胡 瑋, 尹 仕, 鄧春花, 楊風(fēng)開, 肖 波

(華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)的互補(bǔ)性和遞進(jìn)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(shè)計、執(zhí)行元件運(yùn)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(shè)有“電氣控制與PLC 應(yīng)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(jìn)行教學(xué)[1-6]。特別是在自動化類、機(jī)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(xué)科專業(yè)方向與課程設(shè)置的原因,我校電氣與電子工程學(xué)院并未單獨開設(shè)“電氣控制與PLC 應(yīng)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(bǔ)齊相關(guān)教學(xué)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(shè)了一個16學(xué)時的“電機(jī)與電氣控制”實驗課程,希望本實驗課程能夠幫助學(xué)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(jī)典型條件控制的原理與設(shè)計方法,學(xué)習(xí)控制電動機(jī)按照設(shè)定方式運(yùn)行的一般設(shè)計思路。同時希望本實驗課程可以與學(xué)生之后選修的PLC電氣控制的相關(guān)內(nèi)容融為一體,補(bǔ)齊學(xué)生在工業(yè)自動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方面的知識欠缺。

1 實驗課程設(shè)計思路

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

據(jù)此,開設(shè)的“電機(jī)與電氣控制”實驗課程把相關(guān)理論學(xué)習(xí)的內(nèi)容放在課外,通過學(xué)生自學(xué)完成。在課堂上把相關(guān)的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置為4講,每講4學(xué)時。其中第一講為“電機(jī)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(jī)與電氣控制綜合設(shè)計專題”。整體實驗內(nèi)容安排遵循“學(xué)習(xí)—實踐—提高”的教學(xué)模式,彼此銜接非常緊密,可以使學(xué)生迅速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài),完成實驗課程設(shè)置的學(xué)習(xí)任務(wù)，本實驗課程教學(xué)模式如圖1所示。

圖1 實驗教學(xué)模式

具體而言,在研討專題部分,學(xué)生主要對常見的三相異步電動機(jī)控制電路進(jìn)行學(xué)習(xí),包括電動機(jī)自鎖、互鎖、條件啟動控制和延時啟動控制的基本原理和設(shè)計方法。在“綜合實驗一”和“綜合實驗二”的實驗部分,學(xué)生主要對研討專題學(xué)習(xí)的控制電路進(jìn)行實驗操作。為進(jìn)一步提升學(xué)生的設(shè)計和動手能力,改革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式,即教師給定實驗控制電路圖,學(xué)生在實驗箱或?qū)嶒炁_上按照電路圖接線進(jìn)行實驗驗證,而是采用了新的實驗教學(xué)模式,即由學(xué)生根據(jù)研討專題學(xué)習(xí)的內(nèi)容,以小組為單位完成實驗控制電路的設(shè)計。在課堂上,教師將交流接觸器、200 W三相異步電動機(jī)等實驗設(shè)備和常用工具交付給學(xué)生,學(xué)生根據(jù)設(shè)計圖紙將相關(guān)實驗設(shè)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(wù)。“綜合實驗一”需要完成電動機(jī)的點動控制、單相連續(xù)運(yùn)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(jī)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(shè)計專題部分,學(xué)生主要針對三相異步電動機(jī)復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行學(xué)習(xí)。教師將提出6道綜合設(shè)計題,給出任務(wù)描述,學(xué)生以小組為單位自主選題完成電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計,并在課堂進(jìn)行匯報演講,提交設(shè)計報告。

本實驗課程在研討專題部分引入了三明治教學(xué)法,并在所有實驗教學(xué)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(shè)置的理論和實驗教學(xué),并增強(qiáng)教師與學(xué)生的交流與互動,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性,進(jìn)而實現(xiàn)良好的教學(xué)效果。

2 三明治教學(xué)法

2.1 設(shè)計思路

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

采用三明治教學(xué)法對教師與學(xué)生都提出了相當(dāng)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(dǎo)者和促進(jìn)者。而學(xué)生則從被動學(xué)習(xí)變成了主動學(xué)習(xí),從以課堂學(xué)習(xí)為主變成了以課前預(yù)習(xí)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(xué)生的自主學(xué)習(xí)效率、明確學(xué)習(xí)目標(biāo),編撰了電機(jī)與電氣控制實驗教案,在實驗課程開始之前發(fā)放給學(xué)生。實驗教案匯編了常用低壓電氣控制元件、電動機(jī)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(jī)控制電路進(jìn)行精講。學(xué)生可以在課前使用該教案并結(jié)合教師推薦的教材進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

