三明治教學法和評價量表在電機與電氣控制實驗課程中的設計與實現(xiàn)

胡 瑋, 尹 仕, 鄧春花, 楊風開, 肖 波

(華中科技大學 電氣與電子工程學院， 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

傳統(tǒng)繼電接觸式電氣控制，以及隨后出現(xiàn)的現(xiàn)代PLC (programmable logic controller,可編程控制器)電氣控制是組建工業(yè)自動控制系統(tǒng)、實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的核心內(nèi)容,以上2種控制方法的工作原理及控制手段并不相同,前者是靠純硬件進行控制的,而后者是靠硬件和軟件共同實現(xiàn)該控制功能。2種控制方法共同涉及的知識點很多,且具有很強的互補性和遞進關(guān)系。繼電接觸式電氣控制部分中關(guān)于電氣控制系統(tǒng)的原理分析、控制方法設計、執(zhí)行元件運行等內(nèi)容在PLC電氣控制部分均可采用、借鑒和延伸。一般而言,目前在很多國內(nèi)高校均開設有“電氣控制與PLC 應用”的相關(guān)課程,這些課程將以上2種電氣控制方法合二為一進行教學[1-6]。特別是在自動化類、機電類院系及其所屬專業(yè),該課程更是傳統(tǒng)的核心專業(yè)課程之一。但由于電氣類學科專業(yè)方向與課程設置的原因,我校電氣與電子工程學院并未單獨開設“電氣控制與PLC 應用”的課程。其中PLC電氣控制部分被并入其他選修課程中講授,而繼電接觸式電氣控制部分在本科課程中完全沒有涉及。

基于此問題,為補齊相關(guān)教學環(huán)節(jié),培養(yǎng)寬口徑的電氣工程技術(shù)人才,以傳統(tǒng)繼電接觸式電氣控制為核心開設了一個16學時的“電機與電氣控制”實驗課程,希望本實驗課程能夠幫助學生了解工業(yè)自動控制系統(tǒng)的一般實現(xiàn)方法,掌握三相異步電動機典型條件控制的原理與設計方法,學習控制電動機按照設定方式運行的一般設計思路。同時希望本實驗課程可以與學生之后選修的PLC電氣控制的相關(guān)內(nèi)容融為一體,補齊學生在工業(yè)自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方面的知識欠缺。

1 實驗課程設計思路

從其他院校設置“電氣控制與PLC 應用”課程的經(jīng)驗來看,該課程是一門實踐性很強的課程,沒有過于艱深的理論體系,但非常強調(diào)動手能力,很適合學生自學。一般而言,該課程傳統(tǒng)上采用理論教學與實驗教學分階段實施的教學模式,學時普遍較多,大部分院校還開設1～2周的課程設計單元。盡管本學院開設的“電機與電氣控制”實驗課程內(nèi)容僅涉及到三相異步電動機的繼電接觸式電氣控制部分,但由于整體學時較少,且作為實驗課程,不宜進行長時間的理論教學,因此不能采用傳統(tǒng)教學模式。

據(jù)此,開設的“電機與電氣控制”實驗課程把相關(guān)理論學習的內(nèi)容放在課外,通過學生自學完成。在課堂上把相關(guān)的教學環(huán)節(jié)設置為4講,每講4學時。其中第一講為“電機與電氣控制研討專題”;第二講為“綜合實驗一”;第三講為“綜合實驗二”;第四講為“電機與電氣控制綜合設計專題”。整體實驗內(nèi)容安排遵循“學習—實踐—提高”的教學模式,彼此銜接非常緊密,可以使學生迅速進入學習狀態(tài),完成實驗課程設置的學習任務，本實驗課程教學模式如圖1所示。

