劉宏達(dá), 張國(guó)堃, 張文義, 張鏐鐘

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

基于翻轉(zhuǎn)課堂模式的電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

劉宏達(dá), 張國(guó)堃, 張文義, 張鏐鐘

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

為了提高實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效率和質(zhì)量,讓學(xué)生更加充分、自由地安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間,針對(duì)已開設(shè)的“電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)”課程,在原有的教學(xué)模式上進(jìn)行深層次改革,將翻轉(zhuǎn)課堂理念引入該實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,并詳細(xì)介紹了各階段的具體工作內(nèi)容及時(shí)間安排。實(shí)踐效果表明,適當(dāng)?shù)夭捎梅D(zhuǎn)課堂教學(xué)模式,增加了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)認(rèn)可度、提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,有效地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中課時(shí)不足和課堂互動(dòng)低效等問(wèn)題,使實(shí)驗(yàn)課程更加符合大學(xué)生個(gè)性化及差異化的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。

翻轉(zhuǎn)課堂； 電氣控制； 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 實(shí)驗(yàn)課程改革

近年來(lái)對(duì)于翻轉(zhuǎn)課堂的研究不僅局限于國(guó)外經(jīng)驗(yàn)介紹和基礎(chǔ)教育中的理論探討方面[1-8],也廣泛應(yīng)用于課程實(shí)踐教學(xué)[9-11]。我校開展的電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)課程,雖然通過(guò)采用自行研制的一套集電工實(shí)習(xí)、電氣理論與應(yīng)用、PLC和變頻器使用為一體的電氣類開放式的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[12],很好地將工程項(xiàng)目和本科實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了結(jié)合,使教學(xué)質(zhì)量和效率得到了一定程度的提高,但受限于傳統(tǒng)教學(xué)模式的束縛,該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)并不能充分發(fā)揮其潛能,因此今年對(duì)原有的教學(xué)模式進(jìn)行深層次改革,引用了新型的翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排及目的

電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)2部分[12],實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的組成如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容安排總框圖

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是讓學(xué)生初步了解并自主完成幾個(gè)基礎(chǔ)的電氣控制項(xiàng)目,解決理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的脫節(jié)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代工業(yè)脫節(jié)的問(wèn)題,熟悉掌握電氣識(shí)圖與制圖、與實(shí)物對(duì)應(yīng)的電工符號(hào)、電氣布線與裝配、電路調(diào)試過(guò)程。該環(huán)節(jié)中,教師是主導(dǎo)者,學(xué)生是實(shí)踐者。學(xué)生在實(shí)踐的過(guò)程中,學(xué)習(xí)基本電氣圖的繪制、電器元件的識(shí)別與使用,同時(shí)了解電器布線的規(guī)范要求與調(diào)試流程等。

拓展實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇實(shí)驗(yàn)主題,自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并實(shí)現(xiàn)一個(gè)略微簡(jiǎn)化的現(xiàn)代工業(yè)電氣控制項(xiàng)目、自主完成相關(guān)裝配和調(diào)試。其中可選擇的主題包括常用現(xiàn)代工業(yè)電氣的功能檢驗(yàn)、基于PLC的電氣控制實(shí)驗(yàn)、變頻器控制實(shí)驗(yàn)等。在拓展實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生是主導(dǎo)者,教師是引導(dǎo)者，學(xué)生自主完成資料收集、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、任務(wù)分配及校驗(yàn)等環(huán)節(jié)。

2 基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為高校二年級(jí)的電氣類及相關(guān)專業(yè)學(xué)生(每班人數(shù)約40人),每班通過(guò)隨機(jī)或?qū)W生自主選擇的方式分為10組,每組約為4人。應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂這種教學(xué)模式組織教學(xué)活動(dòng)的課程組織流程如圖2所示,大致分為課前、課中和課后3個(gè)階段。因?yàn)檎n程涉及內(nèi)容較多,所以以點(diǎn)帶面,僅以繼電器控制方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖2 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)流程

2.1 課前階段

2.1.1 教師工作部分

這部分教師的主要任務(wù)是完成對(duì)繼電器控制實(shí)驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)工作,制作實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料。教學(xué)資料主要包括:

