三明治教学法和评价量表在电机与电气控制实验课程中的设计与实现

胡 玮, 尹 仕, 邓春花, 杨风开, 肖 波

(华中科技大学 电气与电子工程学院， 强电磁工程与新技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430074)

传统继电接触式电气控制，以及随后出现的现代PLC (programmable logic controller,可编程控制器)电气控制是组建工业自动控制系统、实现工业生产自动化的核心内容,以上2种控制方法的工作原理及控制手段并不相同,前者是靠纯硬件进行控制的,而后者是靠硬件和软件共同实现该控制功能。2种控制方法共同涉及的知识点很多,且具有很强的互补性和递进关系。继电接触式电气控制部分中关于电气控制系统的原理分析、控制方法设计、执行元件运行等内容在PLC电气控制部分均可采用、借鉴和延伸。一般而言,目前在很多国内高校均开设有“电气控制与PLC 应用”的相关课程,这些课程将以上2种电气控制方法合二为一进行教学[1-6]。特别是在自动化类、机电类院系及其所属专业,该课程更是传统的核心专业课程之一。但由于电气类学科专业方向与课程设置的原因,我校电气与电子工程学院并未单独开设“电气控制与PLC 应用”的课程。其中PLC电气控制部分被并入其他选修课程中讲授,而继电接触式电气控制部分在本科课程中完全没有涉及。

基于此问题,为补齐相关教学环节,培养宽口径的电气工程技术人才,以传统继电接触式电气控制为核心开设了一个16学时的“电机与电气控制”实验课程,希望本实验课程能够帮助学生了解工业自动控制系统的一般实现方法,掌握三相异步电动机典型条件控制的原理与设计方法,学习控制电动机按照设定方式运行的一般设计思路。同时希望本实验课程可以与学生之后选修的PLC电气控制的相关内容融为一体,补齐学生在工业自动控制系统设计与实现方面的知识欠缺。

1 实验课程设计思路

从其他院校设置“电气控制与PLC 应用”课程的经验来看,该课程是一门实践性很强的课程,没有过于艰深的理论体系,但非常强调动手能力,很适合学生自学。一般而言,该课程传统上采用理论教学与实验教学分阶段实施的教学模式,学时普遍较多,大部分院校还开设1～2周的课程设计单元。尽管本学院开设的“电机与电气控制”实验课程内容仅涉及到三相异步电动机的继电接触式电气控制部分,但由于整体学时较少,且作为实验课程,不宜进行长时间的理论教学,因此不能采用传统教学模式。

据此,开设的“电机与电气控制”实验课程把相关理论学习的内容放在课外,通过学生自学完成。在课堂上把相关的教学环节设置为4讲,每讲4学时。其中第一讲为“电机与电气控制研讨专题”;第二讲为“综合实验一”;第三讲为“综合实验二”;第四讲为“电机与电气控制综合设计专题”。整体实验内容安排遵循“学习—实践—提高”的教学模式,彼此衔接非常紧密,可以使学生迅速进入学习状态,完成实验课程设置的学习任务，本实验课程教学模式如图1所示。

图1 实验教学模式

具体而言,在研讨专题部分,学生主要对常见的三相异步电动机控制电路进行学习,包括电动机自锁、互锁、条件启动控制和延时启动控制的基本原理和设计方法。在“综合实验一”和“综合实验二”的实验部分,学生主要对研讨专题学习的控制电路进行实验操作。为进一步提升学生的设计和动手能力,改革传统的实验教学模式,即教师给定实验控制电路图,学生在实验箱或实验台上按照电路图接线进行实验验证,而是采用了新的实验教学模式,即由学生根据研讨专题学习的内容,以小组为单位完成实验控制电路的设计。在课堂上,教师将交流接触器、200 W三相异步电动机等实验设备和常用工具交付给学生,学生根据设计图纸将相关实验设备固定在木质安装板上,自主连线测试,完成教师布置的任务。“综合实验一”需要完成电动机的点动控制、单相连续运转控制和正、反转控制等3个实验内容;“综合实验二”需要完成电动机的多条件启动控制、顺序启动控制和延时启动控制等3个实验内容。在综合设计专题部分,学生主要针对三相异步电动机复杂电气控制系统设计进行学习。教师将提出6道综合设计题,给出任务描述,学生以小组为单位自主选题完成电气控制系统的设计,并在课堂进行汇报演讲,提交设计报告。

本实验课程在研讨专题部分引入了三明治教学法,并在所有实验教学环节中引入了评价量表。采用这两种方法能够在有限的课时内完成实验课程设置的理论和实验教学,并增强教师与学生的交流与互动,提升学生的学习主动性,进而实现良好的教学效果。

