信息化背景下基于OBE理念的《電氣控制》課程改革探索

何杭鋒，劉姝廷，史旭華，葛英輝

（1.寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211；2.沈陽工學(xué)院，遼寧 撫順 113122）

1 前言

OBE（Outcome Based Education）是一種基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式，其基本理念是以學(xué)習(xí)者的成果產(chǎn)出為教育的目標(biāo)，進(jìn)而反向設(shè)計教學(xué)方案。培養(yǎng)目標(biāo)不再一成不變，而應(yīng)該根據(jù)國家導(dǎo)向和人才需求設(shè)置與時俱進(jìn)的培養(yǎng)目標(biāo)，調(diào)整相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。并且，基于國家要求、企業(yè)反饋、學(xué)生自評和教師評價不斷地完善和改進(jìn)教學(xué)方案，提高教學(xué)質(zhì)量。同時，由于人才需求的多樣化，設(shè)置多樣化的學(xué)習(xí)目標(biāo)，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)驅(qū)動力，使其能夠主動接收新知識。通過學(xué)生積極主動的學(xué)習(xí)和實踐，提高學(xué)生獨(dú)立思考和綜合運(yùn)用知識解決復(fù)雜工程問題的專業(yè)能力。

本文以《電氣控制》課程為例，探索研究信息化背景下基于OBE理念的課程改革?！峨姎饪刂啤肥且婚T理論結(jié)合實踐的課程，通過實驗課不但可以幫助學(xué)生鞏固和加深對所學(xué)理論知識的理解，還能提高學(xué)生對課程內(nèi)容的興趣，建立理論與工程實際之間的聯(lián)系，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的實驗技能和動手能力。如何培養(yǎng)掌握復(fù)雜工程中電氣控制問題的分析和設(shè)計能力，滿足行業(yè)人才需求的學(xué)生是本課程的目標(biāo)。

2 信息化背景下《電氣控制》課程培養(yǎng)目標(biāo)的要求

當(dāng)今社會，全球信息化的浪潮席卷著世界的每一個角落，21世紀(jì)將是一個信息化、知識化和全球化高度發(fā)達(dá)的社會。尤其是在國際產(chǎn)業(yè)變革趨勢下，黨中央提出《中國制造2025》國家行動綱領(lǐng)，要求中國制造業(yè)改變“大而不強(qiáng)”的現(xiàn)狀，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。行動綱領(lǐng)的指導(dǎo)思想中強(qiáng)調(diào)要以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向，完善多層次類型人才培養(yǎng)體系。行動綱領(lǐng)的基本方針中明確指出，促進(jìn)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，加快培養(yǎng)制造業(yè)急需的專業(yè)技術(shù)人才、經(jīng)營管理人才和技能人才。

因此，在信息化背景下和《中國制造2025》國家行動綱領(lǐng)指導(dǎo)下，國家和社會對《電氣控制》課程的培養(yǎng)目標(biāo)提出了新的要求：首先，課程需要結(jié)合新一代信息技術(shù)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用PLC技術(shù)和數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的能力；其次，課程要實現(xiàn)多層次、差異化培養(yǎng)，完善多層次人才培養(yǎng)體系；最后，課程需要融合人工智能技術(shù)，使學(xué)生掌握基礎(chǔ)的電氣設(shè)備智能控制技術(shù)。進(jìn)而，相關(guān)專業(yè)的廣大畢業(yè)生能夠更好地服務(wù)社會，提高制造業(yè)智能化程度，早日把我國建設(shè)成為引領(lǐng)世界制造業(yè)發(fā)展的制造強(qiáng)國，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢打下堅實的基礎(chǔ)。

3 《電氣控制》課程現(xiàn)狀

目前，大多學(xué)校該課程的教學(xué)主要采用教師講授結(jié)合實驗的方式，主要教學(xué)和教材內(nèi)容包括常用低壓電器及基本電氣控制線路、變頻器與電機(jī)調(diào)速控制線路、可編程控制器的基本組成及工作原理、PLC的系統(tǒng)配置和基本指令及功能指令、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計，實驗內(nèi)容包括繼電接觸器控制系統(tǒng)、PLC認(rèn)知實訓(xùn)、裝配流水線控制、機(jī)械手控制、十字路口交通燈控制、溫度或者電機(jī)轉(zhuǎn)速的PID控制。教學(xué)內(nèi)容上，主要以基本電氣控制線路、PLC基本功能指令、基于PLC的PID控制及相關(guān)模擬實驗為主。教學(xué)方法上，主要以授課老師講授、演示和學(xué)生實驗為主。

從現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容上來看，雖然現(xiàn)有內(nèi)容中有A/D采樣等數(shù)字化技術(shù)內(nèi)容，但是學(xué)生缺少對數(shù)字信息可視化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的學(xué)習(xí)。控制算法上主要包括邏輯控制和PID控制，智能化程度低。從教學(xué)方法上看，學(xué)生主要以被動學(xué)習(xí)知識點為主，實驗課程大多按照實驗指導(dǎo)書按部就班進(jìn)行，不能進(jìn)行自主選擇和擴(kuò)展，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和成就感較低。

