魏艷君 張迪

[摘 要] 針對(duì)電力電子電路仿真課程專業(yè)性和實(shí)踐性強(qiáng)、涉及知識(shí)面具有一定廣度和深度的特點(diǎn)，為克服傳統(tǒng)教學(xué)方式學(xué)生的參與度不夠、學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高、學(xué)習(xí)效率低，以及難以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行全面評(píng)價(jià)的問(wèn)題，引入OBE理念，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理，設(shè)計(jì)了滿足工程認(rèn)證導(dǎo)向要求的混合式教學(xué)方式和過(guò)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(jìn)教學(xué)模式，以使學(xué)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(duì)電氣工程問(wèn)題與系統(tǒng)的表達(dá)、分析能力及專業(yè)寫作水平，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作與溝通，以達(dá)成學(xué)習(xí)成果。

[關(guān)鍵詞] OBE;閉環(huán)循環(huán)增進(jìn)教學(xué)模式;仿真

[中圖分類號(hào)] G642.4? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? [文章編號(hào)] 1005-4634（2022）01-0077-05

0 引言

電力電子電路仿真是有關(guān)基于計(jì)算機(jī)軟件對(duì)各種電氣系統(tǒng)的工作原理及參數(shù)影響進(jìn)行再現(xiàn)、驗(yàn)證，并借助軟件對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行專業(yè)分析、系統(tǒng)創(chuàng)新與分析驗(yàn)證的一門專業(yè)課程。課程除涉及軟件的運(yùn)行與應(yīng)用方法以外，最根本的是對(duì)電氣工程中的各種系統(tǒng)及其控制進(jìn)行原理和性能的分析與仿真。教學(xué)目標(biāo)重在專業(yè)內(nèi)容在軟件中的表達(dá)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行及分析能力。本研究根據(jù)燕山大學(xué)行業(yè)與專業(yè)特色對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與規(guī)劃。

本課程對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)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(rèn)可的仿真軟件MATLAB系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)仿真手段與專業(yè)內(nèi)容的結(jié)合既要靈活又要合理有效。因此，在有限的課時(shí)內(nèi)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)活動(dòng)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。本課程一直在這兩方面進(jìn)行著積極的探索。

針對(duì)本科教與學(xué)過(guò)程的特征與問(wèn)題[1]，清華大學(xué)顧學(xué)雍、華中科技大學(xué)黃曉明等在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式方面進(jìn)行了有益的思考和探索[2-4]。教學(xué)內(nèi)容不斷更新，教學(xué)模式遵循交互式課堂教學(xué)模式，倡導(dǎo)“從學(xué)生視角出發(fā)”“教師是交互式課堂的引導(dǎo)者”以及“增強(qiáng)沉浸式體驗(yàn)”[5-6]。武漢理工大學(xué)張安富、華中師范大學(xué)高巍就高校教育質(zhì)量保障體系、學(xué)生學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)量表進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究與設(shè)計(jì)，以促進(jìn)改善教學(xué)質(zhì)量[7-8]。但教學(xué)模式在教學(xué)過(guò)程中的相互促進(jìn)還有進(jìn)一步提升的空間。

本課程基于“以學(xué)生為本、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的成果導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education，簡(jiǎn)稱OBE）理念進(jìn)行教學(xué)改革，探索一種閉環(huán)循環(huán)增進(jìn)教學(xué)模式，使得課程的教學(xué)目標(biāo)更加清晰，學(xué)習(xí)成果進(jìn)一步加強(qiáng)，獲得了較好的學(xué)習(xí)效果。

1 基于OBE理念的課程教學(xué)改革

為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高等教育的要求，保障教育投入，形成有效成果產(chǎn)出，美國(guó)學(xué)者斯帕迪（Spady）于1981年提出了成果導(dǎo)向教育OBE，他在《基于產(chǎn)出的教育模式：爭(zhēng)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(xué)生獲得在未來(lái)生活中實(shí)質(zhì)性成功的經(jīng)驗(yàn)”[9];強(qiáng)調(diào)圍繞學(xué)習(xí)產(chǎn)出這個(gè)中心，開展課程教學(xué)和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)。該理念被世界很多國(guó)家公認(rèn)為是高等工程教育的正確方向并采納。2013年6月，我國(guó)加入“華盛頓協(xié)議”，以成果導(dǎo)向教育理念引導(dǎo)工程教育改革。

OBE理念強(qiáng)調(diào)學(xué)生的“學(xué)習(xí)成果”（也稱“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”），即學(xué)生總體應(yīng)獲得的能力與水平——培養(yǎng)目標(biāo)。對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)成果的評(píng)價(jià)重在其分析、評(píng)價(jià)與創(chuàng)造能力的評(píng)估，而非簡(jiǎn)單記憶、理解與應(yīng)用。課程體系改革步驟，如圖1所示。

