基于OBE理念的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

曹建平

摘 要 以O(shè)BE教育理念為指導(dǎo)，從制定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、改善實(shí)驗(yàn)考核方式和持續(xù)改進(jìn)五個(gè)方面，對(duì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革，著重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、分析問題與解決問題能力、創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力。改革效果較顯著，學(xué)生在競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)、考研和就業(yè)等方面取得一定的成績。

關(guān)鍵詞 OBE教育理念；電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)；MATLAB

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)一門非常重要的專業(yè)核心課程，綜合了“電機(jī)”“電力電子技術(shù)”“自動(dòng)控制原理”等課程的相關(guān)知識(shí)[1]，綜合性高、應(yīng)用性強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度比較大。因此，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)作為該課程的一部分，顯得尤為重要，一方面可以幫助學(xué)生理解和鞏固理論知識(shí)，另一方面可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力及分析問題、解決問題的能力。

但是，目前這門課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一些問題，例如：教學(xué)中強(qiáng)調(diào)“教”而非“學(xué)”，學(xué)生對(duì)教師的依賴性很強(qiáng)，缺乏獨(dú)立性；實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏目標(biāo)，學(xué)生即使完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)系統(tǒng)的接線和其中的原理也一知半解，分析問題和解決問題能力不足；部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性不高，在實(shí)驗(yàn)過程中較懶散，模仿接線與抄襲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；等等。這些問題使實(shí)驗(yàn)效果大打折扣，對(duì)學(xué)生鞏固理論知識(shí)和鍛煉實(shí)踐能力的作用不明顯。

在工程教育認(rèn)證的大環(huán)境下，武昌首義學(xué)院將OBE理念引入教學(xué)中，在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也采用OBE模式教學(xué)，以該教學(xué)模式來改善實(shí)驗(yàn)效果。在教學(xué)中從以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，在該思想的指導(dǎo)下安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成效，并以該導(dǎo)向確定實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)考核方式，采用課堂教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)、傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)和課后開放實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的形式[2]，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、分析問題與解決問題能力及工程實(shí)踐能力。

2 OBE教學(xué)理念

OBE（Outcomes-Based Education）是一種基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教學(xué)模式，它的核心理念是“以學(xué)生為中心”“以成果為導(dǎo)向”“持續(xù)改進(jìn)”[3-4]。20世紀(jì)八九十年代，OBE教育模式在美國、澳大利亞等國家的基礎(chǔ)教育中得到廣泛應(yīng)用。這種教育模式注重學(xué)生學(xué)習(xí)的產(chǎn)出分析，反向設(shè)計(jì)學(xué)生的教育結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)體系，從而快速提高教學(xué)質(zhì)量[5]。

在OBE教育理念中，教育者需要對(duì)學(xué)生畢業(yè)時(shí)具備什么能力有清晰的構(gòu)想，然后設(shè)計(jì)合適的教育結(jié)構(gòu)以保證學(xué)生達(dá)到這些能力。OBE模式關(guān)注的是學(xué)生學(xué)習(xí)的產(chǎn)出，與傳統(tǒng)的注重教學(xué)內(nèi)容與投入的教學(xué)方式有著本質(zhì)的區(qū)別，它是教學(xué)模式的一種革新，對(duì)工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)有著十分重大的意義[6]。

3 基于OBE理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

OBE核心教育理念是“以學(xué)生為中心”“以成果為導(dǎo)向”“持續(xù)改進(jìn)”，在該核心理念的指導(dǎo)下，將電力拖動(dòng)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、考核方式、評(píng)價(jià)反饋等方面進(jìn)行改革。

制定實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo) 根據(jù)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)時(shí)要達(dá)到的能力，并依照電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的教學(xué)大綱，經(jīng)過相關(guān)理論課程和實(shí)驗(yàn)課程教師的多次討論，制定電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)：一是掌握直、交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及接線方法；二是具有系統(tǒng)檢查與排除實(shí)驗(yàn)故障、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力；三是具有系統(tǒng)建模仿真、設(shè)計(jì)的能力。

調(diào)整教學(xué)內(nèi)容 在改革前，學(xué)校電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有三個(gè)，分別為不可逆單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力，做到以學(xué)生為中心，調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的具體實(shí)施過程。

首先向電氣高一級(jí)的學(xué)生收集與該實(shí)驗(yàn)相關(guān)的建議，從建議中分析學(xué)生的意見，主要包括三方面：第一、二次實(shí)驗(yàn)都采用四節(jié)課的學(xué)時(shí)，時(shí)間過于充裕，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不飽滿；在第二次實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)PID的參數(shù)需要用螺絲刀調(diào)相關(guān)的儀器，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的過程比較盲目，波形很難達(dá)到穩(wěn)定，即使最后系統(tǒng)調(diào)整到穩(wěn)定了，具體參數(shù)為多少，學(xué)生也不知曉；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比較少，只有三個(gè)，對(duì)學(xué)生能力的提升很有限。同時(shí)從已畢業(yè)的學(xué)生那里收集企業(yè)需求的反饋，較多學(xué)生認(rèn)為熟練掌握變頻技術(shù)和PLC控制，對(duì)電氣專業(yè)學(xué)生就業(yè)非常有利。

因此，結(jié)合電氣高年級(jí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)建議和已畢業(yè)學(xué)生對(duì)企業(yè)需求的反饋，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，具體為：將第一次和第二次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目合并為一次，增加雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)項(xiàng)目，增加PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)作為課后開放實(shí)驗(yàn)。通過調(diào)整，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生的參與度高，為調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性做了一定的準(zhǔn)備。

