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基于OBE理念的电机调速课程设计教学改革

2024-11-11 113 上传者：管理员

摘要：在工程教育认证背景下，传统的电气工程及其自动化专业电机调速课程设计教学在提升学生工程实践能力和创新能力方面具有局限性。该文分析电机调速课程设计在教学理念、教学实施和评价体系等方面存在的问题，遵循OBE理念重构教学大纲，优化教学方法、教学内容、课程考核体系，对教学改革后的实施效果进行分析，并据此提出持续改进措施。

关键词：
OBE理念
实践教学
工程教育
电机调速
课程设计
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工程教育专业认证可以有效保障工程教育的质量[1-2]。教育部发布的《关于一流本科课程建设的实施意见》提出，课程目标要坚持知识、能力、素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维[3]，这对高校理工科学生的工程实践能力与创新意识提出了明确的目标。高校教师在教学培养过程中应注重培养学生的工程实践能力，遵循以成果为导向的OBE理念，全面提升学生在分析和解决工程问题方面的能力[4]。电机调速系统在工业制造等诸多领域得到了广泛的应用，很多高等院校电气工程专业开设了电机调速课程设计课程并将其作为专业必修实践环节，在培养学生的理论应用能力、工程实践能力以及创新能力等方面起着重要的作用。

1、电机调速课程设计教学存在的问题

1.1教学理念方面

电机调速课程设计具有较强的工程实践性，与工业制造等领域的生产实践联系紧密。但在以往的教学过程中，教师培养学生创新能力的主动意识较为缺乏，通常以强调理论知识的运用和设计过程的规范性为主，对设计对象的应用效果和价值缺乏重视[5]。课程设计题目形式较为单一，容易出现部分学生参考前几届学生作品进行设计甚至抄袭的情况，课程的教学实施效果不佳，课程目标难以达成；同时课程设计的题目和实施未与工程实践有效结合，导致学生在教学实施后，仍难以准确理解实际工程应用中电机调速系统的实现形式[6]。

1.2教学过程方面

电机调速课程设计以往的教学实施学时为1周，每位学生根据设计任务要求，完成系统方案选择、理论计算、原理图设计、撰写设计报告等内容。但是，这样的教学安排在时间上过于紧张，学生尚未对电机调速理论知识有充分理解便开始进行设计，短时间内不易将设计内容与实际工程建立联系。同时，设计周期较短，学生在完成课程设计时容易出现设计数据理想化、抄袭等情况，不能很好地提升他们解决复杂工程问题的能力。

1.3评价体系方面

传统课程设计的考核方式多以教师对学生提交的设计报告进行直接评价为主。此为结果考核，缺乏过程评价，这种考核方式既不够全面也不够客观，难以达到在OBE理念下对课程目标达成度的评价要求。同时容易出现学生应付考核的情况，即草草了事地提交设计报告等书面材料，而忽视了在课程设计过程中对学生解决复杂工程问题能力的培养。因此，学校要建立一种完善的课程设计实践教学评价体系，科学、客观地评价学生的实践能力以及课程目标达成度。

2、教学改革思路

2.1遵循OBE理念重构教学大纲

以教学成果产出（OBE）为导向是工程教育专业认证的核心理念。电机调速课程设计是华侨大学（以下简称我校）电气工程及其自动化本科专业的一个综合实践环节，旨在提升学生解决复杂工程问题的能力。基于OBE理念，以实际电机控制系统设计的复杂工程问题为依托，拟定设计题目，制定面向成果产出和实际工程的课程目标与教学内容。

该课程设计要综合运用电机学、电力电子、自动控制理论、电路等相关知识，将其应用于实际设计中，同时使学生掌握查阅器件选型手册的方法，并在设计中综合考虑国家标准及行业规范的制约和冲突。电机驱动系统的拓扑结构与选用的电机类型和参数密切相关，同时需求约束决定了电路设计和功率器件的选型，转速、电流检测方案又必须结合所选择的电机控制系统的控制策略，电路设计须考虑器件和线路的经济成本，并且要符合安规、EMC、EMI原则。

该课程在教学大纲制定上遵循OBE理念，从支撑毕业要求指标点出发，明确以下5个课程目标：

(1）通过查阅资料，掌握电机控制系统的基本理论和设计方法，能根据所列电机参数要求，分析影响设计方案的各种因素。

(2）完成电机控制系统的方案设计，计算出各模块选型参数，考虑电机运行规程的要求，从技术和经济角度对设计结果进行评价。

(3）能够合理选用电路设计软件进行电机控制系统的设计，并完成电路原理图和PCB Layout，器件选型和布局布线合理，符合安规、EMC、EMI原则。

(4）能够规范地撰写设计报告，系统、科学、全面地描述设计方案。

(5）能够就设计过程中所涉及的电机控制系统复杂工程问题进行有效沟通，清楚地阐述设计思路、过程和结论，并准确地回应质疑。

2.2优化教学方法与教学内容

遵循工程教育认证以及新工科课程的标准对教学方法和教学内容进行优化，将产业对人才培养目标的最新要求引入课程教学，将行业与专业的新动态、新成果融入教学过程，将指导教师的科研成果转化为教学内容，教学过程中向学生介绍本学科领域的研究新进展、工程实践新经验，激发学生对课程的兴趣。

电机调速课程设计以直流电机、交流电机驱动和控制系统为设计对象。驱动系统包括主电路拓扑选择、直流母线电压等级确定、整流电路设计、滤波电路设计、斩波电路设计等，控制系统包括电流检测电路设计、转速/位置检测电路设计等。完成相应方案选择和参数定额后进行硬件设计，绘制原理图和PCB，并通过Proteus或其他辅助设计软件，进行软件功能验证。最后完成实物制作并展示验证。

