AI時代電氣工程及其自動化專業課程體系改革

[摘 要] 為順應AI時代對人才培養提出的新要求，電氣工程及其自動化專業應著力開展教學改革。課程體系建設是專業發展的根基，因此其始終是教學改革的重點和難點。為此，分析電氣類本科課程體系在AI時代發展下存在的問題，進而以成果導向教育的理念為指引，探索電氣工程及其自動化專業在AI時代下課程體系設計和構建內容。從課程體系建設的角度為AI時代下電氣類本科專業發展提供了參考。

[關鍵詞] 人工智能;成果導向教育;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教學改革研究項目“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質量和教學改革項目“以工業4.0需求為導向的電子電氣信息類創新人才培養模式探索及實踐”（JG2021-1044）

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

[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技術[1]。當今人類世界已步入AI時代[2]，在電氣工程領域，AI技術與電氣技術正逐步融合發展，有效推動電氣行業從電氣自動化向電氣智能化躍遷，也由此產生了對AI時代電氣工程人才持續且大量的需求。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技術的迅猛發展，當前我國的電氣類本科教育已暴露出一些不適應AI時代下電氣工程人才培養需求的隱患。例如課程體系、教育理念、教學方式、評價機制等都存在AI和電氣工程融合不深入、聯系不緊密等問題。這其中課程體系反映著專業面貌、培養特色和教育思想，在保障和提高教學質量中起著關鍵作用。因此，本研究借助成果導向教育（Outcome-based Education， OBE）[3]的先進教育理念改革傳統的電氣類課程體系，構建出適用于AI時代的電氣工程及其自動化專業課程體系。

一、當前電氣類本科課程體系存在的問題

（一）培養目標缺乏時代性

各高校針對電氣類專業制定的培養目標多關注在電氣工程領域對人才的當前需求，而非著眼于行業發展和進步帶來的新興或長遠人才需求。不同于其他技術，AI的發展及其對電氣工程領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，當前電氣類培養目標均出現了缺乏時代感的困境，相繼暴露出培養目標定位不清晰、描述不具體、重點不突出、對人才培養的支撐力度不夠等負面現象問題。

（二）課程結構缺乏系統性

AI時代下的電氣類本科課程結構應清晰準確地包含電氣工程專業本科生所應具備的傳統電氣知識、必備AI知識，以及電氣智能化發展所需要的AI和電氣融合知識，同時還應按各知識的遞進關系和先后順序組成一個知識學習進程。然而，當前我國各高校在課程結構方面仍在強化自身多年來建立的傳統電氣領域特色，而弱化了電氣類專業發展特色與新興AI技術發展特色相結合的程度。這導致了課程結構中能滿足AI時代對電氣人才培養需求的內容趨于形式、表現單一、課程間銜接生硬，系統化的課程結構缺乏問題愈發明顯。

（三）課程教學缺乏實踐性

隨著AI技術的快速革新及其與電氣工程領域的融合，傳統電氣技術逐步向智能電氣技術轉變。這致使原有課程體系中傳統的實踐實訓難以應對在智能電氣技術發展下對于學生實踐能力培養的要求。甚至在有的實踐實訓課程中已不足以體現AI技術在電氣工程領域中的技術融入和應用情況。因此，傳統的電氣類本科課程體系即使擁有足夠的實踐實訓覆蓋面和執行量，但在沒有立足智能電氣核心知識內容和發展趨勢的條件下，任何實踐實訓課程都會缺乏對于匹配時代發展和行業需求的專業實踐能力培養效果。

（四）課程考評缺乏創新性

當前對學生達成畢業要求的評判主要局限于學分，對課程學習成果的評價多關注在考試成績中。這種考評機制并不能充分評定學生在經歷學習過程后所能達到的學習效果和所能取得的學習成果。尤其當迅猛發展的AI技術與電氣工程領域深入融合時，采用形式化和模式化的考評機制必然缺乏對學習效果全面的量化能力，其所評價的學習成果也并不能完全匹配人才培養需求。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，課程考評的創新勢在必行。

二、AI時代電氣工程及其自動化專業課程體系構建

（一）OBE教育理念

由Spady等人于1981年提出的OBE教育理念，得到了國內外高等教育界的廣泛關注和應用[4]。其教學設計及其實施策略始終圍繞學生通過教育過程后所能獲得的學習成果開展。這也使得采用OBE教育理念所執行的教學活動遵從反向設計原則[5]，由梳理清晰的學生畢業時應當具備的學習成果來指引教學內容和評價體系。

