基于OBE的電力電子系統(tǒng)仿真課程教學改革與實施

魏艷君 張迪

[摘 要] 針對電力電子電路仿真課程專業(yè)性和實踐性強、涉及知識面具有一定廣度和深度的特點，為克服傳統(tǒng)教學方式學生的參與度不夠、學習主動性不高、學習效率低，以及難以對學生學習效果進行全面評價的問題，引入OBE理念，對課程內(nèi)容進行了系統(tǒng)的梳理，設計了滿足工程認證導向要求的混合式教學方式和過程管理方法。為保障成果能力產(chǎn)出，形成了有效的閉環(huán)循環(huán)增進教學模式，以使學生獲得電力電子電路與系統(tǒng)的仿真研究與分析能力，提高對電氣工程問題與系統(tǒng)的表達、分析能力及專業(yè)寫作水平，加強團隊合作與溝通，以達成學習成果。

[關鍵詞] OBE;閉環(huán)循環(huán)增進教學模式;仿真

[中圖分類號] G642.4? [文獻標識碼] A? [文章編號] 1005-4634（2022）01-0077-05

0 引言

電力電子電路仿真是有關基于計算機軟件對各種電氣系統(tǒng)的工作原理及參數(shù)影響進行再現(xiàn)、驗證，并借助軟件對系統(tǒng)性能進行專業(yè)分析、系統(tǒng)創(chuàng)新與分析驗證的一門專業(yè)課程。課程除涉及軟件的運行與應用方法以外，最根本的是對電氣工程中的各種系統(tǒng)及其控制進行原理和性能的分析與仿真。教學目標重在專業(yè)內(nèi)容在軟件中的表達、實現(xiàn)、運行及分析能力。本研究根據(jù)燕山大學行業(yè)與專業(yè)特色對課程教學內(nèi)容進行精心設計與規(guī)劃。

本課程對學生的數(shù)學功底與專業(yè)的內(nèi)容理解程度要求較高，而目前廣泛使用和認可的仿真軟件MATLAB系統(tǒng)相對復雜，同時仿真手段與專業(yè)內(nèi)容的結合既要靈活又要合理有效。因此，在有限的課時內(nèi)進行教學內(nèi)容與教學活動是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。本課程一直在這兩方面進行著積極的探索。

針對本科教與學過程的特征與問題[1]，清華大學顧學雍、華中科技大學黃曉明等在教學內(nèi)容、教學模式方面進行了有益的思考和探索[2-4]。教學內(nèi)容不斷更新，教學模式遵循交互式課堂教學模式，倡導“從學生視角出發(fā)”“教師是交互式課堂的引導者”以及“增強沉浸式體驗”[5-6]。武漢理工大學張安富、華中師范大學高巍就高校教育質(zhì)量保障體系、學生學習的評價量表進行了系統(tǒng)的分析研究與設計，以促進改善教學質(zhì)量[7-8]。但教學模式在教學過程中的相互促進還有進一步提升的空間。

本課程基于“以學生為本、成果導向、持續(xù)改進”的成果導向教育（Outcome-Based Education，簡稱OBE）理念進行教學改革，探索一種閉環(huán)循環(huán)增進教學模式，使得課程的教學目標更加清晰，學習成果進一步加強，獲得了較好的學習效果。

1 基于OBE理念的課程教學改革

為適應現(xiàn)代工業(yè)對高等教育的要求，保障教育投入，形成有效成果產(chǎn)出，美國學者斯帕迪（Spady）于1981年提出了成果導向教育OBE，他在《基于產(chǎn)出的教育模式：爭議與答案》一書中將OBE定義為“清晰地聚焦和組織教育系統(tǒng)，使之圍繞確保學生獲得在未來生活中實質(zhì)性成功的經(jīng)驗”[9];強調(diào)圍繞學習產(chǎn)出這個中心，開展課程教學和學習評價。該理念被世界很多國家公認為是高等工程教育的正確方向并采納。2013年6月，我國加入“華盛頓協(xié)議”，以成果導向教育理念引導工程教育改革。

OBE理念強調(diào)學生的“學習成果”（也稱“學習產(chǎn)出”），即學生總體應獲得的能力與水平——培養(yǎng)目標。對于學生學習成果的評價重在其分析、評價與創(chuàng)造能力的評估，而非簡單記憶、理解與應用。課程體系改革步驟，如圖1所示。