圖1 實驗教學模式

具體而言,在研討專題部分,學生主要對常見的三相異步電動機控制電路進行學習,包括電動機自鎖、互鎖、條件啟動控制和延時啟動控制的基本原理和設計方法。在“綜合實驗一”和“綜合實驗二”的實驗部分,學生主要對研討專題學習的控制電路進行實驗操作。為進一步提升學生的設計和動手能力,改革傳統(tǒng)的實驗教學模式,即教師給定實驗控制電路圖,學生在實驗箱或?qū)嶒炁_上按照電路圖接線進行實驗驗證,而是采用了新的實驗教學模式,即由學生根據(jù)研討專題學習的內(nèi)容,以小組為單位完成實驗控制電路的設計。在課堂上,教師將交流接觸器、200 W三相異步電動機等實驗設備和常用工具交付給學生,學生根據(jù)設計圖紙將相關(guān)實驗設備固定在木質(zhì)安裝板上,自主連線測試,完成教師布置的任務。“綜合實驗一”需要完成電動機的點動控制、單相連續(xù)運轉(zhuǎn)控制和正、反轉(zhuǎn)控制等3個實驗內(nèi)容;“綜合實驗二”需要完成電動機的多條件啟動控制、順序啟動控制和延時啟動控制等3個實驗內(nèi)容。在綜合設計專題部分,學生主要針對三相異步電動機復雜電氣控制系統(tǒng)設計進行學習。教師將提出6道綜合設計題,給出任務描述,學生以小組為單位自主選題完成電氣控制系統(tǒng)的設計,并在課堂進行匯報演講,提交設計報告。

本實驗課程在研討專題部分引入了三明治教學法,并在所有實驗教學環(huán)節(jié)中引入了評價量表。采用這兩種方法能夠在有限的課時內(nèi)完成實驗課程設置的理論和實驗教學,并增強教師與學生的交流與互動,提升學生的學習主動性,進而實現(xiàn)良好的教學效果。

2 三明治教學法

2.1 設計思路

三明治教學法是行動導向的教學法,起源于英國,強調(diào)理論學習與實驗操作交替進行、相互結(jié)合。將該教學法應用于課堂組織形式,即將教師講解、小組討論、交叉學習與學習匯報融合在課堂教學中,可以使教師與學生、學生與學生之間不斷地交流與互動,充分提升學生的自主學習能力[7-8]。該教學法目前主要應用于以案例教學為主的醫(yī)學和生物化學等專業(yè)方向的課堂教學中,獲得了較好的效果[9-11]。同時在工科實驗教學中也有一定的適用性和借鑒意義[12]。

采用三明治教學法對教師與學生都提出了相當高的要求,教師的角色從傳道、授業(yè)變成了解惑,身份從課堂傳授者變成了課堂組織者、引導者和促進者。而學生則從被動學習變成了主動學習,從以課堂學習為主變成了以課前預習為主。這樣才能夠在課堂上高效地展開交流與互動。

為提升學生的自主學習效率、明確學習目標,編撰了電機與電氣控制實驗教案,在實驗課程開始之前發(fā)放給學生。實驗教案匯編了常用低壓電氣控制元件、電動機基本控制電路與有條件控制電路、電氣CAD繪圖方法等內(nèi)容,并選取了8個常見的三相異步電動機控制電路進行精講。學生可以在課前使用該教案并結(jié)合教師推薦的教材進行自主學習。

2.2 實施方式

三明治教學法在研討專題課堂上主要分為3個部分。

(1) 教師開場白,時間約為60 min，開場白結(jié)合電機與電氣控制實驗教案,可分為2個部分;其一是常用低壓電氣控制元件實物展示,并結(jié)合教案學習該控制元件的工作原理和圖形符號,講解電動機電氣控制圖的主要特點;其二是三相異步電動機基本控制電路原理簡介,包括接觸器輔助觸點實現(xiàn)自鎖原理、接觸器輔助觸點實現(xiàn)互鎖原理、按鈕互鎖原理等,并由此引出三相異步電動機點動控制、單相連續(xù)運轉(zhuǎn)控制和正反轉(zhuǎn)控制電路的設計方法。有條件啟動控制原理、有條件啟動與停止控制原理、延時啟動控制原理等,并由此引出位置開關(guān)行程控制、位置開關(guān)自動往復運動控制和延時啟動控制電路的設計方法。開場白要合理分配時間、詳略得當,在學生充分預習的基礎(chǔ)上,可采用學生回答問題等課堂互動形式活躍課堂氣氛,使學生明確本實驗課程的學習內(nèi)容,形成良好的教學氛圍。

