AI時代電氣工程及其自動化專業(yè)課程體系改革

[摘 要] 為順應(yīng)AI時代對人才培養(yǎng)提出的新要求，電氣工程及其自動化專業(yè)應(yīng)著力開展教學(xué)改革。課程體系建設(shè)是專業(yè)發(fā)展的根基，因此其始終是教學(xué)改革的重點和難點。為此，分析電氣類本科課程體系在AI時代發(fā)展下存在的問題，進而以成果導(dǎo)向教育的理念為指引，探索電氣工程及其自動化專業(yè)在AI時代下課程體系設(shè)計和構(gòu)建內(nèi)容。從課程體系建設(shè)的角度為AI時代下電氣類本科專業(yè)發(fā)展提供了參考。

[關(guān)鍵詞] 人工智能;成果導(dǎo)向教育;電氣工程及其自動化;課程體系

[基金項目] 2020年度四川輕化工大學(xué)教學(xué)改革研究項目“基于OBE教育理念的人工智能時代電氣工程專業(yè)課程體系的探索與實踐”（JG-2006）;2021—2023年四川省高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項目“以工業(yè)4.0需求為導(dǎo)向的電子電氣信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索及實踐”（JG2021-1044）

[作者簡介] 黃沁元（1984—），男，四川自貢人，工學(xué)博士，四川輕化工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院副教授，主要從事電力電子技術(shù)研究。

[中圖分類號] G642.0 ? [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）18-0077-04 [收稿日期] 2022-01-06

人工智能（Artificial Intelligence， AI）是一門研究用于模擬、延伸和擴展人類智能的科學(xué)技術(shù)[1]。當今人類世界已步入AI時代[2]，在電氣工程領(lǐng)域，AI技術(shù)與電氣技術(shù)正逐步融合發(fā)展，有效推動電氣行業(yè)從電氣自動化向電氣智能化躍遷，也由此產(chǎn)生了對AI時代電氣工程人才持續(xù)且大量的需求。于是，電氣類本科教育責無旁貸地肩負起了這一時代重任。然而，介于AI技術(shù)的迅猛發(fā)展，當前我國的電氣類本科教育已暴露出一些不適應(yīng)AI時代下電氣工程人才培養(yǎng)需求的隱患。例如課程體系、教育理念、教學(xué)方式、評價機制等都存在AI和電氣工程融合不深入、聯(lián)系不緊密等問題。這其中課程體系反映著專業(yè)面貌、培養(yǎng)特色和教育思想，在保障和提高教學(xué)質(zhì)量中起著關(guān)鍵作用。因此，本研究借助成果導(dǎo)向教育（Outcome-based Education， OBE）[3]的先進教育理念改革傳統(tǒng)的電氣類課程體系，構(gòu)建出適用于AI時代的電氣工程及其自動化專業(yè)課程體系。

一、當前電氣類本科課程體系存在的問題

（一）培養(yǎng)目標缺乏時代性

各高校針對電氣類專業(yè)制定的培養(yǎng)目標多關(guān)注在電氣工程領(lǐng)域?qū)θ瞬诺漠斍靶枨?，而非著眼于行業(yè)發(fā)展和進步帶來的新興或長遠人才需求。不同于其他技術(shù)，AI的發(fā)展及其對電氣工程領(lǐng)域帶來的變革是迅猛的，也快速重新定義了電氣工程人才需求。面對AI時代下的人才需求，當前電氣類培養(yǎng)目標均出現(xiàn)了缺乏時代感的困境，相繼暴露出培養(yǎng)目標定位不清晰、描述不具體、重點不突出、對人才培養(yǎng)的支撐力度不夠等負面現(xiàn)象問題。

（二）課程結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)性

AI時代下的電氣類本科課程結(jié)構(gòu)應(yīng)清晰準確地包含電氣工程專業(yè)本科生所應(yīng)具備的傳統(tǒng)電氣知識、必備AI知識，以及電氣智能化發(fā)展所需要的AI和電氣融合知識，同時還應(yīng)按各知識的遞進關(guān)系和先后順序組成一個知識學(xué)習(xí)進程。然而，當前我國各高校在課程結(jié)構(gòu)方面仍在強化自身多年來建立的傳統(tǒng)電氣領(lǐng)域特色，而弱化了電氣類專業(yè)發(fā)展特色與新興AI技術(shù)發(fā)展特色相結(jié)合的程度。這導(dǎo)致了課程結(jié)構(gòu)中能滿足AI時代對電氣人才培養(yǎng)需求的內(nèi)容趨于形式、表現(xiàn)單一、課程間銜接生硬，系統(tǒng)化的課程結(jié)構(gòu)缺乏問題愈發(fā)明顯。