出發(fā)點(diǎn)從需求（包括內(nèi)部需求和外部需求）開始，針對(duì)需求確定專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)總結(jié)出需要的能力以支持專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，即得到專業(yè)的畢業(yè)要求。課程體系與課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)與規(guī)劃、教學(xué)活動(dòng)的開展全部圍繞畢業(yè)要求與培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行[10]。

課程體系包括課程（含課程實(shí)驗(yàn)和課程三級(jí)項(xiàng)目）、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、講座。課程間存在合理、有效的銜接與融合，各教學(xué)環(huán)節(jié)相互協(xié)調(diào)補(bǔ)充，整個(gè)體系與教學(xué)方式能夠完全支撐全部培養(yǎng)目標(biāo)。

2 課程教學(xué)改革方案及實(shí)施

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

2.1 以需求為導(dǎo)向的培養(yǎng)目標(biāo)

本課程對(duì)電氣工程的專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃與專業(yè)學(xué)習(xí)成果進(jìn)行支撐，達(dá)到兩項(xiàng)工程認(rèn)證畢業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求：（1）能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、電氣工程理論等基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)用于分析和解決電氣系統(tǒng)中的復(fù)雜工程問(wèn)題;（2）能夠針對(duì)電氣系統(tǒng)的復(fù)雜工程問(wèn)題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對(duì)問(wèn)題的預(yù)測(cè)與模擬，并能夠理解其局限性。

將以上兩個(gè)培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行具體化，歸納本課程的培養(yǎng)目標(biāo)為：（1）能夠利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的仿真及仿真結(jié)果展示與分析;（2）使用圖、表形式對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型性能進(jìn)行展示與分析;（3）能夠依據(jù)電力電子系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)的要求使用仿真軟件（MATLAB），實(shí)現(xiàn)基于仿真模塊的電力電子電路的工作原理仿真及結(jié)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(gòu)成與仿真，使用圖、表形式對(duì)性能分析進(jìn)行展示;（5）仿真驗(yàn)證對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)方案，并使用圖、表形式對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行展示與分析。

2.2 以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的教學(xué)安排

（1）課程內(nèi)容。從教學(xué)內(nèi)容上分為兩個(gè)等級(jí)：應(yīng)用基礎(chǔ)與專業(yè)仿真應(yīng)用，如表1所示。

應(yīng)用基礎(chǔ)內(nèi)容針對(duì)的是軟件的應(yīng)用方法。對(duì)于所選用的覆蓋專業(yè)領(lǐng)域極廣的MATLAB軟件來(lái)說(shuō)，其內(nèi)容包羅各種專業(yè)的計(jì)算及應(yīng)用，如不加選擇，全盤介紹，極易對(duì)學(xué)生的思維造成困惑和干擾。因此，本研究圍繞著教學(xué)目標(biāo)，抽取了軟件基礎(chǔ)應(yīng)用中與專業(yè)能力相關(guān)的內(nèi)容，形成系統(tǒng)的、有條理的，同時(shí)兼顧簡(jiǎn)潔性的教學(xué)內(nèi)容，保證在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)能夠建立完整的軟件應(yīng)用基礎(chǔ)和能力。

專業(yè)仿真應(yīng)用部分以最終產(chǎn)出成果為目標(biāo)，圍繞電力電子電路及其系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、電路模塊模型設(shè)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(dòng)控制系統(tǒng)項(xiàng)目案例，在掌握軟件基本應(yīng)用方法的基礎(chǔ)上針對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行專業(yè)仿真與分析。將各種應(yīng)用類型、各種性能分析方法融合其中，做到對(duì)成果產(chǎn)出的完整、準(zhǔn)確對(duì)焦。將學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)聚焦在這些學(xué)習(xí)成果上，做到以產(chǎn)出為中心，展開教學(xué)與學(xué)習(xí)。

（2）教學(xué)方法的改進(jìn)與實(shí)施。在工程教育改革強(qiáng)調(diào)壓縮課堂學(xué)時(shí)的前提下，教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)和豐富與有限的學(xué)時(shí)之間的矛盾更加突出。為解決這一矛盾，本研究將多種教學(xué)方法結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各種教學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)，提高教學(xué)與學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，實(shí)現(xiàn)多方面能力的培養(yǎng)目標(biāo)，形成閉環(huán)循環(huán)增進(jìn)教學(xué)模式，如圖3所示。