分组给出设计题目，根据实际工程应用场景选择电机参数，并且每组电机参数不同，避免出现抄袭。设计完成后须提交设计报告并做答辩汇报，设计报告内容主要包括课程目的与设计要求、电机调速系统的关键技术指标、系统总体概要方案和相应软硬件详细设计方案及其设计依据、主要参考资料与设计总结。要求每个学生都应明确各自的设计任务和要求，拟订设计计划，保质保量地按时完成。在设计过程中，提倡独立思考、深入钻研，主动地、创造性地进行设计工作。

在教学实施中，改变原来1周集中完成设计的这种紧凑安排的方式，改由9周内分散进行，由学生自主安排时间完成。任课教师每周再安排2次设计指导。在学期开始时即布置总体设计任务，学生可同步学习理论课程，提前进行有关工业应用的电机及其驱动器的调研，了解电机控制系统构成与相关器件选型，并在课程设计前提前学习相关的电路设计软件、仿真软件和编程软件等，这样等进入课程设计周后，学生就不会感觉任务繁重而无所适从，也避免了重结果考核而轻过程能力培养的问题。

2.3优化教学考核评价体系

基于OBE理念改进的评价体系，既要能客观.合理地反映学生课程设计的完成度和实践能力，也要便于指导教师对学生实践过程中的能力表现进行量化评价[2,7-9]。根据电机调速课程设计的课程特点和课程目标进行分阶段过程考核，引导学生注重平时学习和对设计内容的有效训练。课程考核采用课程设计研讨表现情况和课程设计报告完成质量情况相结合的综合考核方式，各课程目标在两个考核环节的权重分布如表1。

表1课程目标分值权重

3、教学改革实施效果与持续改进

基于OBE理念，笔者对我校2020级电气工程及其自动化专业本科生的电机调速课程设计进行了教学改革。教学实施后，笔者通过问卷调查的方式，定性分析学生对课程目标达成度的自我评价。笔者共发放问卷93份，收回90份，学生自我评价的5个课程目标达成度分别为0.51、0.53、0.51、0.54和0.53。由于进行了教学改革，现行的课程设计内容与工程联系更紧密，开展设计的能力更全面，课程设计难度加大，学生对于课程目标达成度的自我评价较低。

按照表1的分值权重，以课程设计研讨和设计报告分项成绩进行定量分析，如图1所示，5个课程目标达成情况分别为0.84、0.79、0.78、0.78和0.90。5个课程目标的达成情况整体中等偏上。与定性分析相比，虽然课程设计难度偏大，但是通过以学生为中心的全周期实践能力培养，学生对工程知识的掌握比较扎实，具备了一定的综合分析问题以及解决复杂工程问题的能力。课程目标3和4的评价值相对较低，表明学生在合理使用电路设计软件并完成控制系统设计等方面有较大的提升空间，学生对于器件选型和布局布线合理性的掌握不够充分，对于安规、EMC等原则不够了解。

笔者对课程目标达成情况进行分析，发现教学过程中仍存在一些问题，须持续改进：

(1）课程目标3和课程目标4的达成度偏低，须加强实际工程分析。

(2）在设计过程中，教师可以要求学生通过文献查阅、关注电机控制系统的设计思路等方式，加深对电机控制系统的认识。

图1课程目标达成情况

(3）加入中期过程考核，并将评价结果及时反馈给学生，以帮助他们关注整个学习过程，合理安排学习计划。

4、总结

基于OBE理念的电机调速课程设计教学改革，通过工程课题设计，深化学生对电机控制系统基本理论和计算方法的理解，使学生掌握软件工具的应用方法，能够撰写设计报告、分析方案。教师从技术和经济角度对电机控制系统设计结果进行评价，培养学生解决问题和分析评价设计的能力。教师在实践教学中，坚持OBE理念；在课程建设中，根据工程教育认证的思想反思教学活动并持续改进，能有效调动学生学习的积极性，有利于培养学生的工程实践能力和创新意识。

参考文献:

[1]于岩.基于工程教育专业认证要求的材料制备与加工实验课程改革[J].化工高等教育,2017,34(2):16-19.

[2]徐青菁,孙佳,戴金水,等.基于OBE的“电力电子课程设计”教学研究[J].电气电子教学学报,2022,44(4):104-108.

[3]杨嘉鹏,胡兵,魏成伟,等.基于应用型本科的工厂电气控制及PLC课程重建[J].中国现代教育装备,2019(3):24-26.

[4]曹一鹏,吴昊,毛艳娥.OBE理念下单片机实践教学改革的探索与实践[J].中国现代教育装备,2022(17):128-130.

[5]牛秋林.机械类专业课程设计实践教学改革思考[J].轻工科技,2022,38(5):156-157.

[6]王荣坤.电机调速与控制课程设计教学改革研究[J].现代职业教育,2021(28):65-67.

[7]杨泽青,刘丽冰,肖艳军,等.基于OBE的精密机械及仪器综合实践教学改革[J].实验室科学,2021,24(5):127-130.

[8]张春慧,宗哲英,王利娟,等.“电力电子技术”课程设计过程管理体系建设与研究[J].实验技术与管理,2020,37(3):182-184.

[9]胡玮,李洵,吴桐,等.电子信息类专业电力电子应用系统项目训练课程的设计与实现[J].实验技术与管理,2020,37(5):17-21.

基金资助:华侨大学第四批新工科示范课程“基于电路设计软件的电机控制系统课程设计”(612-50122251),华侨大学虚拟教研室建设项目“电气类专业产教融合协同育人虚拟教研室”;

文章来源:王荣坤.基于OBE理念的电机调速课程设计教学改革[J].科教文汇,2024,(21):87-90.