基于OBE的电力电子系统仿真课程教学改革与实施

[摘 要] 针对电力电子电路仿真课程专业性和实践性强、涉及知识面具有一定广度和深度的特点，为克服传统教学方式学生的参与度不够、学习主动性不高、学习效率低，以及难以对学生学习效果进行全面评价的问题，引入OBE理念，对课程内容进行了系统的梳理，设计了满足工程认证导向要求的混合式教学方式和过程管理方法。为保障成果能力产出，形成了有效的闭环循环增进教学模式，以使学生获得电力电子电路与系统的仿真研究与分析能力，提高对电气工程问题与系统的表达、分析能力及专业写作水平，加强团队合作与沟通，以达成学习成果。

[关键词] OBE;闭环循环增进教学模式;仿真

[中图分类号] G642.4  [文献标识码] A  [文章编号] 1005-4634（2022）01-0077-05

0 引言

电力电子电路仿真是有关基于计算机软件对各种电气系统的工作原理及参数影响进行再现、验证，并借助软件对系统性能进行专业分析、系统创新与分析验证的一门专业课程。课程除涉及软件的运行与应用方法以外，最根本的是对电气工程中的各种系统及其控制进行原理和性能的分析与仿真。教学目标重在专业内容在软件中的表达、实现、运行及分析能力。本研究根据燕山大学行业与专业特色对课程教学内容进行精心设计与规划。

本课程对学生的数学功底与专业的内容理解程度要求较高，而目前广泛使用和认可的仿真软件MATLAB系统相对复杂，同时仿真手段与专业内容的结合既要灵活又要合理有效。因此，在有限的课时内进行教学内容与教学活动是一个具有挑战性的问题。本课程一直在这两方面进行着积极的探索。

针对本科教与学过程的特征与问题[1]，清华大学顾学雍、华中科技大学黄晓明等在教学内容、教学模式方面进行了有益的思考和探索[2-4]。教学内容不断更新，教学模式遵循交互式课堂教学模式，倡导“从学生视角出发”“教师是交互式课堂的引导者”以及“增强沉浸式体验”[5-6]。武汉理工大学张安富、华中师范大学高巍就高校教育质量保障体系、学生学习的评价量表进行了系统的分析研究与设计，以促进改善教学质量[7-8]。但教学模式在教学过程中的相互促进还有进一步提升的空间。

本课程基于“以学生为本、成果导向、持续改进”的成果导向教育（Outcome-Based Education，简称OBE）理念进行教学改革，探索一种闭环循环增进教学模式，使得课程的教学目标更加清晰，学习成果进一步加强，获得了较好的学习效果。

1 基于OBE理念的课程教学改革

为适应现代工业对高等教育的要求，保障教育投入，形成有效成果产出，美国学者斯帕迪（Spady）于1981年提出了成果导向教育OBE，他在《基于产出的教育模式：争议与答案》一书中将OBE定义为“清晰地聚焦和组织教育系统，使之围绕确保学生获得在未来生活中实质性成功的经验”[9];强调围绕学习产出这个中心，开展课程教学和学习评价。该理念被世界很多国家公认为是高等工程教育的正确方向并采纳。2013年6月，我国加入“华盛顿协议”，以成果导向教育理念引导工程教育改革。

OBE理念强调学生的“学习成果”（也称“学习产出”），即学生总体应获得的能力与水平——培养目标。对于学生学习成果的评价重在其分析、评价与创造能力的评估，而非简单记忆、理解与应用。课程体系改革步骤，如图1所示。

出发点从需求（包括内部需求和外部需求）开始，针对需求确定专业培养目标。根据培养目标总结出需要的能力以支持专业培养目标，即得到专业的毕业要求。课程体系与课程内容的设计与规划、教学活动的开展全部围绕毕业要求与培养目标进行[10]。

课程体系包括课程（含课程实验和课程三级项目）、课程设计、生产实习、毕业设计、讲座。课程间存在合理、有效的衔接与融合，各教学环节相互协调补充，整个体系与教学方式能够完全支撑全部培养目标。