充分發(fā)揮靈活多樣的教學(xué)方式以提升教學(xué)效果。由系統(tǒng)、完整、結(jié)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)潔的基礎(chǔ)內(nèi)容及基礎(chǔ)案例組成課上教學(xué)，對(duì)于能夠由基礎(chǔ)內(nèi)容引申的較復(fù)雜、繁瑣的環(huán)節(jié)，制作相關(guān)教學(xué)視頻，利用翻轉(zhuǎn)課堂，引導(dǎo)學(xué)生課下進(jìn)一步自主探究、進(jìn)行更深層次的理解?；驑?gòu)成項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行課程三級(jí)項(xiàng)目，給予勇于實(shí)踐、獨(dú)立思考的機(jī)會(huì)，補(bǔ)充課堂學(xué)時(shí)的不足。針對(duì)教學(xué)內(nèi)容，教師組織討論課，將學(xué)習(xí)和能力產(chǎn)出效果反饋到課堂上來(lái)。教師和學(xué)生共同糾偏、查錯(cuò)、深度加強(qiáng)形成一個(gè)循序漸進(jìn)、逐步增強(qiáng)的閉環(huán)學(xué)習(xí)過(guò)程。最后，通過(guò)項(xiàng)目式教學(xué)，進(jìn)行一個(gè)從參數(shù)設(shè)計(jì)、原理分析、參數(shù)校驗(yàn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)性能驗(yàn)證、展示方法、各方面性能闡述的完整的系統(tǒng)仿真過(guò)程，實(shí)現(xiàn)綜合能力的整體訓(xùn)練，形成完整有效的產(chǎn)出成果。

（3）過(guò)程管理與考核。本研究為保證各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)并達(dá)到預(yù)期效果，根據(jù)課程教學(xué)方式多樣化、能力培養(yǎng)目標(biāo)及全面考核的需求，在各教學(xué)環(huán)節(jié)及內(nèi)容方面圍繞教學(xué)目標(biāo)及成果產(chǎn)出進(jìn)行過(guò)程管理方法的組織與設(shè)計(jì);對(duì)目標(biāo)達(dá)成度從培養(yǎng)目標(biāo)的各個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方式多樣化，避免一考定終身、評(píng)價(jià)片面、注重記憶的問(wèn)題。表2為課程進(jìn)修過(guò)程各環(huán)節(jié)的考核目標(biāo)。

完善的過(guò)程管理是教學(xué)過(guò)程不流于形式的有效保障之一。本研究使用教學(xué)管理軟件“學(xué)習(xí)通”實(shí)施一部分管理過(guò)程，其中基礎(chǔ)摸底環(huán)節(jié)的后續(xù)課程所涉及的專業(yè)知識(shí)目錄會(huì)及時(shí)在學(xué)習(xí)通中發(fā)布，并安排若干次隨堂測(cè)試，檢驗(yàn)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的掌握情況。另外，本研究還通過(guò)該平臺(tái)進(jìn)行討論課題目分配、討論課小組報(bào)告上傳及考評(píng)、學(xué)生出勤考核，適時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，做到教學(xué)管理過(guò)程化。

充分考慮課程培養(yǎng)目標(biāo)與學(xué)生所要達(dá)到的能力，本門課程依據(jù)全過(guò)程控制的理念考核。課程考核包括4個(gè)部分，分別為出勤、作業(yè)、討論課和結(jié)課考試，從學(xué)習(xí)態(tài)度、課本知識(shí)的掌握、對(duì)專業(yè)內(nèi)容的仿真分析、專業(yè)知識(shí)的表達(dá)、描述與分析能力等各方面進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)。避免對(duì)記憶性知識(shí)側(cè)重過(guò)多，以各方面能力評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果，并反過(guò)來(lái)檢驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中對(duì)各方面能力的培養(yǎng)，為教學(xué)循環(huán)的改進(jìn)提供參考依據(jù)。

3 教學(xué)改革效果

電力電子電路仿真課程教學(xué)改革從2019年開始，已在16級(jí)、17級(jí)應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生中進(jìn)行了兩輪教學(xué)實(shí)踐。學(xué)校在16級(jí)教學(xué)過(guò)程中開設(shè)課堂練并增設(shè)討論課，在17級(jí)教學(xué)過(guò)程中進(jìn)一步增加了三級(jí)項(xiàng)目環(huán)節(jié)。改革前（15級(jí)）、第一輪改革（16級(jí)）以及第二輪改進(jìn)（17級(jí)）課程的課堂效果、作業(yè)完成情況與成績(jī)對(duì)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(duì)教學(xué)的促進(jìn)效果明顯。隨堂練使得基礎(chǔ)應(yīng)用易錯(cuò)與易混淆點(diǎn)在課堂上能夠清晰地表現(xiàn)出來(lái)，并得到及時(shí)的更正。討論課上學(xué)生發(fā)言踴躍、積極思考，對(duì)專業(yè)內(nèi)容的應(yīng)用與理解能夠在教師的引導(dǎo)下走向更深層次。學(xué)生的分析能力與專業(yè)表達(dá)能力得到了提高。在第二輪改進(jìn)中，三級(jí)項(xiàng)目的增加提高了學(xué)生的系統(tǒng)仿真與綜合分析能力，課程教學(xué)目標(biāo)及能力產(chǎn)出得到了更全面的保障。作業(yè)完成率達(dá)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(rèn)證的理念，試卷內(nèi)容根據(jù)畢業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)能力要求進(jìn)行了分類，相應(yīng)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(duì)得分率可以看出：軟件應(yīng)用基礎(chǔ)的得分率三個(gè)年級(jí)逐年略有上升，而相對(duì)于電氣系統(tǒng)的分析和預(yù)測(cè)模擬能力，經(jīng)過(guò)兩輪的教學(xué)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(xué)改革對(duì)這兩種能力帶來(lái)的明顯提升。