出發(fā)點從需求（包括內(nèi)部需求和外部需求）開始，針對需求確定專業(yè)培養(yǎng)目標。根據(jù)培養(yǎng)目標總結出需要的能力以支持專業(yè)培養(yǎng)目標，即得到專業(yè)的畢業(yè)要求。課程體系與課程內(nèi)容的設計與規(guī)劃、教學活動的開展全部圍繞畢業(yè)要求與培養(yǎng)目標進行[10]。

課程體系包括課程（含課程實驗和課程三級項目）、課程設計、生產(chǎn)實習、畢業(yè)設計、講座。課程間存在合理、有效的銜接與融合，各教學環(huán)節(jié)相互協(xié)調(diào)補充，整個體系與教學方式能夠完全支撐全部培養(yǎng)目標。

2 課程教學改革方案及實施

基于OBE理念，在燕山大學電氣工程專業(yè)的培養(yǎng)目標及學生畢業(yè)要求的框架下，電力電子電路仿真課程的教學模式框架確定，如圖2所示。

2.1 以需求為導向的培養(yǎng)目標

本課程對電氣工程的專業(yè)培養(yǎng)計劃與專業(yè)學習成果進行支撐，達到兩項工程認證畢業(yè)培養(yǎng)目標要求：（1）能夠?qū)?shù)學、自然科學、電氣工程理論等基礎理論和專業(yè)知識用于分析和解決電氣系統(tǒng)中的復雜工程問題;（2）能夠針對電氣系統(tǒng)的復雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術工具，包括對問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性。

將以上兩個培養(yǎng)目標進行具體化，歸納本課程的培養(yǎng)目標為：（1）能夠利用MATLAB軟件實現(xiàn)各種數(shù)學運算，實現(xiàn)電氣系統(tǒng)的數(shù)學模型的仿真及仿真結果展示與分析;（2）使用圖、表形式對系統(tǒng)的數(shù)學模型性能進行展示與分析;（3）能夠依據(jù)電力電子系統(tǒng)的原理和設計的要求使用仿真軟件（MATLAB），實現(xiàn)基于仿真模塊的電力電子電路的工作原理仿真及結果展示與分析;（4）基于仿真模塊的電力電子電路系統(tǒng)的構成與仿真，使用圖、表形式對性能分析進行展示;（5）仿真驗證對系統(tǒng)的改進方案，并使用圖、表形式對運算結果進行展示與分析。

2.2 以學習成果為導向的教學安排

（1）課程內(nèi)容。從教學內(nèi)容上分為兩個等級：應用基礎與專業(yè)仿真應用，如表1所示。

應用基礎內(nèi)容針對的是軟件的應用方法。對于所選用的覆蓋專業(yè)領域極廣的MATLAB軟件來說，其內(nèi)容包羅各種專業(yè)的計算及應用，如不加選擇，全盤介紹，極易對學生的思維造成困惑和干擾。因此，本研究圍繞著教學目標，抽取了軟件基礎應用中與專業(yè)能力相關的內(nèi)容，形成系統(tǒng)的、有條理的，同時兼顧簡潔性的教學內(nèi)容，保證在相應的時間內(nèi)能夠建立完整的軟件應用基礎和能力。

專業(yè)仿真應用部分以最終產(chǎn)出成果為目標，圍繞電力電子電路及其系統(tǒng)的數(shù)學模型、電路模塊模型設置了主電路工作原理仿真與分析、電路系統(tǒng)分析案例和直流拖動控制系統(tǒng)項目案例，在掌握軟件基本應用方法的基礎上針對實際案例進行專業(yè)仿真與分析。將各種應用類型、各種性能分析方法融合其中，做到對成果產(chǎn)出的完整、準確對焦。將學生的學習目標聚焦在這些學習成果上，做到以產(chǎn)出為中心，展開教學與學習。

（2）教學方法的改進與實施。在工程教育改革強調(diào)壓縮課堂學時的前提下，教學內(nèi)容的改進和豐富與有限的學時之間的矛盾更加突出。為解決這一矛盾，本研究將多種教學方法結合起來，發(fā)揮各種教學方法的優(yōu)勢，提高教學與學習效率，促進學生學習的積極性，實現(xiàn)多方面能力的培養(yǎng)目標，形成閉環(huán)循環(huán)增進教學模式，如圖3所示。