2 课程教学改革方案及实施

基于OBE理念，在燕山大学电气工程专业的培养目标及学生毕业要求的框架下，电力电子电路仿真课程的教学模式框架确定，如图2所示。

2.1 以需求为导向的培养目标

本课程对电气工程的专业培养计划与专业学习成果进行支撑，达到两项工程认证毕业培养目标要求：（1）能够将数学、自然科学、电气工程理论等基础理论和专业知识用于分析和解决电气系统中的复杂工程问题;（2）能够针对电气系统的复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。

将以上两个培养目标进行具体化，归纳本课程的培养目标为：（1）能够利用MATLAB软件实现各种数学运算，实现电气系统的数学模型的仿真及仿真结果展示与分析;（2）使用图、表形式对系统的数学模型性能进行展示与分析;（3）能够依据电力电子系统的原理和设计的要求使用仿真软件（MATLAB），实现基于仿真模块的电力电子电路的工作原理仿真及结果展示与分析;（4）基于仿真模块的电力电子电路系统的构成与仿真，使用图、表形式对性能分析进行展示;（5）仿真验证对系统的改进方案，并使用图、表形式对运算结果进行展示与分析。

2.2 以学习成果为导向的教学安排

（1）课程内容。从教学内容上分为两个等级：应用基础与专业仿真应用，如表1所示。

应用基础内容针对的是软件的应用方法。对于所选用的覆盖专业领域极广的MATLAB软件来说，其内容包罗各种专业的计算及应用，如不加选择，全盘介绍，极易对学生的思维造成困惑和干扰。因此，本研究围绕着教学目标，抽取了软件基础应用中与专业能力相关的内容，形成系统的、有条理的，同时兼顾简洁性的教学内容，保证在相应的时间内能够建立完整的软件应用基础和能力。

专业仿真应用部分以最终产出成果为目标，围绕电力电子电路及其系统的数学模型、电路模块模型设置了主电路工作原理仿真与分析、电路系统分析案例和直流拖动控制系统项目案例，在掌握软件基本应用方法的基础上针对实际案例进行专业仿真与分析。将各种应用类型、各种性能分析方法融合其中，做到对成果产出的完整、准确对焦。将学生的学习目标聚焦在这些学习成果上，做到以产出为中心，展开教学与学习。

（2）教学方法的改进与实施。在工程教育改革强调压缩课堂学时的前提下，教学内容的改进和丰富与有限的学时之间的矛盾更加突出。为解决这一矛盾，本研究将多种教学方法结合起来，发挥各种教学方法的优势，提高教学与学习效率，促进学生学习的积极性，实现多方面能力的培养目标，形成闭环循环增进教学模式，如图3所示。

充分发挥灵活多样的教学方式以提升教学效果。由系统、完整、结构清晰、简洁的基础内容及基础案例组成课上教学，对于能够由基础内容引申的较复杂、繁琐的环节，制作相关教学视频，利用翻转课堂，引导学生课下进一步自主探究、进行更深层次的理解。或构成项目式教学内容进行课程三级项目，给予勇于实践、独立思考的机会，补充课堂学时的不足。针对教学内容，教师组织讨论课，将学习和能力产出效果反馈到课堂上来。教师和学生共同纠偏、查错、深度加强形成一个循序渐进、逐步增强的闭环学习过程。最后，通过项目式教学，进行一个从参数设计、原理分析、参数校验、系统设计、系统性能验证、展示方法、各方面性能阐述的完整的系统仿真过程，实现综合能力的整体训练，形成完整有效的产出成果。

（3）过程管理与考核。本研究为保证各个教学环节实现教学目标并达到预期效果，根据课程教学方式多样化、能力培养目标及全面考核的需求，在各教学环节及内容方面围绕教学目标及成果产出进行过程管理方法的组织与设计;对目标达成度从培养目标的各个方面进行评价，评价方式多样化，避免一考定终身、评价片面、注重记忆的问题。表2为课程进修过程各环节的考核目标。

完善的过程管理是教学过程不流于形式的有效保障之一。本研究使用教学管理软件“学习通”实施一部分管理过程，其中基础摸底环节的后续课程所涉及的专业知识目录会及时在学习通中发布，并安排若干次随堂测试，检验相关专业知识的掌握情况。另外，本研究还通过该平台进行讨论课题目分配、讨论课小组报告上传及考评、学生出勤考核，适时掌握学生的学习情况，做到教学管理过程化。