（三）課程教學(xué)缺乏實踐性

隨著AI技術(shù)的快速革新及其與電氣工程領(lǐng)域的融合，傳統(tǒng)電氣技術(shù)逐步向智能電氣技術(shù)轉(zhuǎn)變。這致使原有課程體系中傳統(tǒng)的實踐實訓(xùn)難以應(yīng)對在智能電氣技術(shù)發(fā)展下對于學(xué)生實踐能力培養(yǎng)的要求。甚至在有的實踐實訓(xùn)課程中已不足以體現(xiàn)AI技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域中的技術(shù)融入和應(yīng)用情況。因此，傳統(tǒng)的電氣類本科課程體系即使擁有足夠的實踐實訓(xùn)覆蓋面和執(zhí)行量，但在沒有立足智能電氣核心知識內(nèi)容和發(fā)展趨勢的條件下，任何實踐實訓(xùn)課程都會缺乏對于匹配時代發(fā)展和行業(yè)需求的專業(yè)實踐能力培養(yǎng)效果。

（四）課程考評缺乏創(chuàng)新性

當前對學(xué)生達成畢業(yè)要求的評判主要局限于學(xué)分，對課程學(xué)習(xí)成果的評價多關(guān)注在考試成績中。這種考評機制并不能充分評定學(xué)生在經(jīng)歷學(xué)習(xí)過程后所能達到的學(xué)習(xí)效果和所能取得的學(xué)習(xí)成果。尤其當迅猛發(fā)展的AI技術(shù)與電氣工程領(lǐng)域深入融合時，采用形式化和模式化的考評機制必然缺乏對學(xué)習(xí)效果全面的量化能力，其所評價的學(xué)習(xí)成果也并不能完全匹配人才培養(yǎng)需求。陳舊的考評機制已成為限制教育效果保障力度和提升程度的嚴重問題，課程考評的創(chuàng)新勢在必行。

二、AI時代電氣工程及其自動化專業(yè)課程體系構(gòu)建

（一）OBE教育理念

由Spady等人于1981年提出的OBE教育理念，得到了國內(nèi)外高等教育界的廣泛關(guān)注和應(yīng)用[4]。其教學(xué)設(shè)計及其實施策略始終圍繞學(xué)生通過教育過程后所能獲得的學(xué)習(xí)成果開展。這也使得采用OBE教育理念所執(zhí)行的教學(xué)活動遵從反向設(shè)計原則[5]，由梳理清晰的學(xué)生畢業(yè)時應(yīng)當具備的學(xué)習(xí)成果來指引教學(xué)內(nèi)容和評價體系。

（二）運用OBE構(gòu)建AI時代課程體系的思路

首先，為制定符合時代發(fā)展的培養(yǎng)目標，有必要緊密結(jié)合AI時代背景下國家、社會和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對電氣工程領(lǐng)域產(chǎn)生的人才新需求，以及認真考慮學(xué)生個人發(fā)展所要提出的培養(yǎng)需求，再充分兼顧學(xué)校特色與專業(yè)定位所形成的教育需求。其次，根據(jù)培養(yǎng)目標在反向設(shè)計和改良傳統(tǒng)電氣類課程體系時，需徹底打破原有課程體系中的課程壁壘、加強課程之間的聯(lián)系性、改變對知識單元僅局限在單一課程中看待的陳舊視角，增強AI課程的系統(tǒng)性、強化突出AI技術(shù)與電氣技術(shù)融合應(yīng)用的課程、拓展AI技術(shù)在電氣領(lǐng)域中的實踐內(nèi)容，讓課程體系能夠支撐知識結(jié)構(gòu)，使每門課程的學(xué)習(xí)效果均與所要培養(yǎng)的人才能力結(jié)構(gòu)相呼應(yīng)。最后，秉承以學(xué)生為主體的思想，適當創(chuàng)新課程考評機制，將課程學(xué)習(xí)效果的量化與學(xué)習(xí)課程所能獲得的專業(yè)能力程度緊密關(guān)聯(lián)起來，吸納社會評價和學(xué)生評價來補充培養(yǎng)目標達成度的評價結(jié)果。

（三）AI時代電氣工程及其自動化專業(yè)課程體系的構(gòu)建依據(jù)

在OBE教育理念中，學(xué)習(xí)成果是構(gòu)建課程體系的起始點，亦是通過課程體系實現(xiàn)人才培養(yǎng)的終點[6]。于是，課程體系的架構(gòu)即是對應(yīng)于人才培養(yǎng)的評價指標，根據(jù)各指標的要求設(shè)計可對其相應(yīng)的課程逐一建立完整的體系內(nèi)容。以電氣工程及其自動化專業(yè)為例，其可歸納為12條畢業(yè)能力要求，進而衍生出各要求下的逐個評價指標。如圖1所示，這12條畢業(yè)能力要求覆蓋了AI技術(shù)與電氣技術(shù)深度融合后，在電氣工程領(lǐng)域向智能化發(fā)展的前提下，國家、社會、產(chǎn)業(yè)、學(xué)校、專業(yè)和個人對于電氣工程人才的理解與要求。這也正是AI時代電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生在經(jīng)歷人才培養(yǎng)后所能取得的普遍學(xué)習(xí)成果。它重在體現(xiàn)AI時代的電氣工程人才培養(yǎng)應(yīng)注重建立和夯實數(shù)理知識能力、分析表達能力、解決問題能力、實驗?zāi)芰?、資源使用能力、客觀評價能力、可持續(xù)發(fā)展能力、工程實踐能力、組織協(xié)調(diào)能力、交流溝通能力、決策管理能力、持續(xù)學(xué)習(xí)能力。在以學(xué)生為中心的原則下，課程體系是完全服務(wù)于讓學(xué)生取得圓滿的學(xué)習(xí)成果，其所組織和設(shè)立的課程內(nèi)容乃至課程教學(xué)實施過程都是為了使學(xué)生的學(xué)習(xí)成效滿足評價指標。因此，所制定的人才培養(yǎng)評價指標是課程體系構(gòu)建的關(guān)鍵依據(jù)，課程觀、課程目標、課程內(nèi)容、課程結(jié)構(gòu)、課程活動、課程關(guān)聯(lián)、課程銜接、課程實施等構(gòu)建課程體系的具體內(nèi)容皆有據(jù)可依、有序可循。