3.3 成績(jī)分析

教學(xué)改革前后以及持續(xù)改進(jìn)后，課程成績(jī)分析見(jiàn)表4。課改前總成績(jī)由期末考試成績(jī)和作業(yè)成績(jī)組成，課改后由期末考試成績(jī)、討論課成績(jī)、出勤、三級(jí)項(xiàng)目（僅限于17級(jí)）組成。

從3年的總成績(jī)看，由于這門課程對(duì)先導(dǎo)專業(yè)課程的掌握深度有較高要求，所以總平均成績(jī)?cè)?5分左右，體現(xiàn)了課程的難度。成績(jī)最高值與最低值，體現(xiàn)的是年級(jí)成績(jī)優(yōu)秀和學(xué)習(xí)困難的個(gè)體。從平均值95%置信區(qū)間的成績(jī)分布看，總體成績(jī)是符合正態(tài)分布的。從期末考試情況來(lái)看，由于16、17級(jí)考試內(nèi)容在15級(jí)的理論及應(yīng)用基礎(chǔ)內(nèi)容之外，增加了體現(xiàn)專業(yè)能力的相應(yīng)內(nèi)容，16級(jí)總評(píng)成績(jī)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(jìn)。面對(duì)第一輪改革出現(xiàn)的問(wèn)題，課程在17級(jí)教學(xué)中增設(shè)了三級(jí)項(xiàng)目，并且對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行了閉環(huán)設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步加強(qiáng)專業(yè)交流、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)改進(jìn)的能力，使得總評(píng)成績(jī)由16級(jí)的74.775提升至17級(jí)的77.954，取得了良好的教學(xué)效果。今后在現(xiàn)有教學(xué)改革成果的基礎(chǔ)上，本課程還需進(jìn)一步加強(qiáng)過(guò)程管理，細(xì)化教學(xué)內(nèi)容，持續(xù)改進(jìn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

整個(gè)教學(xué)過(guò)程始終貫徹“以學(xué)生為中心”的思想，教學(xué)目標(biāo)以學(xué)生獲得相應(yīng)的學(xué)習(xí)成果即能力為導(dǎo)向，結(jié)合學(xué)習(xí)通教學(xué)管理軟件及學(xué)生的特點(diǎn)，采用翻轉(zhuǎn)課堂、討論課和項(xiàng)目式教學(xué)多種形式相結(jié)合的方式，形成了閉環(huán)循環(huán)增強(qiáng)的教學(xué)模式，保證了教學(xué)模式和教學(xué)效果與產(chǎn)出的持續(xù)改進(jìn)。對(duì)電力電子電路仿真課程進(jìn)行了“學(xué)習(xí)基礎(chǔ)明確化、教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化、項(xiàng)目?jī)?nèi)容層次化、考核方式多樣化、教學(xué)管理過(guò)程化”的教學(xué)組織與實(shí)施。逐步實(shí)現(xiàn)課堂向?qū)υ捠?、開放式轉(zhuǎn)變，教學(xué)從重知識(shí)向重能力轉(zhuǎn)變、從重學(xué)輕思向?qū)W思結(jié)合轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程由“教師主導(dǎo)”向“以學(xué)生為中心”轉(zhuǎn)變。

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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(zé)任編輯 孫 菊]

[收稿日期] 2020-10-28

[基金項(xiàng)目] 2020—2021年度河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（2020GJJG058）;2021年河北省專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例（庫(kù)）建設(shè)項(xiàng)目（KCJSZ2021025）;2019年度河北省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（冀教高處函〔2019〕12號(hào)）;2018年燕山大學(xué)教學(xué)研究與改革項(xiàng)目（2018XJJG29）

[作者簡(jiǎn)介] *魏艷君（1969—），女，河北灤南人。副教授，博士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、光伏電能變換。