2 三明治教学法

2.1 设计思路

三明治教学法是行动导向的教学法,起源于英国,强调理论学习与实验操作交替进行、相互结合。将该教学法应用于课堂组织形式,即将教师讲解、小组讨论、交叉学习与学习汇报融合在课堂教学中,可以使教师与学生、学生与学生之间不断地交流与互动,充分提升学生的自主学习能力[7-8]。该教学法目前主要应用于以案例教学为主的医学和生物化学等专业方向的课堂教学中,获得了较好的效果[9-11]。同时在工科实验教学中也有一定的适用性和借鉴意义[12]。

采用三明治教学法对教师与学生都提出了相当高的要求,教师的角色从传道、授业变成了解惑,身份从课堂传授者变成了课堂组织者、引导者和促进者。而学生则从被动学习变成了主动学习,从以课堂学习为主变成了以课前预习为主。这样才能够在课堂上高效地展开交流与互动。

为提升学生的自主学习效率、明确学习目标,编撰了电机与电气控制实验教案,在实验课程开始之前发放给学生。实验教案汇编了常用低压电气控制元件、电动机基本控制电路与有条件控制电路、电气CAD绘图方法等内容,并选取了8个常见的三相异步电动机控制电路进行精讲。学生可以在课前使用该教案并结合教师推荐的教材进行自主学习。

2.2 实施方式

三明治教学法在研讨专题课堂上主要分为3个部分。

(1) 教师开场白,时间约为60 min，开场白结合电机与电气控制实验教案,可分为2个部分;其一是常用低压电气控制元件实物展示,并结合教案学习该控制元件的工作原理和图形符号,讲解电动机电气控制图的主要特点;其二是三相异步电动机基本控制电路原理简介,包括接触器辅助触点实现自锁原理、接触器辅助触点实现互锁原理、按钮互锁原理等,并由此引出三相异步电动机点动控制、单相连续运转控制和正反转控制电路的设计方法。有条件启动控制原理、有条件启动与停止控制原理、延时启动控制原理等,并由此引出位置开关行程控制、位置开关自动往复运动控制和延时启动控制电路的设计方法。开场白要合理分配时间、详略得当,在学生充分预习的基础上,可采用学生回答问题等课堂互动形式活跃课堂气氛,使学生明确本实验课程的学习内容,形成良好的教学氛围。

(2) 学生分组讨论、交叉讨论与教师点评。首先是学生进行分组讨论,时间约为30 min。教师将把学生分组,一个自然班可分为5个小组,每组组员6人,学生以小组为单位围绕教师设定的题目进行讨论,分组讨论后要完成论题的初步设计方案。教师在课前会准备不同的论题供不同小组使用,论题的设计难度基本一致,均略高于教案给出的电动机电气控制范例,或是对于已有电气控制范例的改进设计。在本例中,准备的论题是在三相异步电动机基本控制电路的基础上,初步设计三相异步电动机多地控制电路、顺序启动控制电路、星型-三角形降压启动控制电路等较为复杂的电动机控制电路。一般而言,论题的设定对于学生整个学习过程起到关键作用,好的论题可使学生在讨论中能够举一反三,对建立三相异步电动机控制电路设计思路很有帮助。其次是学生进行交叉讨论,时间约为15 min。

在分组讨论结束后,学生打乱原分组，组建新的小组进行交叉讨论,每个新小组均从原来5个小组中分别调取一名学生组成,即可分为6个交叉小组,每组组员5人。交叉小组组员分别介绍原小组的讨论题和初步设计方案,组员之间互相交流看法并提出对彼此设计方案的建议与意见。最后是学生向教师汇报设计方案,时间约为30 min。在交叉讨论结束后,组员回归原小组,并以原小组为单位每个组推荐一位学生在讲台上展示本组论题的设计方案,并简要介绍设计思路。教师对设计方案进行点评,并对学生需要掌握的知识点和设计思路进行回顾,对设计中出现的错误进行纠正。学生分组讨论、交叉讨论与教师点评教学过程如图2所示。

图2 学生分组讨论、交叉讨论与教师点评教学过程

(3) 金鱼缸讨论与教师总结。首先是金鱼缸讨论环节,时间约为30 min。教师提出一道三相异步电动机电气控制系统综合设计题,由各小组推荐的一位学生组成一个新的小组进行设计方案讨论。全班其他学生围绕在小组周围,可对讨论内容自由发言。金鱼缸讨论环节并不需要对综合设计题给出完整的设计方案,其目的是让学生初步了解复杂电气控制系统的设计方法,为之后综合设计专题的学习打下基础。最后是教师总结,时间约为15 min。教师对课堂教学内容和学生在方案设计中出现的问题进行全面的总结,并讲解综合设计题的设计方案和设计思路。至此,4学时基于三明治教学法的实验研讨课教学结束,三明治教学法教学过程如图3所示。

图3 三明治教学法教学过程

学生课后的任务是根据课堂研讨的内容设计“综合实验一”和“综合实验二”的实验控制电路,并采用电气CAD绘制设计图纸。

整体而言,在进行三明治教学法教学时,教师需要根据与学生交流时学生对知识的预习情况随时调整教学进度,并在交流时将学生提出的有针对性的问题选取出来,在课堂中详细讲解。课堂各教学环节设定的时间可根据教师要求和学生预习程度进行调整。