(1) 介紹實(shí)驗(yàn)元件的PPT,如圖3所示。主要介紹實(shí)際工業(yè)元器件與電氣符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系、繼電器主觸點(diǎn)與輔助觸點(diǎn)的應(yīng)用區(qū)別、熱繼電器和時(shí)間繼電器的原理及使用方法、熔斷器的結(jié)構(gòu)、元器件在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的裝卸方法等。

圖3 實(shí)驗(yàn)元件教學(xué)資料截圖

(2) 線路連接與布線的規(guī)范要求。例如線纜顏色的選擇(通常選擇黃色、綠色、紅色線代表u、v、w相線,黑或灰線為零線,黃綠雙色線為地線)、卡線槽的使用、接線帽和叉型預(yù)絕緣端子的使用方法等。

(3) 線號(hào)機(jī)的使用視頻,如圖4所示。

圖4 線號(hào)機(jī)使用教學(xué)視頻截圖

(4) 實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要引入380 V左右的電壓,所以教師需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一下實(shí)際操作過(guò)程中的安全問(wèn)題,例如不允許擅自通電、不允許有裸露的線頭、不允許有虛連等。

PPT資料主要為三相異步電機(jī)星三角啟動(dòng)知識(shí)講解,主要內(nèi)容有三相異步電機(jī)星三角啟動(dòng)電氣控制電路圖介紹(如圖5所示)、如何識(shí)圖、如何根據(jù)電氣圖選擇電氣元件等。

圖5 電機(jī)星三角啟動(dòng)電氣控制教學(xué)資料截圖

完成教學(xué)資料的制作后,教師要做好實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)工具的準(zhǔn)備工作。課前教師需要安排學(xué)生的課前學(xué)習(xí)任務(wù),例如:學(xué)會(huì)識(shí)別和使用實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)用具,避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中因?yàn)椴恢绾问褂闷鞑牡⒄`實(shí)驗(yàn)時(shí)間；理解星三角啟動(dòng)電氣控制原理圖；清楚實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中的安全注意事項(xiàng)。

2.1.2 學(xué)生工作部分

學(xué)生首先通過(guò)教師提供的教學(xué)資料了解學(xué)習(xí)內(nèi)容,根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)及個(gè)人興趣選擇合適的學(xué)習(xí)內(nèi)容和順序。對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程中的收獲和遇到的問(wèn)題進(jìn)行記錄,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)及時(shí)與教師進(jìn)行問(wèn)題交流。比如學(xué)生在課前學(xué)習(xí)階段會(huì)反映一個(gè)問(wèn)題,他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)器件介紹視頻能夠詳細(xì)地了解器件的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用,但是缺乏實(shí)物的直觀體驗(yàn)認(rèn)識(shí)?？紤]到這個(gè)問(wèn)題,教師在課前階段每班發(fā)放2套實(shí)驗(yàn)器材供學(xué)生體驗(yàn)學(xué)習(xí)。最后,學(xué)生要完成教師安排的課前練習(xí)并提交課前學(xué)習(xí)報(bào)告單。

2.2 課中階段

2.2.1 教師工作部分

這個(gè)階段教師主要是引導(dǎo)學(xué)生把課前所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中。另外,教師需要根據(jù)課前學(xué)生提出的問(wèn)題進(jìn)行有針對(duì)的回答,簡(jiǎn)單介紹一下實(shí)驗(yàn)工作場(chǎng)所。在學(xué)生獨(dú)立實(shí)踐操作期間,教師要巡回檢查每組的實(shí)踐情況。學(xué)生在實(shí)踐中遇到自己無(wú)法解決的新問(wèn)題時(shí)教師要及時(shí)給予幫助。在學(xué)生完成電路連接進(jìn)行通電之前,教師要仔細(xì)檢查線路的連接情況,以免出現(xiàn)線路短路或者虛連引發(fā)安全問(wèn)題。最后教師主要從實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間、完成質(zhì)量、組內(nèi)合作及實(shí)踐操作的規(guī)范程度4個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.2.2 學(xué)生工作部分

