基于OBE理念的实验教学方法研究*

高明玲 尹红彬

山东理工大学 山东 淄博 255049

引言

随着全球环境与能源危机的加深，节能与新能源汽车发展成为汽车产业发展的重要方向。永磁电机是节能与新能源汽车9大关键领域之一，《现代汽车电机与控制》是车辆工程、交通运输、能源与动力专业新增设的核心课程之一，而驱动电机的实验课程是培养学生实践能力的重要环节。

构建基于OBE理念的教学方法有利于提高学生的参与度和解决工程实践的能力[1-3]。本文以《现代汽车电机与控制》实验为例，反思了传统教学过程的不足，构建基于OBE理念的教学方法[4]。对两种教学过程进行对比，为其他实验教学改革提供指导。

1 传统实验教学过程存在问题

1.1 教学高阶性不够

在实验过程中，学生按照实验指导书的指导步骤进行，没有对实验方法做深度思考。实验数据、实验表格都是固定的，没有充分调动学生对实验结果的理论分析。整个实验过程都是停留在表面，无法培养学生针对具体问题制定实验方案的能力。

1.2 学生参与度不够

由于实验设备有限，教学课时有限，整个实验过程中，只有部分学生可以参与实验操作，其余学生只是参观与记录实验数据，导致学生参与度不够，学习兴趣下降。

1.3 创新性不够

目前，实验过程采用的实验设备都是经过设计的标准化、模块化实验设备，各个模块的连接都有符号、颜色标记，线束连接与调节过程都是固定不变的，不利于培养学生创新能力。

2 基于OBE理念的实验教学过程

为了提高实验教学的高阶性、创新性，提高学生的参与度，培养学生应用实验方法解决工程实践问题的能力。课题组根据OBE理念对实验教学方法进行了改革。基于OBE理念的实验教学改革，以目标为导向，对教学方案、教学手段、考核方式进行了改革，加强学生对理论知识理解的基础上，培养其解决工程实践问题的能力。

2.1 教学方案的改革

教学内容强调如何利用现有的实验设备解决问题，目标是授予学生“渔”。成绩评定根据学生给出的实验方案，即解决问题的过程和实验报告给出实验部分成绩，课程过程更加注重过程评价。首先，根据教学目标，设计科学问题，把科学问题作为任务驱动目标。第二，讲解目前具备的实验条件和设备。第三，让学生制定实验方案。第四，对学生制定的方案进行讨论与评估，确定实验方案，进行实验。

2.1.1 问题提出及实验条件介绍。问题提出及实验条件介绍阶段是老师凝练问题和学生的认知学习阶段。该阶段还未涉及学生动手操作的问题。但是，问题提出的好坏直接影响学生对该次实验的兴趣，学生对实验认知学习的质量直接影响后续实验的质量和操作安全。

比如以直流电机调速与换向实验为例，可以根据实验目的和实验过程，老师凝练出本次实验需要解决的问题。

直流电动机的输出转矩和励磁电流存在什么样的关系？

直流电动机转速和那些因素有关，如何通过现有器材调整直流电动机转速？

根据现有的试验设备如何实现直流电动机的换向？

2.1.2 实验方案制定。实验方案的制定阶段是培养学生思考、创新能力的重要阶段。该阶段根据学生的特长，把具有不同特质的学生进行分组，在老师引导、学生为主的模式下完成实验方案的制定工作。对于在实验方案制定过程中出现的问题，不应直接否决，应该以组内讨论、组间讨论的方法解决，在不影响安全的前提下，也可以通过实验的方法解决。

2.1.3 实验方案讨论及实施。传统实验过程中大量使用演示实验，以老师演示，学生观摩为主。在以OBE理念为主导的实验体系中采用实物实验优先于虚拟实验、虚拟实验优先于演示实验的优先级。增多同学们的动手操作机会。本次实验过程中，首先老师与同学一起讨论给出的实验方案、试验步骤及注意事项，对试验方案进行修改。然后，同学们根据修改后的实验方案进行实际操作实验，测试试验数据。