充分考虑课程培养目标与学生所要达到的能力，本门课程依据全过程控制的理念考核。课程考核包括4个部分，分别为出勤、作业、讨论课和结课考试，从学习态度、课本知识的掌握、对专业内容的仿真分析、专业知识的表达、描述与分析能力等各方面进行全面的评价。避免对记忆性知识侧重过多，以各方面能力评价学习效果，并反过来检验教学环节中对各方面能力的培养，为教学循环的改进提供参考依据。

3 教学改革效果

电力电子电路仿真课程教学改革从2019年开始，已在16级、17级应用电子技术专业学生中进行了两轮教学实践。学校在16级教学过程中开设课堂练并增设讨论课，在17级教学过程中进一步增加了三级项目环节。改革前（15级）、第一轮改革（16级）以及第二轮改进（17级）课程的课堂效果、作业完成情况与成绩对比分析如下。

3.1 课堂效果与作业完成

与单一课堂讲述相比，第一轮改革中的随堂练和讨论课对教学的促进效果明显。随堂练使得基础应用易错与易混淆点在课堂上能够清晰地表现出来，并得到及时的更正。讨论课上学生发言踊跃、积极思考，对专业内容的应用与理解能够在教师的引导下走向更深层次。学生的分析能力与专业表达能力得到了提高。在第二轮改进中，三级项目的增加提高了学生的系统仿真与综合分析能力，课程教学目标及能力产出得到了更全面的保障。作业完成率达到100%，作业优良率提升到80%以上。

3.2 试卷分析

按照工程认证的理念，试卷内容根据毕业培养目标能力要求进行了分类，相应内容的得分率直接反映了能力的获得情况，能力获得分析如表3所示。

由表3各能力的相对得分率可以看出：软件应用基础的得分率三个年级逐年略有上升，而相对于电气系统的分析和预测模拟能力，经过两轮的教学改革，分别由66.9%提高至71.7%和由66.7%提高至73.8%，反映了教学改革对这两种能力带来的明显提升。

3.3 成绩分析

教学改革前后以及持续改进后，课程成绩分析见表4。课改前总成绩由期末考试成绩和作业成绩组成，课改后由期末考试成绩、讨论课成绩、出勤、三级项目（仅限于17级）组成。

从3年的总成绩看，由于这门课程对先导专业课程的掌握深度有较高要求，所以总平均成绩在75分左右，体现了课程的难度。成绩最高值与最低值，体现的是年级成绩优秀和学习困难的个体。从平均值95%置信区间的成绩分布看，总体成绩是符合正态分布的。从期末考试情况来看，由于16、17级考试内容在15级的理论及应用基础内容之外，增加了体现专业能力的相应内容，16级总评成绩略有下降，反映出在第一次改革中专业能力培养方式有待改进。面对第一轮改革出现的问题，课程在17级教学中增设了三级项目，并且对教学过程进行了闭环设计，以进一步加强专业交流、系统分析、系统改进的能力，使得总评成绩由16级的74.775提升至17级的77.954，取得了良好的教学效果。今后在现有教学改革成果的基础上，本课程还需进一步加强过程管理，细化教学内容，持续改进。

4 结束语

整个教学过程始终贯彻“以学生为中心”的思想，教学目标以学生获得相应的学习成果即能力为导向，结合学习通教学管理软件及学生的特点，采用翻转课堂、讨论课和项目式教学多种形式相结合的方式，形成了闭环循环增强的教学模式，保证了教学模式和教学效果与产出的持续改进。对电力电子电路仿真课程进行了“学习基础明确化、教学内容系统化、项目内容层次化、考核方式多样化、教学管理过程化”的教学组织与实施。逐步实现课堂向对话式、开放式转变，教学从重知识向重能力转变、从重学轻思向学思结合转变，实现学习过程由“教师主导”向“以学生为中心”转变。

参考文献

[1] 阎光才.我国本科教与学过程的特征与问题分析[J].中国高教研究，2020（5）：1-8.