新工科背景下基于OBE的電氣工程專業(yè)實訓(xùn)體系的構(gòu)建

姜斌 曹永成 王強 吳瓊

摘 ?要：依托新工科的建設(shè)背景，在電氣工程及其自動化專業(yè)的綜合實訓(xùn)體系進行了研究和探索，引入成果導(dǎo)向的教育理念，從教學(xué)產(chǎn)出、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)環(huán)節(jié)進行設(shè)計，建立了“三位一體”的綜合實訓(xùn)系統(tǒng)體系，整合銜接了相關(guān)課程模塊的內(nèi)容，增強了知識體系構(gòu)成系統(tǒng)的立體感，提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和創(chuàng)造力，加快了學(xué)生的就業(yè)適應(yīng)力和競爭力，同時也提升了學(xué)生就業(yè)的職業(yè)素養(yǎng)，為相近專業(yè)人才培養(yǎng)和實踐體系的建設(shè)提供了參考。

關(guān)鍵詞：新工科;成果導(dǎo)向;實訓(xùn)體系;電氣工程

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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

新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的浪潮推動我國的高等教育內(nèi)涵式發(fā)展，需要加快培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程科技人才，進而需要工程實踐能力和創(chuàng)新能力更強的高素質(zhì)“新工科”人才[1-2]。新工科明確提出要面對區(qū)域經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)升級，培養(yǎng)具有工程實踐能力，勝任行業(yè)發(fā)展需求的應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才[3]。

基于成果導(dǎo)向的教育理念是上世紀(jì)80-90年代在美國和澳大利亞的教育改革中提出的[4]，并隨之在工程教育認證和教學(xué)改革中獲得認可，它是將學(xué)生的學(xué)習(xí)成果作為驅(qū)動力的一種教學(xué)理念。

為了更好地達到新工科對學(xué)生工程實踐能力和應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求，在綜合實訓(xùn)環(huán)節(jié)，做好電氣工程及其自動化專業(yè)相關(guān)知識的整合和貫通，要求學(xué)生能夠熟練掌握專業(yè)的相關(guān)知識，為具備一定的工程實踐能力和將來獨立解決工程問題打下基礎(chǔ)。

二、傳統(tǒng)實訓(xùn)環(huán)節(jié)存在的問題

在傳統(tǒng)的以教學(xué)內(nèi)容作為驅(qū)動力的教學(xué)模式中存在著“重理論、輕實踐”的傾向，這就容易在一定程度上制約了學(xué)生的應(yīng)用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng);受單一實驗平臺資源的制約，使得學(xué)生缺乏系統(tǒng)性的綜合訓(xùn)練，容易形成知識模塊的斷裂，不利于學(xué)生解決工程問題能力系統(tǒng)性的培養(yǎng);實訓(xùn)分工和評價體系不完備，也在某種程度上制約學(xué)生的團隊意識和基本職業(yè)素養(yǎng)能力的培養(yǎng)[5-6]。

三、電氣工程專業(yè)綜合實訓(xùn)體系的構(gòu)建

“三位一體”綜合實訓(xùn)體系（見圖1）是在新工科的背景下，以學(xué)生作為教學(xué)主體，以成果導(dǎo)向理念[7]作為教學(xué)思想建立的，在實訓(xùn)模塊分為3類模塊化的綜合項目，綜合實訓(xùn)環(huán)節(jié)分測控應(yīng)用系統(tǒng)、工控應(yīng)用系統(tǒng)、電力電子和電氣傳動系統(tǒng)等 3 項實施，各以典型系統(tǒng)為主線，教學(xué)包括現(xiàn)場講授、設(shè)計、制作、裝調(diào)和測試等動手環(huán)節(jié)，也包括軟件開發(fā)或仿真、上網(wǎng)調(diào)研購件、經(jīng)驗交流、中英文資料分析、撰寫總結(jié)報告以及專業(yè)應(yīng)用能力指標(biāo)的考核驗收等多項工作，要求教師以導(dǎo)師的方式盡力彌補前面教學(xué)過程中的不足并引領(lǐng)學(xué)生通過團隊協(xié)作、分工解決工程實踐問題。

（一）測控應(yīng)用模塊的建立

以測控應(yīng)用模塊的項目之一超聲波測距系統(tǒng)的組建和應(yīng)用為例說明基于OBE理念的實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計（見表1）。