這個(gè)階段中,學(xué)生需要獨(dú)立自主地完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。明確組內(nèi)成員各自的微任務(wù),例如,一部分人負(fù)責(zé)線路連接,另一部分人負(fù)責(zé)看圖指揮及焊、壓接線端子等。在實(shí)踐過(guò)程當(dāng)中,避免出現(xiàn)因?yàn)槿蝿?wù)分配不合理而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)任務(wù)分配不均的情況。在實(shí)踐操作過(guò)程當(dāng)中遇到問(wèn)題,首先要自己獨(dú)立思考或者與組內(nèi)其他組員討論解決。組內(nèi)成員需要通過(guò)協(xié)作學(xué)習(xí)來(lái)共同完成整個(gè)實(shí)踐實(shí)驗(yàn),在協(xié)作學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)展批判性思維和創(chuàng)新型思維的能力,提高交流溝通能力。學(xué)生在完成實(shí)踐實(shí)驗(yàn)之后(如圖6所示),要在課堂上展示自己的小組成果,交流學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

圖6 學(xué)生連接的實(shí)物圖

最后填寫課中學(xué)習(xí)報(bào)告單,把實(shí)踐操作過(guò)程當(dāng)中的學(xué)習(xí)心得和遇到的問(wèn)題以報(bào)告單的形式反饋給教師,并對(duì)自己的整個(gè)實(shí)踐過(guò)程進(jìn)行自我評(píng)價(jià)。

2.3 課后階段

通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分的學(xué)習(xí),學(xué)生基本了解掌握了典型工業(yè)電氣控制項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。課后階段即拓展實(shí)驗(yàn)部分。該部分，學(xué)生需要拓展思維,選擇教師預(yù)先提供的主題自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案。可選主題包括常用現(xiàn)代工業(yè)電氣的功能檢驗(yàn)、基于PLC的電氣控制實(shí)驗(yàn)、變頻器控制實(shí)驗(yàn)等。教師根據(jù)學(xué)生提交的方案,評(píng)估其可行性及其難易程度,既不能超出學(xué)生的能力范圍也不能低于教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。在此期間,學(xué)生可以將自己實(shí)踐過(guò)程遇到的問(wèn)題與教師討論交流。最后學(xué)生要上交自己完成的作品以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程報(bào)告。教師根據(jù)學(xué)生作品完成的具體情況給出相應(yīng)的成績(jī)。

圖7是學(xué)生的拓展實(shí)驗(yàn)作品。該組學(xué)生選擇的項(xiàng)目是使用組態(tài)王關(guān)聯(lián)PLC并建立電力系統(tǒng)界面。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)組態(tài)王來(lái)監(jiān)控PLC的運(yùn)行效果,通過(guò)PLC與組態(tài)王的通信完成電力系統(tǒng)界面的模擬運(yùn)行效果。

圖7 組態(tài)王建立的電力系統(tǒng)界面

連接PLC和組態(tài)王,完成通信調(diào)試,閉合發(fā)電機(jī)開關(guān)、QF1、QF3、系統(tǒng)開關(guān)。得到相應(yīng)傳輸給寄存器的數(shù)值,如圖8所示。

圖8 發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)效果分析

本實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)效果是根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)報(bào)告單和學(xué)生實(shí)際操作過(guò)程中的表現(xiàn)得出的。主要是翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式的實(shí)驗(yàn)效果比較。對(duì)比了以下幾個(gè)方面:學(xué)生完成實(shí)物實(shí)踐所需要的平均時(shí)間、規(guī)定時(shí)間內(nèi)學(xué)生實(shí)踐實(shí)驗(yàn)的完成率、教師的教學(xué)效率和學(xué)生的反饋。圖9中實(shí)驗(yàn)1、2、3、4分別代表實(shí)驗(yàn)臺(tái)低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝、繼電器控制實(shí)驗(yàn)、基于PLC的電氣控制實(shí)驗(yàn)、變頻器控制實(shí)驗(yàn)。

圖9 不同教學(xué)模式下學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的平均用時(shí)

3.1 學(xué)生完成實(shí)物實(shí)踐所需要的時(shí)間

以4個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為例,通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì),獲得統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示。使用傳統(tǒng)教學(xué)模式學(xué)生完成4個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的平均用時(shí)分別為2.31、2.83、1.67、1.54 h,使用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式學(xué)生的平均用時(shí)為1.56、2.04、1.08、0.91 h。

