的[4]，并随之在工程教育认证和教学改革中获得认可，它是将学生的学习成果作为驱动力的一种教学理念。

为了更好地达到新工科对学生工程实践能力和应用创新型人才培养的要求，在综合实训环节，做好电气工程及其自动化专业相关知识的整合和贯通，要求学生能够熟练掌握专业的相关知识，为具备一定的工程实践能力和将来独立解决工程问题打下基础。

二、传统实训环节存在的问题

在传统的以教学内容作为驱动力的教学模式中存在着“重理论、轻实践”的倾向，这就容易在一定程度上制约了学生的应用和创新能力的培养;受单一实验平台资源的制约，使得学生缺乏系统性的综合训练，容易形成知识模块的断裂，不利于学生解决工程问题能力系统性的培养;实训分工和评价体系不完备，也在某种程度上制约学生的团队意识和基本职业素养能力的培养[5-6]。

三、电气工程专业综合实训体系的构建

“三位一体”综合实训体系（见图1）是在新工科的背景下，以学生作为教学主体，以成果导向理念[7]作为教学思想建立的，在实训模块分为3类模块化的综合项目，综合实训环节分测控应用系统、工控应用系统、电力电子和电气传动系统等 3 项实施，各以典型系统为主线，教学包括现场讲授、设计、制作、装调和测试等动手环节，也包括软件开发或仿真、上网调研购件、经验交流、中英文资料分析、撰写总结报告以及专业应用能力指标的考核验收等多项工作，要求教师以导师的方式尽力弥补前面教学过程中的不足并引领学生通过团队协作、分工解决工程实践问题。

（一）测控应用模块的建立

以测控应用模块的项目之一超声波测距系统的组建和应用为例说明基于OBE理念的实践环节的设计（见表1）。

超声波测距在智能驾驶、工业障碍物检测等方面有广泛地应用，作为一种典型的非接触测量有着实际应用价值，采用模块化的思想进行设计，构建单片机最小系统模块，测距模块，显示模块等部分[8-9]，方便学生分工协作完成，并且后续可以利用基础的单片机最小模块与不同的传感器相结合，进行其他测量信息的采集和应用的拓展。

超声波测距系统的总体设计框图和分组设计实物图如图2和图3所示[10]：

此部分测控应用模块还有其他题目可供学生选择，例如人体红外测温、家居烟雾浓度、环境温度湿度检测等等，学生也可以根据自己查阅的资料，与导师选定适宜的其他题目，有助于学生对传感器与检测技术、单片机原理与应用、C语言程序设计、嵌入式系统、印刷电路板的设计与制作等课程知识的整合和顺利对接，培养学生的检测与电路设计、单片机应用和软件编程能力。

（二）工控应用模块的设计

通过PLC实现罐体的液位控制，变频器带动水泵为罐体输送液体，浸入式压力传感器传送实时液位数据，通过网络在上位机显示系统工作情况，上位机的画面可以观测工作数据、实时报警、远程控制、制造报表等工作[11-12]，基于OBE理念的教学环节设计如表2所示。

罐体液位控制：图4～图7为液位控制的主页面，包括罐体的液位动画显示和实时数据，通过画面的按钮可以实现远程的罐体上水、排水等工作。通过左侧的标签可以在主页面、液位图、报警页面、专家报表之间转换。

此部分工控应用模块采用力控组态软件，在PLC自动控制技术的基础上展开远程监控、远程控制，综合应用了自动控制原理、PLC技术、网络技术、过程控制、传感器、电机调速等多门课程知识，属于综合实践应用较强的科目，通过学习可以对工程问题有较为清晰的认识。通过工业控制模块的归纳和工业网络控制技术的综合应用，学生对工业控制由各门课程的知识片段转化为应用实践，锻炼了工程思维能力。

（三）电力电子和电气传动系统

电力电子和电气传动系统的项目之一——转速、电流双闭环直流调速系统的仿真为例说明基于OBE理念的实践环节的设计（见表3）。

在很多实际的生产中，由于加工、运动等的工艺要求，电动机经常需要启动、制动和反转的过渡过程中，因此，他们在很大程度上决定了其生产效率，而如果仅仅使用PI调节器的转速反馈单闭环调速系统，其性能不是很理想。采用速度调节器和电流调节器的双闭环直流调速系统来调节，设计的两个调节器均为PI调节器，能够获得比较理想的静态和动态性能[13-15]。

转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型图如图8：

此部分模块还有其他题目可供学生选择，例如高功率因数的交流-直流变换器、逻辑无环流可逆直流调速、DC-DC变换器的设计等等，学生也可以根据自己查阅的资料，选定适宜的其他题目，有助于学生对电力电子技术、电力电子技术应用、电力拖动自动控制系统、仿真技术应用等课程知识融合，培养学生在电力电子和电力传动方面的实际能力，增强解决生产生活中复杂的控制工程问题的能力，增强学生的创新能力。

四、结束语

结合新工科的教育背景，基于OBE的教育理念进行电气工程专业综合实训实践教学环节的设计，从情感教学目标上激发学生对于专业的热爱，从理论教学目标上提高学生对于专业知识的综合运用和解决实际工程问题的能力，充分激发学生的自主学习和应用创新能力，为将来就业能够迅速进入岗位角色打下坚实的基础。

参考文献：

[1]林菲，龔晓君，马虹.新工科背景下软件工程专业创新实践体系构建[J].实验技术与管理，2019，36（05）：181-183，219.

[2]王亚良，潘柏松，董晨晨，等.新工科背景下的机械类创新设计性实验项目群设置与实施[J].实验室研究与探索，2019，38（06）：162-167，175.

[3]“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究，2017（01）：10-11.

[4]赵健，范士杰.基于OBE理念的高校工程教育实践教学模式创新研究[J].高教学刊，2018（20）：32-34.

[5]杜晓炜，聂立.基于“职业人”培养的应用型院校实践教学创新研究[J].教育与职业，2018（23）：99-102.

[6]李红，赵修臣，石素君，等.基于OBE理念的电子封装技术专业实践教学研究[J].实验室研究与探索，2019，38（4）：212-214，226.

[7]李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念[J].中国高等教育，2014（17）：7-10.

[8]赵同刚，史新天，刘人豪.改革测距实验提升光信息专业学生实践能力的探索[J].实验技术与管理，2019，36（5）：135-137，143.

[9]董云峰，董迎霞.基于单片机的倒车雷达系统的设计[J].大庆师范学院学报，2019，39（3）：46-50.