2.2 實施方式

三明治教學(xué)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(jī)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(xué)習(xí)該控制元件的工作原理和圖形符號,講解電動機(jī)電氣控制圖的主要特點;其二是三相異步電動機(jī)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(jī)點動控制、單相連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)控制和正反轉(zhuǎn)控制電路的設(shè)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(fù)運(yùn)動控制和延時啟動控制電路的設(shè)計方法。開場白要合理分配時間、詳略得當(dāng),在學(xué)生充分預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上,可采用學(xué)生回答問題等課堂互動形式活躍課堂氣氛,使學(xué)生明確本實驗課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容,形成良好的教學(xué)氛圍。

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

在分組討論結(jié)束后,學(xué)生打亂原分組，組建新的小組進(jìn)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(xué)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(shè)計方案,組員之間互相交流看法并提出對彼此設(shè)計方案的建議與意見。最后是學(xué)生向教師匯報設(shè)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(xué)生在講臺上展示本組論題的設(shè)計方案,并簡要介紹設(shè)計思路。教師對設(shè)計方案進(jìn)行點評,并對學(xué)生需要掌握的知識點和設(shè)計思路進(jìn)行回顧,對設(shè)計中出現(xiàn)的錯誤進(jìn)行糾正。學(xué)生分組討論、交叉討論與教師點評教學(xué)過程如圖2所示。

圖2 學(xué)生分組討論、交叉討論與教師點評教學(xué)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(jī)電氣控制系統(tǒng)綜合設(shè)計題,由各小組推薦的一位學(xué)生組成一個新的小組進(jìn)行設(shè)計方案討論。全班其他學(xué)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(shè)計題給出完整的設(shè)計方案,其目的是讓學(xué)生初步了解復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,為之后綜合設(shè)計專題的學(xué)習(xí)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(xué)內(nèi)容和學(xué)生在方案設(shè)計中出現(xiàn)的問題進(jìn)行全面的總結(jié),并講解綜合設(shè)計題的設(shè)計方案和設(shè)計思路。至此,4學(xué)時基于三明治教學(xué)法的實驗研討課教學(xué)結(jié)束,三明治教學(xué)法教學(xué)過程如圖3所示。

圖3 三明治教學(xué)法教學(xué)過程

學(xué)生課后的任務(wù)是根據(jù)課堂研討的內(nèi)容設(shè)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(shè)計圖紙。

整體而言,在進(jìn)行三明治教學(xué)法教學(xué)時,教師需要根據(jù)與學(xué)生交流時學(xué)生對知識的預(yù)習(xí)情況隨時調(diào)整教學(xué)進(jìn)度,并在交流時將學(xué)生提出的有針對性的問題選取出來,在課堂中詳細(xì)講解。課堂各教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)定的時間可根據(jù)教師要求和學(xué)生預(yù)習(xí)程度進(jìn)行調(diào)整。

3 評價量表的應(yīng)用

評價量表是對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的效果進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)。評價量表起源于美國,一般而言,在教學(xué)過程中使用評價量表能夠給學(xué)生提供明確的學(xué)習(xí)目標(biāo),使學(xué)生能夠較為主動地制定學(xué)習(xí)規(guī)劃，也給教師提供了清晰的評價標(biāo)準(zhǔn),直觀把握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度,并為改善教學(xué)方法提供直接參考[13-17]。對于少學(xué)時的“電機(jī)與電氣控制”實驗教學(xué)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(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課堂討論。為合理評價學(xué)生預(yù)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)的投入程度,以及促進(jìn)學(xué)生自我監(jiān)控與學(xué)習(xí)熱情,教師和助教在實驗課程第一講至第四講均采用設(shè)定的評價量表對學(xué)生的課堂整體表現(xiàn)進(jìn)行實時評分。