(2) 學生分組討論、交叉討論與教師點評。首先是學生進行分組討論,時間約為30 min。教師將把學生分組,一個自然班可分為5個小組,每組組員6人,學生以小組為單位圍繞教師設定的題目進行討論,分組討論后要完成論題的初步設計方案。教師在課前會準備不同的論題供不同小組使用,論題的設計難度基本一致,均略高于教案給出的電動機電氣控制范例,或是對于已有電氣控制范例的改進設計。在本例中,準備的論題是在三相異步電動機基本控制電路的基礎(chǔ)上,初步設計三相異步電動機多地控制電路、順序啟動控制電路、星型-三角形降壓啟動控制電路等較為復雜的電動機控制電路。一般而言,論題的設定對于學生整個學習過程起到關(guān)鍵作用,好的論題可使學生在討論中能夠舉一反三,對建立三相異步電動機控制電路設計思路很有幫助。其次是學生進行交叉討論,時間約為15 min。

在分組討論結(jié)束后,學生打亂原分組，組建新的小組進行交叉討論,每個新小組均從原來5個小組中分別調(diào)取一名學生組成,即可分為6個交叉小組,每組組員5人。交叉小組組員分別介紹原小組的討論題和初步設計方案,組員之間互相交流看法并提出對彼此設計方案的建議與意見。最后是學生向教師匯報設計方案,時間約為30 min。在交叉討論結(jié)束后,組員回歸原小組,并以原小組為單位每個組推薦一位學生在講臺上展示本組論題的設計方案,并簡要介紹設計思路。教師對設計方案進行點評,并對學生需要掌握的知識點和設計思路進行回顧,對設計中出現(xiàn)的錯誤進行糾正。學生分組討論、交叉討論與教師點評教學過程如圖2所示。

圖2 學生分組討論、交叉討論與教師點評教學過程

(3) 金魚缸討論與教師總結(jié)。首先是金魚缸討論環(huán)節(jié),時間約為30 min。教師提出一道三相異步電動機電氣控制系統(tǒng)綜合設計題,由各小組推薦的一位學生組成一個新的小組進行設計方案討論。全班其他學生圍繞在小組周圍,可對討論內(nèi)容自由發(fā)言。金魚缸討論環(huán)節(jié)并不需要對綜合設計題給出完整的設計方案,其目的是讓學生初步了解復雜電氣控制系統(tǒng)的設計方法,為之后綜合設計專題的學習打下基礎(chǔ)。最后是教師總結(jié),時間約為15 min。教師對課堂教學內(nèi)容和學生在方案設計中出現(xiàn)的問題進行全面的總結(jié),并講解綜合設計題的設計方案和設計思路。至此,4學時基于三明治教學法的實驗研討課教學結(jié)束,三明治教學法教學過程如圖3所示。

圖3 三明治教學法教學過程

學生課后的任務是根據(jù)課堂研討的內(nèi)容設計“綜合實驗一”和“綜合實驗二”的實驗控制電路,并采用電氣CAD繪制設計圖紙。

整體而言,在進行三明治教學法教學時,教師需要根據(jù)與學生交流時學生對知識的預習情況隨時調(diào)整教學進度,并在交流時將學生提出的有針對性的問題選取出來,在課堂中詳細講解。課堂各教學環(huán)節(jié)設定的時間可根據(jù)教師要求和學生預習程度進行調(diào)整。

3 評價量表的應用

評價量表是對學生學習過程中的效果進行判斷的標準。評價量表起源于美國,一般而言,在教學過程中使用評價量表能夠給學生提供明確的學習目標,使學生能夠較為主動地制定學習規(guī)劃，也給教師提供了清晰的評價標準,直觀把握學生的學習進度,并為改善教學方法提供直接參考[13-17]。對于少學時的“電機與電氣控制”實驗教學而言,教師的課堂講授時間是有限的,對相關(guān)知識的掌握主要依靠學生的課前預習和課堂討論。為合理評價學生預習與課堂學習的投入程度,以及促進學生自我監(jiān)控與學習熱情,教師和助教在實驗課程第一講至第四講均采用設定的評價量表對學生的課堂整體表現(xiàn)進行實時評分。

評價量表設計的關(guān)鍵在于其維度和因子是否能夠合理評價學生的學習投入,而學生的學習投入是認知投入、行為投入和情感投入3個維度有意義的結(jié)合,評價量表應該同時考查這3個方面。其中認知投入的定義是“深層認知策略的應用以及對有效學習的自我監(jiān)控與調(diào)節(jié)”;行為投入的定義是“學生學習的專注努力與堅持不懈”;情感投入的定義是“學生體驗到學習的價值以及對學習形成的濃厚興趣”[18-19]。