充分發(fā)揮靈活多樣的教學方式以提升教學效果。由系統(tǒng)、完整、結構清晰、簡潔的基礎內(nèi)容及基礎案例組成課上教學，對于能夠由基礎內(nèi)容引申的較復雜、繁瑣的環(huán)節(jié)，制作相關教學視頻，利用翻轉(zhuǎn)課堂，引導學生課下進一步自主探究、進行更深層次的理解?；驑嫵身椖渴浇虒W內(nèi)容進行課程三級項目，給予勇于實踐、獨立思考的機會，補充課堂學時的不足。針對教學內(nèi)容，教師組織討論課，將學習和能力產(chǎn)出效果反饋到課堂上來。教師和學生共同糾偏、查錯、深度加強形成一個循序漸進、逐步增強的閉環(huán)學習過程。最后，通過項目式教學，進行一個從參數(shù)設計、原理分析、參數(shù)校驗、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)性能驗證、展示方法、各方面性能闡述的完整的系統(tǒng)仿真過程，實現(xiàn)綜合能力的整體訓練，形成完整有效的產(chǎn)出成果。

（3）過程管理與考核。本研究為保證各個教學環(huán)節(jié)實現(xiàn)教學目標并達到預期效果，根據(jù)課程教學方式多樣化、能力培養(yǎng)目標及全面考核的需求，在各教學環(huán)節(jié)及內(nèi)容方面圍繞教學目標及成果產(chǎn)出進行過程管理方法的組織與設計;對目標達成度從培養(yǎng)目標的各個方面進行評價，評價方式多樣化，避免一考定終身、評價片面、注重記憶的問題。表2為課程進修過程各環(huán)節(jié)的考核目標。

完善的過程管理是教學過程不流于形式的有效保障之一。本研究使用教學管理軟件“學習通”實施一部分管理過程，其中基礎摸底環(huán)節(jié)的后續(xù)課程所涉及的專業(yè)知識目錄會及時在學習通中發(fā)布，并安排若干次隨堂測試，檢驗相關專業(yè)知識的掌握情況。另外，本研究還通過該平臺進行討論課題目分配、討論課小組報告上傳及考評、學生出勤考核，適時掌握學生的學習情況，做到教學管理過程化。

充分考慮課程培養(yǎng)目標與學生所要達到的能力，本門課程依據(jù)全過程控制的理念考核。課程考核包括4個部分，分別為出勤、作業(yè)、討論課和結課考試，從學習態(tài)度、課本知識的掌握、對專業(yè)內(nèi)容的仿真分析、專業(yè)知識的表達、描述與分析能力等各方面進行全面的評價。避免對記憶性知識側(cè)重過多，以各方面能力評價學習效果，并反過來檢驗教學環(huán)節(jié)中對各方面能力的培養(yǎng)，為教學循環(huán)的改進提供參考依據(jù)。

3 教學改革效果

電力電子電路仿真課程教學改革從2019年開始，已在16級、17級應用電子技術專業(yè)學生中進行了兩輪教學實踐。學校在16級教學過程中開設課堂練并增設討論課，在17級教學過程中進一步增加了三級項目環(huán)節(jié)。改革前（15級）、第一輪改革（16級）以及第二輪改進（17級）課程的課堂效果、作業(yè)完成情況與成績對比分析如下。

3.1 課堂效果與作業(yè)完成

與單一課堂講述相比，第一輪改革中的隨堂練和討論課對教學的促進效果明顯。隨堂練使得基礎應用易錯與易混淆點在課堂上能夠清晰地表現(xiàn)出來，并得到及時的更正。討論課上學生發(fā)言踴躍、積極思考，對專業(yè)內(nèi)容的應用與理解能夠在教師的引導下走向更深層次。學生的分析能力與專業(yè)表達能力得到了提高。在第二輪改進中，三級項目的增加提高了學生的系統(tǒng)仿真與綜合分析能力，課程教學目標及能力產(chǎn)出得到了更全面的保障。作業(yè)完成率達到100%，作業(yè)優(yōu)良率提升到80%以上。

3.2 試卷分析

按照工程認證的理念，試卷內(nèi)容根據(jù)畢業(yè)培養(yǎng)目標能力要求進行了分類，相應內(nèi)容的得分率直接反映了能力的獲得情況，能力獲得分析如表3所示。