評價量表設(shè)計的關(guān)鍵在于其維度和因子是否能夠合理評價學(xué)生的學(xué)習(xí)投入,而學(xué)生的學(xué)習(xí)投入是認(rèn)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(yīng)該同時考查這3個方面。其中認(rèn)知投入的定義是“深層認(rèn)知策略的應(yīng)用以及對有效學(xué)習(xí)的自我監(jiān)控與調(diào)節(jié)”;行為投入的定義是“學(xué)生學(xué)習(xí)的專注努力與堅持不懈”;情感投入的定義是“學(xué)生體驗到學(xué)習(xí)的價值以及對學(xué)習(xí)形成的濃厚興趣”[18-19]。

這些設(shè)計原則體現(xiàn)在“電機(jī)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(shè)計專題”等不同教學(xué)環(huán)節(jié)的評價量表的設(shè)計上,具體表現(xiàn)為3個方面,其中認(rèn)知投入重點考查學(xué)生的基礎(chǔ)知識儲備，行為投入重點考查學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況或?qū)嶒瀯邮帜芰?，情感投入重點考查學(xué)生“團(tuán)隊合作表現(xiàn)與學(xué)習(xí)態(tài)度”。這是在各個教學(xué)環(huán)節(jié)中統(tǒng)一的3個維度的設(shè)計。針對不同的教學(xué)環(huán)節(jié),每個維度下還細(xì)分為2個不同的因子,“電機(jī)與電氣控制”實驗課程各教學(xué)環(huán)節(jié)維度與因子的設(shè)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(shè)計完全相同。

將以上維度與因子的設(shè)計進(jìn)行拓展,可以設(shè)計出針對不同教學(xué)環(huán)節(jié)的評價量表。以“綜合實驗一”評價量表的設(shè)計為例,維度“實驗動手能力”可細(xì)分為“操作練習(xí)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(xí)完成情況”根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)可設(shè)計為“能夠獨立在規(guī)定時間內(nèi)完成布置的操作練習(xí)”“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(xí)”和“不能在規(guī)定時間內(nèi)完成布置的操作練習(xí)或無法完成操作練習(xí)”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(shè)定了不同的分值比例,嚴(yán)格評定學(xué)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(xué)環(huán)節(jié)維度與因子的設(shè)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(xué)環(huán)節(jié)的4份評價量表發(fā)放給學(xué)生。其目的在于發(fā)揮監(jiān)督、導(dǎo)向和激勵作用,調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,增強(qiáng)學(xué)生的進(jìn)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(shè)計的原則

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

在綜合設(shè)計環(huán)節(jié)開始之前,教師給每個班出6道綜合設(shè)計題,并給出任務(wù)描述,題目均為具有實際應(yīng)用價值的電氣控制系統(tǒng)綜合設(shè)計。學(xué)生仍以小組為單位自主選題,并在預(yù)習(xí)階段完成電氣控制系統(tǒng)的控制電路設(shè)計。在實驗課堂上,每個小組推薦一位學(xué)生在講臺上展示設(shè)計方案,介紹設(shè)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(shè)計方案,并在課后提交設(shè)計報告。通過設(shè)計方案的論證,即可以讓學(xué)生進(jìn)一步理解三相異步電動機(jī)復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法,也鍛煉了學(xué)生的語言表達(dá)能力與邏輯思維能力。

5 結(jié)語

少學(xué)時“電機(jī)與電氣控制”實驗課程已開設(shè)2年,通過采用三明治教學(xué)法和評價量表,我們可以在16學(xué)時內(nèi)完成常規(guī)的“電氣控制與PLC 應(yīng)用”課程中三相異步電動機(jī)的繼電接觸式電氣控制部分的理論學(xué)習(xí)、實驗操作和課程設(shè)計,實現(xiàn)了傳統(tǒng)教學(xué)模式與方法的突破與創(chuàng)新。對學(xué)生的問卷調(diào)查顯示,實驗教學(xué)取得了較好的效果,學(xué)生對實驗課程內(nèi)容滿意度和教學(xué)方法滿意度均評分較高,學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)提升了學(xué)習(xí)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(xué)模式在本科實驗教學(xué)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(qiáng)的課程教學(xué)均可采用。