2.2 教学手段的改革

传统教学过程中，实验都是在现实的实验设备上进行，实验次数与时间受到教学场地、实验设备数量、教学计划安排的限制，学生很难做到人人可以操作，整体参与度较低。为了解决以上问题，引入实验虚拟仿真技术，使同学们在个人电脑上就可以完成实验分析与实验训练。

JMAG是一种先进的低频电磁分析工具；它具有强大的耦合计算功能，其自身有温度、结构、振动噪声分析功能，还可以和Star-CCM+、Abquas、LMS等进行双向耦合分析；支持单、双相异步电机、直流无刷电机、永磁直流电机、调速永磁同步电机、磁阻电机、串激电机、凸极发电机等多种电机的虚拟仿真实验，步骤如图1所示。

图1 虚拟仿真实验步骤

2.2.1 建模。通过JMAG直接建模或用CAD导入事先图纸，根据自己电机结构，设计出完整的磁路结构，画出转子铁芯、定子铁芯、绕组和磁铁，如图2所示为电机1/4模型示意图。

图2 电机建模示意图

2.2.2 设定。创建一个新的研究，这里分有很多种类，有电磁分析、结构分析和声场分析，这里选择电磁瞬态的Transient Analysis study。

2.2.3 条件。在Designer的右侧的有Toolbox，里面有Materials、Conditions、模板库和脚本库。Toolbox栏下Materials里是软件的材料库，可以给电机的各个部件设置材料。定子和转子的材料都设置为50JN1300，紧接着磁铁和绕组分别设置钕铁硼和铜。具体设置方法如图4所示。

图4 定转子材料设置示意图

2.2.4 电路。电路为三相电路，每个绕组上设置好阻抗和线圈匝数，在绕组前端加上电压表，至此空载的电路图设置完成，如图5所示。

图5 三相电路图

2.2.5 条件及绕组设置。从Toolbox里的Condition里选择Rotion设置旋转条件，选择转子和磁铁，从Winding里面设置周期范围以及绕组的缠绕，具体设置如图6所示。

图6 旋转便捷条件及绕组设置

2.2.6 网格划分及计算。网格要求对计算精度非常关键，再磁通变化非常快的区域通常要求细分网格。电机的气隙网格尤其关键。也可以采用自适应网格划分，这种方法配合网格重构技术，通过控制计算精度来生成高质量的网格。用户不需要设置任何网格参数，完全自动生成。

2.2.7 显示结果。这里主要显示空载转矩、空载反电动势、磁感应强度云图和磁感线矢量流向云图。图9、图10分别为磁感线分布图和齿槽转矩分布图。

图7 磁感线分布图

图8 齿槽转矩分布图

2.3 考核方式的改革

增加过程性考核，可以显著提高学生实验工程中的参与积极性，针对传统实验工程中，成绩评定重视实验报告、轻视实验过程考核的问题，在考核方式中增加了过程性考核。

2.3.1 增加学生对实验方案设计过程的考核比例。学生课下整理实验方案、实验数据，回答老师提出的问题，形成实验报告。然后，老师根据课上同学给出的实验方案和课后实验报告综合给出实验成绩，并且根据具体情况提高实验方案制定过程的成绩比例。

2.3.2 提高对虚拟仿真建模过程及数据分析的考核。对使用JMAG有限元仿真软件、Matlab/simulink仿真软件进行电机本体及控制算法实验的部分，加强考核学生建模过程、建模能力及数据分析能力，将建模的过程评定成绩与实验报告成绩综合考虑，确定最总成绩。

最终形成学生制定实验方案考核、虚拟实验建模过程考核、实验报告考核的多种评价机制，并根据实际情况，增加对实验方案、虚拟实验建模过程的分值比例。

3 结束语

针对传统实验教学高阶性不够、参与度不够、创新性不够的问题，提出了基于OBE理念的实验教学方案。与传统的教学过程相比，基于OBE理念的实验教学方案，以目标为导向，通过让学生根据要解决的问题制定实验方案，利用虚拟实验技术进行实验研究，提高了学生的参与度。成绩考核参考学生制定实验方案的过程与可行性、虚拟实验建模过程及数据分析能力，有益于过程评价加强。改革后的实验教学过程更有利于培养学生解决工程实践问题的能力，为其他实验教学方案的制定提供了参考。