3.2 規(guī)定時(shí)間內(nèi)學(xué)生實(shí)踐實(shí)驗(yàn)的完成率

通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下,學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成4個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的比例分別為77%、80%、78%、75%,通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式,該比例分別為86%、88%、91%、87%。

圖10 學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成率

3.3 教師的教學(xué)效率

傳統(tǒng)教學(xué)模式為教師利用課堂形式講解實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)以及實(shí)物演示,每個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)大約需要2個(gè)課時(shí),每課時(shí)約50 min。然后實(shí)驗(yàn)分組操作,教師巡查指導(dǎo)(2課時(shí))?？己藭r(shí),每個(gè)學(xué)生至少需要5 min,以每班40人計(jì)算,大約需要4課時(shí)。教師平均完成1個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要投入至少8個(gè)課時(shí),如果再加上教師備課的時(shí)間,總共需要至少10個(gè)課時(shí)。而采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式,教師就省去了課堂講課的時(shí)間,同時(shí)縮減了學(xué)生實(shí)物實(shí)踐的時(shí)間(平均大約每個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)用時(shí)1.7課時(shí)),考核時(shí)間大約每個(gè)學(xué)生需要2 min,以每班40人計(jì)算,大約需要1.6課時(shí)。考慮到課前資料的準(zhǔn)備時(shí)間,大約每個(gè)實(shí)驗(yàn)需要1課時(shí),總共需要約4.3課時(shí)。2種教學(xué)模式下每個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教師的平均用時(shí)如圖11所示。

圖11 教學(xué)效率

3.4 學(xué)生的反饋

通過(guò)對(duì)學(xué)生的調(diào)查統(tǒng)計(jì),采用傳統(tǒng)教學(xué)模式時(shí),存在學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與度不高,有的甚至出現(xiàn)靠時(shí)間等待下課的情況。引用翻轉(zhuǎn)課堂后,學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與熱情明顯提高。通過(guò)調(diào)查學(xué)生實(shí)驗(yàn)課后是否有收獲,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖12所示:傳統(tǒng)教學(xué)模式下,3%的學(xué)生感覺(jué)沒(méi)有收獲,12%的學(xué)生感覺(jué)收獲不明顯,85%的學(xué)生感覺(jué)有較大收獲；引用翻轉(zhuǎn)課堂后:5%的學(xué)生感覺(jué)收獲不明顯,95%的學(xué)生感覺(jué)有較大收獲。

圖12 學(xué)生的收獲度

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式,使學(xué)生有了更加充分自由的時(shí)間進(jìn)行課前學(xué)習(xí),增加了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,有效改善了傳統(tǒng)課堂耗時(shí)多、效率低、學(xué)生與教師交流不足、學(xué)生動(dòng)手操作能力差、實(shí)驗(yàn)失敗率高等不足，并能將教師從繁瑣重復(fù)的教學(xué)任務(wù)中解放出來(lái),使其能有更多的時(shí)間與學(xué)生進(jìn)行深入的交流。拓展了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新思維,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和效果[13]。

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Curriculum design of Electrical Control Comprehensive Experiment based on pattern of flipped classroom

Liu Hongda, Zhang Guokun, Zhang Wenyi, Zhang Liuzhong

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In order to improve the teaching efficiency and quality of experimental courses, this paper lets the students sufficiently arrange experiments more liberty, aiming at the setting up Electrical Control Comprehensive Experiment course, deepening the reform the original teaching model, introducing the flip class concept to the experiment teaching, and the specific work content and schedule of every stage. Practical effect shows that the pattern of flipped classroom increases the students’ recognition of experiment, improves the quality of experimental teaching and solves the issue of insufficient class time, the inefficient classroom interaction of traditional experimental teaching effectively, etc., making the experiment course more in line with the college students’ personalized and differentiated learning characters.

flipped classroom; electrical control; comprehensive experimental platform; reform of experiment courses

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.042

2016-09-18

黑龍江省高等教育改革項(xiàng)目(JG2013010177,JG2013010202)；哈爾濱工程大學(xué)教育改革項(xiàng)目(SYJG20130412)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(HEUCF160406)

劉宏達(dá)(1976—),男,山東蓬萊,工學(xué)博士,副教授,主要研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)室科教結(jié)合建設(shè).

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1002-4956(2017)3-0165-05