信息化背景下基于OBE理念的《电气控制》课程改革探索

何杭锋，刘姝廷，史旭华，葛英辉

（1.宁波大学，浙江 宁波 315211；2.沈阳工学院，辽宁 抚顺 113122）

1 前言

OBE（Outcome Based Education）是一种基于学习产出的教育模式，其基本理念是以学习者的成果产出为教育的目标，进而反向设计教学方案。培养目标不再一成不变，而应该根据国家导向和人才需求设置与时俱进的培养目标，调整相应的教学内容。并且，基于国家要求、企业反馈、学生自评和教师评价不断地完善和改进教学方案，提高教学质量。同时，由于人才需求的多样化，设置多样化的学习目标，改变学生的学习驱动力，使其能够主动接收新知识。通过学生积极主动的学习和实践，提高学生独立思考和综合运用知识解决复杂工程问题的专业能力。

本文以《电气控制》课程为例，探索研究信息化背景下基于OBE理念的课程改革。《电气控制》是一门理论结合实践的课程，通过实验课不但可以帮助学生巩固和加深对所学理论知识的理解，还能提高学生对课程内容的兴趣，建立理论与工程实际之间的联系，培养和训练学生的实验技能和动手能力。如何培养掌握复杂工程中电气控制问题的分析和设计能力，满足行业人才需求的学生是本课程的目标。

2 信息化背景下《电气控制》课程培养目标的要求

当今社会，全球信息化的浪潮席卷着世界的每一个角落，21世纪将是一个信息化、知识化和全球化高度发达的社会。尤其是在国际产业变革趋势下，党中央提出《中国制造2025》国家行动纲领，要求中国制造业改变“大而不强”的现状，实现产业升级。行动纲领的指导思想中强调要以新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，完善多层次类型人才培养体系。行动纲领的基本方针中明确指出，促进制造业数字化、网络化、智能化，加快培养制造业急需的专业技术人才、经营管理人才和技能人才。

因此，在信息化背景下和《中国制造2025》国家行动纲领指导下，国家和社会对《电气控制》课程的培养目标提出了新的要求：首先，课程需要结合新一代信息技术，提高学生综合运用PLC技术和数字化、网络化技术的能力；其次，课程要实现多层次、差异化培养，完善多层次人才培养体系；最后，课程需要融合人工智能技术，使学生掌握基础的电气设备智能控制技术。进而，相关专业的广大毕业生能够更好地服务社会，提高制造业智能化程度，早日把我国建设成为引领世界制造业发展的制造强国，为实现中华民族伟大复兴的中国梦打下坚实的基础。

3 《电气控制》课程现状

目前，大多学校该课程的教学主要采用教师讲授结合实验的方式，主要教学和教材内容包括常用低压电器及基本电气控制线路、变频器与电机调速控制线路、可编程控制器的基本组成及工作原理、PLC的系统配置和基本指令及功能指令、PLC控制系统设计，实验内容包括继电接触器控制系统、PLC认知实训、装配流水线控制、机械手控制、十字路口交通灯控制、温度或者电机转速的PID控制。教学内容上，主要以基本电气控制线路、PLC基本功能指令、基于PLC的PID控制及相关模拟实验为主。教学方法上，主要以授课老师讲授、演示和学生实验为主。

从现有的教学内容上来看，虽然现有内容中有A/D采样等数字化技术内容，但是学生缺少对数字信息可视化和网络化技术的学习。控制算法上主要包括逻辑控制和PID控制，智能化程度低。从教学方法上看，学生主要以被动学习知识点为主，实验课程大多按照实验指导书按部就班进行，不能进行自主选择和扩展，导致学生学习主动性和成就感较低。

4 基于OBE的《电气控制》课程教学改革

4.1 基于OBE的课程教学目标

根据宁波大学电气工程与自动化专业人才培养方案，结合信息化背景和国家及行业需求，制定如下培养目标。

（1）掌握电气的基本知识，包括熟悉与电气行业相关的技术标准、行业规范、知识产权、产业政策和法律法规，理解不同社会文化对工程活动的影响，掌握可编程逻辑控制器的基础知识。

（2）掌握PLC的基础软件编程与程序设计，能够针对电机调速、温度调节等典型电气控制系统进行程序设计和软件编程。

（3）掌握S7-1500 PLC的网络通讯编程和程序设计，并且基于网络通讯进阶掌握一种或多种以下能力：变频器综合应用、WinCC上位机设计、S7-1500 TM NPU神经网络模块应用和自抗扰控制算法在PLC中的部署应用等。

在此基础上，定期开展人才需求调研，按照图1所示的流程持续改进培养目标。

图1 培养目标持续改进流程

4.2 基于OBE的教学设计

根据《电气控制》课程的教学目标，对教学内容进行调整，分配各知识模块对应的学时、预期学习效果及教学形式。《电气控制》课程总学时为60学时，包括44学时理论课和16学时实验课，以20学时为1学分，共3学分。为满足行业用人需求，预期教学效果从纯理论知识转向理论结合实践，从程序设计转向系统设计。课程分别以三个培养目标为预期教学效果，在常见电气知识的基础上提高学生对复杂工程问题的分析和系统设计能力。在教学形式上，理论课部分以教师为主导，以学生为主体，强调双向性，在充分利用教师引导作用的同时，发挥学生主观能动性。实验课部分以学生为主导，把学生作为学习的主动探索者，留给学生足够的时间和空间，发挥学生的自主性和创造性，提高学生自主独立分析问题和解决问题的能力。