3 评价量表的应用

评价量表是对学生学习过程中的效果进行判断的标准。评价量表起源于美国,一般而言,在教学过程中使用评价量表能够给学生提供明确的学习目标,使学生能够较为主动地制定学习规划，也给教师提供了清晰的评价标准,直观把握学生的学习进度,并为改善教学方法提供直接参考[13-17]。对于少学时的“电机与电气控制”实验教学而言,教师的课堂讲授时间是有限的,对相关知识的掌握主要依靠学生的课前预习和课堂讨论。为合理评价学生预习与课堂学习的投入程度,以及促进学生自我监控与学习热情,教师和助教在实验课程第一讲至第四讲均采用设定的评价量表对学生的课堂整体表现进行实时评分。

评价量表设计的关键在于其维度和因子是否能够合理评价学生的学习投入,而学生的学习投入是认知投入、行为投入和情感投入3个维度有意义的结合,评价量表应该同时考查这3个方面。其中认知投入的定义是“深层认知策略的应用以及对有效学习的自我监控与调节”;行为投入的定义是“学生学习的专注努力与坚持不懈”;情感投入的定义是“学生体验到学习的价值以及对学习形成的浓厚兴趣”[18-19]。

这些设计原则体现在“电机与电气控制”实验课程研讨专题,以及“综合实验一”“综合实验二”和“综合设计专题”等不同教学环节的评价量表的设计上,具体表现为3个方面,其中认知投入重点考查学生的基础知识储备，行为投入重点考查学生课堂学习情况或实验动手能力，情感投入重点考查学生“团队合作表现与学习态度”。这是在各个教学环节中统一的3个维度的设计。针对不同的教学环节,每个维度下还细分为2个不同的因子,“电机与电气控制”实验课程各教学环节维度与因子的设计如表1所示，其中“综合实验一”和“综合实验二”均为实验课程的实验操作部分,其因子的设计完全相同。

将以上维度与因子的设计进行拓展,可以设计出针对不同教学环节的评价量表。以“综合实验一”评价量表的设计为例,维度“实验动手能力”可细分为“操作练习完成情况”和“实验步骤规范性”2个因子，其中因子“操作练习完成情况”根据学生的表现可设计为“能够独立在规定时间内完成布置的操作练习”“能够在教师帮助下在规定时间内完成布置的操作练习”和“不能在规定时间内完成布置的操作练习或无法完成操作练习”3种情况(见表1)。评价量表将以上3种情况评定为典范、合格、有待改善3个等级,设定了不同的分值比例,严格评定学生的表现。评价量表中其他维度和因子的拓展与此一致,“综合实验一”的评价量表如表2所示。

表1 各教学环节维度与因子的设计

表2 “综合实验一”的评价量表

表2(续)

我们在实验课程开始之前将实验课程各教学环节的4份评价量表发放给学生。其目的在于发挥监督、导向和激励作用,调动学生的学习积极性,增强学生的进取心。同时,教师的评分规则也可以做到公开、公平和公正。

4 实验课程综合设计的原则

一般而言,各院校的“电气控制与PLC 应用”课程均设置有为期一周左右的课程设计单元。与之对应,我们开设的“电机与电气控制”实验课程有4学时的实验课程综合设计,其目的在于帮助学生将之前学习的三相异步电动机的继电接触式电气控制基础理论与设计方法应用于实际的电气控制系统设计中。

在综合设计环节开始之前,教师给每个班出6道综合设计题,并给出任务描述,题目均为具有实际应用价值的电气控制系统综合设计。学生仍以小组为单位自主选题,并在预习阶段完成电气控制系统的控制电路设计。在实验课堂上,每个小组推荐一位学生在讲台上展示设计方案,介绍设计思路,并通过各个小组之间的交流和探讨找出各自方案的优点与不足。最终,每个小组都得到较为完善的设计方案,并在课后提交设计报告。通过设计方案的论证,即可以让学生进一步理解三相异步电动机复杂电气控制系统的设计思路和实现方法,也锻炼了学生的语言表达能力与逻辑思维能力。

5 结语

少学时“电机与电气控制”实验课程已开设2年,通过采用三明治教学法和评价量表,我们可以在16学时内完成常规的“电气控制与PLC 应用”课程中三相异步电动机的继电接触式电气控制部分的理论学习、实验操作和课程设计,实现了传统教学模式与方法的突破与创新。对学生的问卷调查显示,实验教学取得了较好的效果,学生对实验课程内容满意度和教学方法满意度均评分较高,学生通过自主学习提升了学习兴趣和创新能力,为今后选修PLC电气控制方面的课程打下了较好的基础。本教学模式在本科实验教学改革中具有较好的借鉴和推广价值,相关专业实践性较强的课程教学均可采用。