4 基于OBE的《電氣控制》課程教學(xué)改革

4.1 基于OBE的課程教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)寧波大學(xué)電氣工程與自動化專業(yè)人才培養(yǎng)方案，結(jié)合信息化背景和國家及行業(yè)需求，制定如下培養(yǎng)目標(biāo)。

（1）掌握電氣的基本知識，包括熟悉與電氣行業(yè)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范、知識產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)業(yè)政策和法律法規(guī)，理解不同社會文化對工程活動的影響，掌握可編程邏輯控制器的基礎(chǔ)知識。

（2）掌握PLC的基礎(chǔ)軟件編程與程序設(shè)計，能夠針對電機(jī)調(diào)速、溫度調(diào)節(jié)等典型電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計和軟件編程。

（3）掌握S7-1500 PLC的網(wǎng)絡(luò)通訊編程和程序設(shè)計，并且基于網(wǎng)絡(luò)通訊進(jìn)階掌握一種或多種以下能力：變頻器綜合應(yīng)用、WinCC上位機(jī)設(shè)計、S7-1500 TM NPU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊應(yīng)用和自抗擾控制算法在PLC中的部署應(yīng)用等。

在此基礎(chǔ)上，定期開展人才需求調(diào)研，按照圖1所示的流程持續(xù)改進(jìn)培養(yǎng)目標(biāo)。

圖1 培養(yǎng)目標(biāo)持續(xù)改進(jìn)流程

4.2 基于OBE的教學(xué)設(shè)計

根據(jù)《電氣控制》課程的教學(xué)目標(biāo)，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，分配各知識模塊對應(yīng)的學(xué)時、預(yù)期學(xué)習(xí)效果及教學(xué)形式?！峨姎饪刂啤氛n程總學(xué)時為60學(xué)時，包括44學(xué)時理論課和16學(xué)時實驗課，以20學(xué)時為1學(xué)分，共3學(xué)分。為滿足行業(yè)用人需求，預(yù)期教學(xué)效果從純理論知識轉(zhuǎn)向理論結(jié)合實踐，從程序設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計。課程分別以三個培養(yǎng)目標(biāo)為預(yù)期教學(xué)效果，在常見電氣知識的基礎(chǔ)上提高學(xué)生對復(fù)雜工程問題的分析和系統(tǒng)設(shè)計能力。在教學(xué)形式上，理論課部分以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，強(qiáng)調(diào)雙向性，在充分利用教師引導(dǎo)作用的同時，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性。實驗課部分以學(xué)生為主導(dǎo)，把學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主動探索者，留給學(xué)生足夠的時間和空間，發(fā)揮學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生自主獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。

在具體內(nèi)容上，理論課部分增加PLC網(wǎng)絡(luò)通訊課程內(nèi)容，包括以太網(wǎng)通訊技術(shù)、RS-485通信技術(shù)和CAN總線通信技術(shù)，提高學(xué)生信息化技術(shù)水平。考慮到總課時有限，實驗課減少PLC認(rèn)知實訓(xùn)和裝配流水線控制、機(jī)械手控制等模擬實驗的課時。利用校內(nèi)鍋爐水位虛擬仿真系統(tǒng)和PLC VR虛擬仿真系統(tǒng)代替模擬實驗，訓(xùn)練學(xué)生的基礎(chǔ)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計能力。相比于模擬實驗，虛擬仿真實驗平臺具有自由度大、遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和不占用大量課堂學(xué)時的優(yōu)點，學(xué)生可以隨時遠(yuǎn)程自由聯(lián)系，根據(jù)自己的水平和興趣愛好設(shè)計、搭建和實施多樣化的電氣控制系統(tǒng)。優(yōu)化的課時可以增加變頻器綜合應(yīng)用、WinCC上位機(jī)設(shè)計、S7-1500 TM NPU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊應(yīng)用和自抗擾控制算法在PLC中的部署應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容，通過網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺和教師輔導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)和自主設(shè)計實驗。通過引入網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺和虛擬仿真平臺，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和課時安排，將部分內(nèi)容轉(zhuǎn)移到線上教學(xué)，線下教學(xué)增加更多的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的實物實驗，提高學(xué)生獨(dú)立解決復(fù)雜電氣工程問題的能力。