在具体内容上，理论课部分增加PLC网络通讯课程内容，包括以太网通讯技术、RS-485通信技术和CAN总线通信技术，提高学生信息化技术水平。考虑到总课时有限，实验课减少PLC认知实训和装配流水线控制、机械手控制等模拟实验的课时。利用校内锅炉水位虚拟仿真系统和PLC VR虚拟仿真系统代替模拟实验，训练学生的基础电气控制系统设计能力。相比于模拟实验，虚拟仿真实验平台具有自由度大、远程学习和不占用大量课堂学时的优点，学生可以随时远程自由联系，根据自己的水平和兴趣爱好设计、搭建和实施多样化的电气控制系统。优化的课时可以增加变频器综合应用、WinCC上位机设计、S7-1500 TM NPU神经网络模块应用和自抗扰控制算法在PLC中的部署应用等相关内容，通过网络化教学平台和教师辅导，引导学生自学和自主设计实验。通过引入网络化教学平台和虚拟仿真平台，优化教学内容和课时安排，将部分内容转移到线上教学，线下教学增加更多的信息化、网络化和智能化的实物实验，提高学生独立解决复杂电气工程问题的能力。

并且，基于OBE理念按照图2所示的机制定期调整教学方案。其中，“反馈与改进①、⑨”表示根据课程教学设计、课程教学评价中的反馈，对课程教学目标和毕业要求及指标点之间的映射关系进行改进。“反馈与改进②、④、⑦”表示依据来自课程教学资源建设过程、教学实施过程或课程教学评价的相关反馈对教学设计进行持续改进。“反馈与改进⑤”表示依据达成评价中发现的问题与不足对教学目标进行持续改进。“反馈与改进③、⑥、⑧”表示依据课程教学实施过程或课程教学评价的相关反馈对教学资源进行持续改进。

图2 基于OBE的课程教学调整机制

4.3 基于OBE和竞标机制的课程考核

基于OBE教学理念，课程在围绕教学目标进行教学方案设计的同时，也应该根据教学目标进行课程考核和评价。不同的教学目标应当采用不同的考核方式，以增加考核的合理性。对于教学目标1对应的电气行业概念、定义和可编程逻辑控制器的基础知识点以期末卷面考试为主，平时作业和课堂互动为辅；对于教学目标2对应的PLC的软件编程、程序设计和典型电气控制系统设计等设计及其实施能力以期末卷面考试和实验考核为主，平时作业为辅；对于教学目标3对应的信息化、网络化和智能化等高级应用以实验考核为主，技术报告为辅。具体考核比例如表1所示。

表1 课程考核

由于基础知识和典型控制系统是统一教学与实验，教学目标1和教学目标2的考核可统一进行。但是教学目标3对应于不同的实验，学生根据自身的基础和兴趣爱好进行选择。教学目标3对应实验在具有高度自主性的同时也给公平考核和评价带来了困难。如何制定公平合理，让学生认可的评价机制是信息化、网络化和智能化高级应用实验顺利实施的关键因素之一。

模拟企业项目竞标流程，以教师为甲方，以学生团队为乙方。通过教师对任务的讲解和学生文献查阅，让学生了解各个项目的基本要求，设计电气控制系统方案，并标注竞标分数参与竞标。教师根据方案和竞标分数，考虑实验室设备台套数，选择每个项目适合的团队。若学生完成项目基本要求，可以获得该项目所有中标团队竞标分数的平均分。若能够在设计和功能实现上有较好的创新和提升，优于其它同项目团队，可获得加分。通过教师和学生的双向选择，使得不同的项目能够具有相对公平的评分机制。

5 实践效果

将本文所述的产业信息化背景下基于OBE理念的课程改革在本校2019级电气工程及其自动化专业进行实验。相较于2018级学生，本课程的优良率大幅提高，不及格率有所降低。学生实验表现大幅改善，学习积极性高。一方面，虚拟仿真实验给了基础较差的学生足够的时间进行仿真实验，在此基础上实物实验表现大幅提升。另一方面，信息化和智能化的高级应用极大地激发了基础较好的学生对本课程的学习积极性，并且在相关西门子竞赛中取得较好的成绩。因此，大部分学生在掌握基础电气知识的同时，都能够初步具备解决复杂电气工程问题的能力，达到课程培养目标。

6 结语

基于国家导向和行业人才需求，本文对《电气控制》课程的教学目标进行了梳理和补充。通过虚拟仿真实验平台优化课时，并根据OBE理念围绕教学目标改革更新了教学内容和教学方案。同时，引入竞标双向选择机制，解决了不同实验项目的公平评价问题。通过实践，本文提出的《电气控制》课程改革能够大幅提高学生的学习积极性，提高学生解决复杂电气工程问题的能力。