（二）運用OBE構建AI時代課程體系的思路

首先，為制定符合時代發展的培養目標，有必要緊密結合AI時代背景下國家、社會和產業的發展對電氣工程領域產生的人才新需求，以及認真考慮學生個人發展所要提出的培養需求，再充分兼顧學校特色與專業定位所形成的教育需求。其次，根據培養目標在反向設計和改良傳統電氣類課程體系時，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課程的系統性、強化突出AI技術與電氣技術融合應用的課程、拓展AI技術在電氣領域中的實踐內容，讓課程體系能夠支撐知識結構，使每門課程的學習效果均與所要培養的人才能力結構相呼應。最后，秉承以學生為主體的思想，適當創新課程考評機制，將課程學習效果的量化與學習課程所能獲得的專業能力程度緊密關聯起來，吸納社會評價和學生評價來補充培養目標達成度的評價結果。

（三）AI時代電氣工程及其自動化專業課程體系的構建依據

在OBE教育理念中，學習成果是構建課程體系的起始點，亦是通過課程體系實現人才培養的終點[6]。于是，課程體系的架構即是對應于人才培養的評價指標，根據各指標的要求設計可對其相應的課程逐一建立完整的體系內容。以電氣工程及其自動化專業為例，其可歸納為12條畢業能力要求，進而衍生出各要求下的逐個評價指標。如圖1所示，這12條畢業能力要求覆蓋了AI技術與電氣技術深度融合后，在電氣工程領域向智能化發展的前提下，國家、社會、產業、學校、專業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學生在經歷人才培養后所能取得的普遍學習成果。它重在體現AI時代的電氣工程人才培養應注重建立和夯實數理知識能力、分析表達能力、解決問題能力、實驗能力、資源使用能力、客觀評價能力、可持續發展能力、工程實踐能力、組織協調能力、交流溝通能力、決策管理能力、持續學習能力。在以學生為中心的原則下，課程體系是完全服務于讓學生取得圓滿的學習成果，其所組織和設立的課程內容乃至課程教學實施過程都是為了使學生的學習成效滿足評價指標。因此，所制定的人才培養評價指標是課程體系構建的關鍵依據，課程觀、課程目標、課程內容、課程結構、課程活動、課程關聯、課程銜接、課程實施等構建課程體系的具體內容皆有據可依、有序可循。

（四）面向AI時代的電氣工程及其自動化專業課程體系內容

按照建設思路和建設依據，設計了如圖2所示的電氣工程及其自動化專業課程體系內容。首先，整個課程體系以AI技術與電氣技術的交叉融合為核心。AI技術和電氣技術分別作為基礎技術內容，兩者的交互和衍生知識作為交叉技術內容，而AI技術在電氣工程中的應用知識作為AI與電氣的融合技術內容，以此集成AI時代的電氣技術重點和發展特點。其次，在課程架構上以課程核心為出發點，由AI和電氣的基礎技術內容形成奠基課程，覆蓋素質教育、學科基礎和專業基礎的所有課程內容;由AI和電氣的交叉技術內容形成擴展課程，從素質教育實踐、集中實踐和專業核心課程三個方面以理論與實踐結合的角度開展與AI和電氣交叉技術相關的課程內容;由AI與電氣的融合技術建立融合課程，以AI時代的電氣工程技術應用和需求為主開設課程內容。接著，在課程內涵上以AI時代的電氣技術發展和應用為課程觀;由課程觀指向對應畢業能力要求，形成對應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容;以課程內容制定課程開展的結構和相關的教學活動。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、課程內容、課程資源的發布、宣貫和推送;在課中進行針對性教學、精講與點評、工程案例分析、電氣AI交互關聯解析、課堂師生互動、思想政治教育等多方面的課程內容，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;而在課后重點關注因材施教式的個性化輔導、學期數據分析、教學效果反思和持續改進等內容。

結語

本文在研究和應用OBE教育理念的基礎上，為面向AI時代的電氣工程及其自動化專業本科課程體系建設提供了構建方法，為我國當前電氣類本科教育的發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，可根據不同高校在對電氣類本科人才培養特色的不同，擴展出更為具體化和專有化的課程體系內容。

參考文獻

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[2]周玲，李佳欣.人工智能時代的高等教育與人類命運共同體[J].蘇州大學學報（教育科學版），2021，9（4）：8-15.

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

[4]王彬彬，羅為.基于OBE理念的電氣人才培養體系改革探索[J].大學教育，2021（8）：138-140.

[5]郭春平，郭佳.OBE教育理念下電氣工程及其自動化專業建設改革研究[J].中國電力教育，2020（8）：67-68.

[6]宣麗萍.應用型本科專業OBE課程體系探析：以電氣工程與智能控制專業為例[J].教書育人（高教論壇），2020（21）：74-75.

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