（四）面向AI時代的電氣工程及其自動化專業(yè)課程體系內(nèi)容

按照建設(shè)思路和建設(shè)依據(jù)，設(shè)計了如圖2所示的電氣工程及其自動化專業(yè)課程體系內(nèi)容。首先，整個課程體系以AI技術(shù)與電氣技術(shù)的交叉融合為核心。AI技術(shù)和電氣技術(shù)分別作為基礎(chǔ)技術(shù)內(nèi)容，兩者的交互和衍生知識作為交叉技術(shù)內(nèi)容，而AI技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用知識作為AI與電氣的融合技術(shù)內(nèi)容，以此集成AI時代的電氣技術(shù)重點和發(fā)展特點。其次，在課程架構(gòu)上以課程核心為出發(fā)點，由AI和電氣的基礎(chǔ)技術(shù)內(nèi)容形成奠基課程，覆蓋素質(zhì)教育、學(xué)科基礎(chǔ)和專業(yè)基礎(chǔ)的所有課程內(nèi)容;由AI和電氣的交叉技術(shù)內(nèi)容形成擴展課程，從素質(zhì)教育實踐、集中實踐和專業(yè)核心課程三個方面以理論與實踐結(jié)合的角度開展與AI和電氣交叉技術(shù)相關(guān)的課程內(nèi)容;由AI與電氣的融合技術(shù)建立融合課程，以AI時代的電氣工程技術(shù)應(yīng)用和需求為主開設(shè)課程內(nèi)容。接著，在課程內(nèi)涵上以AI時代的電氣技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用為課程觀;由課程觀指向?qū)?yīng)畢業(yè)能力要求，形成對應(yīng)課程所要達成的課程目標;由各量化的課程目標組建課程完整的內(nèi)容;以課程內(nèi)容制定課程開展的結(jié)構(gòu)和相關(guān)的教學(xué)活動。最后，在課程的實施方面從課前、課中和課后三個階段依序進行，在課前完成課程目標、課程內(nèi)容、課程資源的發(fā)布、宣貫和推送;在課中進行針對性教學(xué)、精講與點評、工程案例分析、電氣AI交互關(guān)聯(lián)解析、課堂師生互動、思想政治教育等多方面的課程內(nèi)容，同時采用線上線下、虛擬仿真、動手實踐等多手段的授課方式實施課程;而在課后重點關(guān)注因材施教式的個性化輔導(dǎo)、學(xué)期數(shù)據(jù)分析、教學(xué)效果反思和持續(xù)改進等內(nèi)容。

結(jié)語

本文在研究和應(yīng)用OBE教育理念的基礎(chǔ)上，為面向AI時代的電氣工程及其自動化專業(yè)本科課程體系建設(shè)提供了構(gòu)建方法，為我國當前電氣類本科教育的發(fā)展提出了課程體系改革范例。同時，以此課程體系框架為基礎(chǔ)，可根據(jù)不同高校在對電氣類本科人才培養(yǎng)特色的不同，擴展出更為具體化和專有化的課程體系內(nèi)容。

參考文獻

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[3]劉白楊，唐杰，唐欣，等.基于OBE理念的電氣工程專業(yè)應(yīng)用型課程體系建設(shè)與教學(xué)實施改革[J].教育教學(xué)論壇，2020（9）：151-152.

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Reform of Curriculum System of Electrical Engineering and Automation in the Era of AI

HUANG Qin-yuan

（School of Automation and Information Engineering， Sichuan University of Science and Engineering， Zigong， Sichuan 643000， China）

Abstract： In order to meet the new requirements for personnel training in the era of Artificial Intelligence （AI）， the major of electrical engineering and automation should focus on teaching reform. Since the construction of a curriculum system is the foundation of professional development， it is always the key and difficult point of teaching reform. To this end， the problems of the electrical undergraduate curriculum system in response to the development of the era of AI are analyzed， and then the design and construction of the curriculum system for electrical engineering and automation in the era of AI are explored with the concept of outcome-based education as a guide. This paper may provide reference and practice for developing electrical undergraduate majors in the era of AI from the perspective of curriculum system construction.

Key words： artificial intelligence; outcome-based education; electrical engineering and automation; curriculum system