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法 為了確保達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，基于OBE教育理念，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改為課堂教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課后開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的形式。在課堂教學(xué)中，涉及與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識(shí)著重提出，布置與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的思考題，為學(xué)生做實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際。

將MATLAB仿真軟件引入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，特別是針對(duì)雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以先計(jì)算出系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的PID數(shù)值，通過調(diào)節(jié)相關(guān)模塊的參數(shù)，系統(tǒng)的波形可以快速穩(wěn)定，且參數(shù)具體直觀，同時(shí)可以方便地仿真實(shí)驗(yàn)中的多種情況。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生動(dòng)手操作為主，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行導(dǎo)線搭建。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)教師僅僅起引導(dǎo)作用，學(xué)生自主接線，分析故障、解決故障，提高動(dòng)手能力、分析問題及解決問題能力，樹立工程應(yīng)用意識(shí)。

課后開放性實(shí)驗(yàn)主要是將PLC和變頻調(diào)速技術(shù)綜合在一起，讓學(xué)生通過圖書館和網(wǎng)絡(luò)自主查資料，確定設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行接線調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生自主獨(dú)立性，提高創(chuàng)新和設(shè)計(jì)能力。

改善實(shí)驗(yàn)考核方式 以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的考核方式，將從原來單一的實(shí)驗(yàn)報(bào)告定成績，改變?yōu)閺膶?shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及課后開放實(shí)驗(yàn)四部分對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)并給出成績。實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備主要考核學(xué)生是否認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，有沒有帶著問題進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)實(shí)驗(yàn)是否搭建仿真模型，仿真波形是否正確等，占實(shí)驗(yàn)總成績的10%；實(shí)驗(yàn)過程考核學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度是否端正認(rèn)真，能否正確使用實(shí)驗(yàn)儀器，能否正確接線及排除故障，能否正確回答教師提出的問題，能否按要求完成實(shí)驗(yàn)，占實(shí)驗(yàn)總成績的50%；實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告是否撰寫規(guī)范，繪制的電路是否正確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是否合理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析是否正確，占實(shí)驗(yàn)總成績的30%；課后開放實(shí)驗(yàn)的考核，包括學(xué)生設(shè)計(jì)方案是否合理，實(shí)驗(yàn)接線和調(diào)試是否正確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果是否合理，占實(shí)驗(yàn)總成績的10%。

持續(xù)教學(xué)改進(jìn) OBE教育理念注重的是學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是否完成，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，設(shè)定各個(gè)目標(biāo)合格達(dá)成度標(biāo)準(zhǔn)值為0.65（學(xué)校統(tǒng)一規(guī)定的數(shù)值）。經(jīng)過計(jì)算，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)一達(dá)成度為0.81，達(dá)成度較好，反映了學(xué)生對(duì)直、交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及接線方式掌握較好，具備一定的實(shí)踐動(dòng)手能力；目標(biāo)二達(dá)成度數(shù)值為0.73，達(dá)成度一般，表明學(xué)生對(duì)檢查與排除故障及分析數(shù)據(jù)的能力一般，在這方面有待提高；而目標(biāo)三的達(dá)成度值為0.66，雖然達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，但學(xué)生設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真能力仍有所欠缺，需要花大力氣改進(jìn)這方面。

通過對(duì)目標(biāo)達(dá)成度的分析，教師可以很直觀清楚地看出學(xué)生哪些能力是已經(jīng)達(dá)到的，哪些能力有待提高，哪些能力是欠缺的，使教師對(duì)學(xué)生的能力有比較清晰的把握。

通過目標(biāo)達(dá)成度分析，出現(xiàn)以上問題的主要原因在于：學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的故障不可預(yù)知，并且分析時(shí)間有限；學(xué)生對(duì)MATLAB仿真軟件不太熟悉，自學(xué)有一定的難度；設(shè)計(jì)性的內(nèi)容討論較少。

針對(duì)這些問題，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)理論教師和實(shí)驗(yàn)教師經(jīng)過多次討論，最后決定從以下三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

1）在理論教學(xué)中增加兩個(gè)學(xué)時(shí)的MATLAB仿真教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)MATLAB仿真軟件有初步的了解并具備一定的使用能力，為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下基礎(chǔ)。

2）在實(shí)驗(yàn)前布置相關(guān)故障的思考，為實(shí)驗(yàn)過程中檢查和排除故障做好準(zhǔn)備。

3）對(duì)于開放實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)前至少進(jìn)行兩次討論和答疑，提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，確保設(shè)計(jì)方案的正確及可實(shí)施性；在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生通過多討論、多嘗試，同組的學(xué)生共同完成系統(tǒng)的接線和調(diào)試，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題及創(chuàng)新的能力。

改進(jìn)措施在下一屆學(xué)生中實(shí)施，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)考核方式，做到持續(xù)改進(jìn)。

4 結(jié)束語

基于OBE教育理念對(duì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，在改革中始終堅(jiān)持以學(xué)生為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)效果為導(dǎo)向，以持續(xù)教學(xué)改進(jìn)為動(dòng)力，使學(xué)生對(duì)該課程理論知識(shí)的理解更透徹，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與自學(xué)能力，培養(yǎng)了學(xué)生分析與解決問題能力、創(chuàng)新能力及工程實(shí)踐能力。改革效果較顯著，學(xué)生屢次在全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中獲獎(jiǎng)，畢業(yè)設(shè)計(jì)論文省優(yōu)秀、校優(yōu)秀的數(shù)量增加，考研和就業(yè)競爭力也有提升。今后將繼續(xù)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將OBE教學(xué)理念更好地運(yùn)用在教學(xué)改革中，培養(yǎng)更契合社會(huì)需求的人才。

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