并且，基于OBE理念按照圖2所示的機(jī)制定期調(diào)整教學(xué)方案。其中，“反饋與改進(jìn)①、⑨”表示根據(jù)課程教學(xué)設(shè)計、課程教學(xué)評價中的反饋，對課程教學(xué)目標(biāo)和畢業(yè)要求及指標(biāo)點之間的映射關(guān)系進(jìn)行改進(jìn)?！胺答伵c改進(jìn)②、④、⑦”表示依據(jù)來自課程教學(xué)資源建設(shè)過程、教學(xué)實施過程或課程教學(xué)評價的相關(guān)反饋對教學(xué)設(shè)計進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)?！胺答伵c改進(jìn)⑤”表示依據(jù)達(dá)成評價中發(fā)現(xiàn)的問題與不足對教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)?！胺答伵c改進(jìn)③、⑥、⑧”表示依據(jù)課程教學(xué)實施過程或課程教學(xué)評價的相關(guān)反饋對教學(xué)資源進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

圖2 基于OBE的課程教學(xué)調(diào)整機(jī)制

4.3 基于OBE和競標(biāo)機(jī)制的課程考核

基于OBE教學(xué)理念，課程在圍繞教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)方案設(shè)計的同時，也應(yīng)該根據(jù)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行課程考核和評價。不同的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)當(dāng)采用不同的考核方式，以增加考核的合理性。對于教學(xué)目標(biāo)1對應(yīng)的電氣行業(yè)概念、定義和可編程邏輯控制器的基礎(chǔ)知識點以期末卷面考試為主，平時作業(yè)和課堂互動為輔；對于教學(xué)目標(biāo)2對應(yīng)的PLC的軟件編程、程序設(shè)計和典型電氣控制系統(tǒng)設(shè)計等設(shè)計及其實施能力以期末卷面考試和實驗考核為主，平時作業(yè)為輔；對于教學(xué)目標(biāo)3對應(yīng)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等高級應(yīng)用以實驗考核為主，技術(shù)報告為輔。具體考核比例如表1所示。

表1 課程考核

由于基礎(chǔ)知識和典型控制系統(tǒng)是統(tǒng)一教學(xué)與實驗，教學(xué)目標(biāo)1和教學(xué)目標(biāo)2的考核可統(tǒng)一進(jìn)行。但是教學(xué)目標(biāo)3對應(yīng)于不同的實驗，學(xué)生根據(jù)自身的基礎(chǔ)和興趣愛好進(jìn)行選擇。教學(xué)目標(biāo)3對應(yīng)實驗在具有高度自主性的同時也給公平考核和評價帶來了困難。如何制定公平合理，讓學(xué)生認(rèn)可的評價機(jī)制是信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化高級應(yīng)用實驗順利實施的關(guān)鍵因素之一。

模擬企業(yè)項目競標(biāo)流程，以教師為甲方，以學(xué)生團(tuán)隊為乙方。通過教師對任務(wù)的講解和學(xué)生文獻(xiàn)查閱，讓學(xué)生了解各個項目的基本要求，設(shè)計電氣控制系統(tǒng)方案，并標(biāo)注競標(biāo)分?jǐn)?shù)參與競標(biāo)。教師根據(jù)方案和競標(biāo)分?jǐn)?shù)，考慮實驗室設(shè)備臺套數(shù)，選擇每個項目適合的團(tuán)隊。若學(xué)生完成項目基本要求，可以獲得該項目所有中標(biāo)團(tuán)隊競標(biāo)分?jǐn)?shù)的平均分。若能夠在設(shè)計和功能實現(xiàn)上有較好的創(chuàng)新和提升，優(yōu)于其它同項目團(tuán)隊，可獲得加分。通過教師和學(xué)生的雙向選擇，使得不同的項目能夠具有相對公平的評分機(jī)制。

5 實踐效果

將本文所述的產(chǎn)業(yè)信息化背景下基于OBE理念的課程改革在本校2019級電氣工程及其自動化專業(yè)進(jìn)行實驗。相較于2018級學(xué)生，本課程的優(yōu)良率大幅提高，不及格率有所降低。學(xué)生實驗表現(xiàn)大幅改善，學(xué)習(xí)積極性高。一方面，虛擬仿真實驗給了基礎(chǔ)較差的學(xué)生足夠的時間進(jìn)行仿真實驗，在此基礎(chǔ)上實物實驗表現(xiàn)大幅提升。另一方面，信息化和智能化的高級應(yīng)用極大地激發(fā)了基礎(chǔ)較好的學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)積極性，并且在相關(guān)西門子競賽中取得較好的成績。因此，大部分學(xué)生在掌握基礎(chǔ)電氣知識的同時，都能夠初步具備解決復(fù)雜電氣工程問題的能力，達(dá)到課程培養(yǎng)目標(biāo)。

6 結(jié)語

基于國家導(dǎo)向和行業(yè)人才需求，本文對《電氣控制》課程的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了梳理和補(bǔ)充。通過虛擬仿真實驗平臺優(yōu)化課時，并根據(jù)OBE理念圍繞教學(xué)目標(biāo)改革更新了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方案。同時，引入競標(biāo)雙向選擇機(jī)制，解決了不同實驗項目的公平評價問題。通過實踐，本文提出的《電氣控制》課程改革能夠大幅提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生解決復(fù)雜電氣工程問題的能力。