這些設計原則體現(xiàn)在“電機與電氣控制”實驗課程研討專題,以及“綜合實驗一”“綜合實驗二”和“綜合設計專題”等不同教學環(huán)節(jié)的評價量表的設計上,具體表現(xiàn)為3個方面,其中認知投入重點考查學生的基礎(chǔ)知識儲備，行為投入重點考查學生課堂學習情況或?qū)嶒瀯邮帜芰Γ楦型度胫攸c考查學生“團隊合作表現(xiàn)與學習態(tài)度”。這是在各個教學環(huán)節(jié)中統(tǒng)一的3個維度的設計。針對不同的教學環(huán)節(jié),每個維度下還細分為2個不同的因子,“電機與電氣控制”實驗課程各教學環(huán)節(jié)維度與因子的設計如表1所示，其中“綜合實驗一”和“綜合實驗二”均為實驗課程的實驗操作部分,其因子的設計完全相同。

將以上維度與因子的設計進行拓展,可以設計出針對不同教學環(huán)節(jié)的評價量表。以“綜合實驗一”評價量表的設計為例,維度“實驗動手能力”可細分為“操作練習完成情況”和“實驗步驟規(guī)范性”2個因子，其中因子“操作練習完成情況”根據(jù)學生的表現(xiàn)可設計為“能夠獨立在規(guī)定時間內(nèi)完成布置的操作練習”“能夠在教師幫助下在規(guī)定時間內(nèi)完成布置的操作練習”和“不能在規(guī)定時間內(nèi)完成布置的操作練習或無法完成操作練習”3種情況(見表1)。評價量表將以上3種情況評定為典范、合格、有待改善3個等級,設定了不同的分值比例,嚴格評定學生的表現(xiàn)。評價量表中其他維度和因子的拓展與此一致,“綜合實驗一”的評價量表如表2所示。

表1 各教學環(huán)節(jié)維度與因子的設計

表2 “綜合實驗一”的評價量表

表2(續(xù))

我們在實驗課程開始之前將實驗課程各教學環(huán)節(jié)的4份評價量表發(fā)放給學生。其目的在于發(fā)揮監(jiān)督、導向和激勵作用,調(diào)動學生的學習積極性,增強學生的進取心。同時,教師的評分規(guī)則也可以做到公開、公平和公正。

4 實驗課程綜合設計的原則

一般而言,各院校的“電氣控制與PLC 應用”課程均設置有為期一周左右的課程設計單元。與之對應,我們開設的“電機與電氣控制”實驗課程有4學時的實驗課程綜合設計,其目的在于幫助學生將之前學習的三相異步電動機的繼電接觸式電氣控制基礎(chǔ)理論與設計方法應用于實際的電氣控制系統(tǒng)設計中。

在綜合設計環(huán)節(jié)開始之前,教師給每個班出6道綜合設計題,并給出任務描述,題目均為具有實際應用價值的電氣控制系統(tǒng)綜合設計。學生仍以小組為單位自主選題,并在預習階段完成電氣控制系統(tǒng)的控制電路設計。在實驗課堂上,每個小組推薦一位學生在講臺上展示設計方案,介紹設計思路,并通過各個小組之間的交流和探討找出各自方案的優(yōu)點與不足。最終,每個小組都得到較為完善的設計方案,并在課后提交設計報告。通過設計方案的論證,即可以讓學生進一步理解三相異步電動機復雜電氣控制系統(tǒng)的設計思路和實現(xiàn)方法,也鍛煉了學生的語言表達能力與邏輯思維能力。

5 結(jié)語

少學時“電機與電氣控制”實驗課程已開設2年,通過采用三明治教學法和評價量表,我們可以在16學時內(nèi)完成常規(guī)的“電氣控制與PLC 應用”課程中三相異步電動機的繼電接觸式電氣控制部分的理論學習、實驗操作和課程設計,實現(xiàn)了傳統(tǒng)教學模式與方法的突破與創(chuàng)新。對學生的問卷調(diào)查顯示,實驗教學取得了較好的效果,學生對實驗課程內(nèi)容滿意度和教學方法滿意度均評分較高,學生通過自主學習提升了學習興趣和創(chuàng)新能力,為今后選修PLC電氣控制方面的課程打下了較好的基礎(chǔ)。本教學模式在本科實驗教學改革中具有較好的借鑒和推廣價值,相關(guān)專業(yè)實踐性較強的課程教學均可采用。