由表3各能力的相對得分率可以看出：軟件應用基礎的得分率三個年級逐年略有上升，而相對于電氣系統(tǒng)的分析和預測模擬能力，經(jīng)過兩輪的教學改革，分別由66.9%提高至71.7%和由66.7%提高至73.8%，反映了教學改革對這兩種能力帶來的明顯提升。

3.3 成績分析

教學改革前后以及持續(xù)改進后，課程成績分析見表4。課改前總成績由期末考試成績和作業(yè)成績組成，課改后由期末考試成績、討論課成績、出勤、三級項目（僅限于17級）組成。

從3年的總成績看，由于這門課程對先導專業(yè)課程的掌握深度有較高要求，所以總平均成績在75分左右，體現(xiàn)了課程的難度。成績最高值與最低值，體現(xiàn)的是年級成績優(yōu)秀和學習困難的個體。從平均值95%置信區(qū)間的成績分布看，總體成績是符合正態(tài)分布的。從期末考試情況來看，由于16、17級考試內(nèi)容在15級的理論及應用基礎內(nèi)容之外，增加了體現(xiàn)專業(yè)能力的相應內(nèi)容，16級總評成績略有下降，反映出在第一次改革中專業(yè)能力培養(yǎng)方式有待改進。面對第一輪改革出現(xiàn)的問題，課程在17級教學中增設了三級項目，并且對教學過程進行了閉環(huán)設計，以進一步加強專業(yè)交流、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)改進的能力，使得總評成績由16級的74.775提升至17級的77.954，取得了良好的教學效果。今后在現(xiàn)有教學改革成果的基礎上，本課程還需進一步加強過程管理，細化教學內(nèi)容，持續(xù)改進。

4 結束語

整個教學過程始終貫徹“以學生為中心”的思想，教學目標以學生獲得相應的學習成果即能力為導向，結合學習通教學管理軟件及學生的特點，采用翻轉(zhuǎn)課堂、討論課和項目式教學多種形式相結合的方式，形成了閉環(huán)循環(huán)增強的教學模式，保證了教學模式和教學效果與產(chǎn)出的持續(xù)改進。對電力電子電路仿真課程進行了“學習基礎明確化、教學內(nèi)容系統(tǒng)化、項目內(nèi)容層次化、考核方式多樣化、教學管理過程化”的教學組織與實施。逐步實現(xiàn)課堂向?qū)υ捠?、開放式轉(zhuǎn)變，教學從重知識向重能力轉(zhuǎn)變、從重學輕思向?qū)W思結合轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)學習過程由“教師主導”向“以學生為中心”轉(zhuǎn)變。

參考文獻

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Reform and implementation of power electronic system simulation course based on OBE

WEI Yan-jun， ZHANG Di

（School of Electrical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao， Hebei 066004， China）

AbstractPower electronic simulation course has the characteristics of high professional， strong practical， the knowledge involved is bread and deep. In view of this， in order to solve the problem of traditional teaching mode in which the students′ participation and learning initiative is not enough， learning efficiency is low， and it′s difficult to evaluate the study effect of students roundly. OBE′s idea is introduced in the course of teaching. The course content is reviewed systematically. A hybrid teaching mode and method of process management are designed to satisfy the requirement of the orientation of engineering certification. An effective closed loop improvement teaching mode is formed to ensure output results ability. The purpose is to make the student to obtain the research and analysis ability and system simulation ability of power electronic circuit system， to improve the expression and professional writing level of electrical engineering problems， and to strengthen the team cooperation and communication to achieve the learning outcomes.

Keywords

OBE; closed loop cycle improvement teaching mode; simulation

[責任編輯 孫 菊]

[收稿日期] 2020-10-28

[基金項目] 2020—2021年度河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（2020GJJG058）;2021年河北省專業(yè)學位教學案例（庫）建設項目（KCJSZ2021025）;2019年度河北省虛擬仿真實驗教學項目（冀教高處函〔2019〕12號）;2018年燕山大學教學研究與改革項目（2018XJJG29）

[作者簡介] *魏艷君（1969—），女，河北灤南人。副教授，博士，主要研究方向為電力電子與電力傳動、光伏電能變換。