超聲波測距在智能駕駛、工業(yè)障礙物檢測等方面有廣泛地應(yīng)用，作為一種典型的非接觸測量有著實際應(yīng)用價值，采用模塊化的思想進行設(shè)計，構(gòu)建單片機最小系統(tǒng)模塊，測距模塊，顯示模塊等部分[8-9]，方便學(xué)生分工協(xié)作完成，并且后續(xù)可以利用基礎(chǔ)的單片機最小模塊與不同的傳感器相結(jié)合，進行其他測量信息的采集和應(yīng)用的拓展。

超聲波測距系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖和分組設(shè)計實物圖如圖2和圖3所示[10]：

此部分測控應(yīng)用模塊還有其他題目可供學(xué)生選擇，例如人體紅外測溫、家居煙霧濃度、環(huán)境溫度濕度檢測等等，學(xué)生也可以根據(jù)自己查閱的資料，與導(dǎo)師選定適宜的其他題目，有助于學(xué)生對傳感器與檢測技術(shù)、單片機原理與應(yīng)用、C語言程序設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)、印刷電路板的設(shè)計與制作等課程知識的整合和順利對接，培養(yǎng)學(xué)生的檢測與電路設(shè)計、單片機應(yīng)用和軟件編程能力。

（二）工控應(yīng)用模塊的設(shè)計

通過PLC實現(xiàn)罐體的液位控制，變頻器帶動水泵為罐體輸送液體，浸入式壓力傳感器傳送實時液位數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)在上位機顯示系統(tǒng)工作情況，上位機的畫面可以觀測工作數(shù)據(jù)、實時報警、遠程控制、制造報表等工作[11-12]，基于OBE理念的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計如表2所示。

罐體液位控制： 圖4～圖7為液位控制的主頁面，包括罐體的液位動畫顯示和實時數(shù)據(jù)，通過畫面的按鈕可以實現(xiàn)遠程的罐體上水、排水等工作。通過左側(cè)的標(biāo)簽可以在主頁面、液位圖、報警頁面、專家報表之間轉(zhuǎn)換。

此部分工控應(yīng)用模塊采用力控組態(tài)軟件，在PLC自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)上展開遠程監(jiān)控、遠程控制，綜合應(yīng)用了自動控制原理、PLC技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、過程控制、傳感器、電機調(diào)速等多門課程知識，屬于綜合實踐應(yīng)用較強的科目，通過學(xué)習(xí)可以對工程問題有較為清晰的認識。通過工業(yè)控制模塊的歸納和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的綜合應(yīng)用，學(xué)生對工業(yè)控制由各門課程的知識片段轉(zhuǎn)化為應(yīng)用實踐，鍛煉了工程思維能力。

（三）電力電子和電氣傳動系統(tǒng)

電力電子和電氣傳動系統(tǒng)的項目之一——轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真為例說明基于OBE理念的實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計（見表3）。

在很多實際的生產(chǎn)中，由于加工、運動等的工藝要求，電動機經(jīng)常需要啟動、制動和反轉(zhuǎn)的過渡過程中，因此，他們在很大程度上決定了其生產(chǎn)效率，而如果僅僅使用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其性能不是很理想。采用速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)來調(diào)節(jié)，設(shè)計的兩個調(diào)節(jié)器均為PI調(diào)節(jié)器，能夠獲得比較理想的靜態(tài)和動態(tài)性能[13-15]。

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖如圖8：

此部分模塊還有其他題目可供學(xué)生選擇，例如高功率因數(shù)的交流-直流變換器、邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速、DC-DC變換器的設(shè)計等等，學(xué)生也可以根據(jù)自己查閱的資料，選定適宜的其他題目，有助于學(xué)生對電力電子技術(shù)、電力電子技術(shù)應(yīng)用、電力拖動自動控制系統(tǒng)、仿真技術(shù)應(yīng)用等課程知識融合，培養(yǎng)學(xué)生在電力電子和電力傳動方面的實際能力，增強解決生產(chǎn)生活中復(fù)雜的控制工程問題的能力，增強學(xué)生的創(chuàng)新能力。

四、結(jié)束語

結(jié)合新工科的教育背景，基于OBE的教育理念進行電氣工程專業(yè)綜合實訓(xùn)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計，從情感教學(xué)目標(biāo)上激發(fā)學(xué)生對于專業(yè)的熱愛，從理論教學(xué)目標(biāo)上提高學(xué)生對于專業(yè)知識的綜合運用和解決實際工程問題的能力，充分激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和應(yīng)用創(chuàng)新能力，為將來就業(yè)能夠迅速進入崗位角色打下堅實的基礎(chǔ)。

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