基于PBL?TBL模式的电气控制课程设计教学优化

何自立　李全武　甘学涛　樊强

［摘 要］针对电气控制课程的设计特点及教学方式改革的需要，文章提出以PBL教学模式为引导，构建并优化基于TBL教学模式的教学体系。在教学内容、教学方式及考核方式等方面，文章深入分析了PBL和TBL教学模式。在此基础上，探讨这两种教学方式联合运用的可行性。对于教学过程中的关键环节，合理选择教学方式，并结合PBL?TBL模式制订具体实施方案。实践表明，该教学模式在电气控制课程设计教学中的应用，不仅能有效提升学生的工程素质，还能增强团队协作能力，显著提高课程设计的教学质量。

［关键词］PBL?TBL模式；电气控制；课程设计；教学优化

［中图分类号］G642.4［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）02-0058-04

课程设计是普通高等院校在本科培养阶段对一门专业课程进行综合性实践教学的环节。电气控制课程设计是电气工程及其自动化专业自动控制类课程理论教学的延伸和完善，旨在使学生掌握电气控制相关技术设备和可编程控制器的使用、分析及设计方法。通过课程设计的特定环节，学生可以深入理解电气控制和可编程控制器原理课程中的基本概念、理论和体系，并对所学内容进行系统的整合与贯通[1]。这既有助于培养创新型人才，也符合新工科建设的重要目标。

在传统的电气控制课程设计中，学生按照课程设计指导书提供的方法步骤进行操作。在指导教师引导下，学生通常会依赖于课程设计指导书，按照固定的程序和形式进行[2]。这种教学方式过于强调教学过程的规范性，使得学生被动参与、创造性缺乏。此外，电气控制课程设计环节较多，往往需要团队协作完成，由于缺乏有效的客观评价指标，单一的教学评价方法难以适应实际教学工作的需要。因此，本文在课程设计教学的过程中引入PBL（Project?Based Learning）和TBL（Team?Based Learning）教学模式，通过有机结合这两种教学模式，探索新的电气控制类课程设计教学模式，以期为电气工程实践教学环节的改进提供参考。

一、PBL教学模式

基于项目学习的PBL教学模式要求学生通过现场勘查、收集整理资料、查阅设计规范和图纸，将理论知识与工程实际相结合。学生从实际工程的角度出发主动学习，教师最终以设计成果的形式评价学习效果[3]。该学习模式鼓励学科交叉、协作学习、自主探究，并紧密联系工程实践，使学生的综合能力得到训练和提高[4]。

PBL教学模式的主要特征包括：针对特定课程设定引导性问题，组织学习活动并激发学生兴趣；学生综合运用多种认知工具和信息资源进行自主学习；面对工程实际问题，学生能跨学科综合分析并解决，通过交流和讨论形成新的设计作品。

首先，PBL教学模式鼓励学生根据个人专长和兴趣自主选择设计题目，以此展现个体的优势和学习主动性。其次，鉴于工程问题常需多学科协作，PBL教学模式倡导知识交叉与跨学科研究。再次，PBL教学模式强调学习与工程实际的紧密结合，注重探索精神。同时，PBL教学模式有利于学生协作精神的培养，各参与者间通常需要协商、讨论以达成一致意见，需具备较强的合作与协调能力。最后，PBL教学模式为学生提供了发挥创造力的平台，有助于培养学生的创新精神，充分挖掘其创造潜能。

二、TBL教学模式

TBL教学模式，即基于团队的学习或小组合作学习，由Michaelsen等[5]人于2002年提出，是国际上较为认可的一种创新教学模式。该模式通过团队合作形式完成特定学习任务，有助于培养学生的自主探索能力、协作交流技巧及沟通表达能力。

TBL教学模式的特点是：它基于实际工程问题，鼓励学生以团队合作形式共同探索和研究，学生在彼此信任、相互鼓励、开展辩论和相互启发中，提升自主学习能力；让学生在研究和创造中学习；具有较完善的评价体系，将终结性评价与形成性评价相结合，同时组内互评和组间互评也是平时成绩的组成部分，以激发学生的学习积极性，促进他们对知识的渐进性掌握。

TBL教学模式的实施主要分为三个阶段：知识积累阶段，指导教师设定学习目标，学生自主学习并积累相关专业知识；知识考查阶段，检验学生前期的知识储备情况，包括对学生个体的测试和以小组为单位的测试，教师及时提供反馈，学生据此改进解决方案；知识应用阶段，教师设定统一问题，各小组基于前期知识开展组内和组间讨论，提出解决方案，并相互比较和反馈。

三、PBL?TBL模式耦合的教学设计

在课程设计教学中，复杂的工程问题常需多学科知识交叉融合。由于设计方案存在差异、设计成果受诸多因素的影响，单一的教学法难以满足实际教学需要[6]。因此，应根据课程设計特点，有机结合PBL和TBL教学模式，充分发挥它们的优势。

电气控制课程设计是以解决自动控制中的实际问题为出发点，与PBL教学模式有着天然的耦合性。同时，课程设计涉及电子技术、电力拖动、控制电机、单片机等多项技术，知识面广、过程复杂，对学生的知识储备和工程应用能力提出了更高要求。因此，以团队合作形式完成课程设计，特别适用于TBL教学模式的组织构建。

（一）组建团队、选定项目

在TBL教学模式下组建团队，应确保成员在性格、知识背景及心理特点等方面相互补充，以促进彼此间的信任、鼓励，并积极参加团队活动。团队经过讨论后确定项目名称，并需注意以下几点：第一，设计题目应选择学生较为熟悉的应用场景，具有明确的工程背景，并确保对被控对象的工作过程有所了解，比如常见的电梯运行控制、变频供水系统及喷泉控制等；第二，设计项目应尽量融合多门学科知识，比如传感器技术、电力电子、组态软件、EPLAN及AutoCAD等，以提升学生的综合能力，并促进团队内部的分工协作。

（二）制订项目计划

根据所选项目的内容及其难易程度，结合各小组成员的具体分工，在教师的指导下制订详细的项目计划，包括各阶段的主要工作、设计目标、时间节点等。方案比选阶段和总体设计阶段各占总计划学时的15%，单元电路设计约占总计划学时的30%，控制程序开发与调试及撰写课程报告各占总计划学时的20%。此外，为满足TBL教学模式的要求，还需安排阶段性个人考核及团队考核时间，并预留足够时间用于设计成果的演示和答辩。

（三）调研与讨论

调研与讨论是PBL教学模式的核心环节，学生通过查阅资料、调查研究开展自主学习。在TBL教学模式下，各小组成员应分工协作，搜集、归纳、分析技术资料，明确系统的主要功能，并确定实现其主要功能的原理及设计方案。经过技术与经济评估后，进行方案优选。小组间应相互交流讨论，修订和完善设计方案，并与指导教师充分沟通，不断优化和改进设计方案。

（四）开展设计任务

PBL教学模式以项目为基础，与一般活动教学活动相区别。首先，根据具体设计方案，计算电气主回路及控制回路技术参数，完成系统总体结构设计，并绘制系统的总电气原理图。其次，基于总电气原理图，分析、计算各单元电路并进行设备选型，包括电气主回路动力回路中的主要电器设备选型、保护电器配置与整定、动力电缆选择与校验、可编程控制器选型、IO端口确定、主令电器的选择与配置等。同时，辅助回路应考虑电机拖动方式、调速制动要求、电机工作制度、信号回路、设置必要的连锁及保护、限位及应急操作等。最后，根据系统原理图及各单元电路设计，开发相应控制程序，并使用仿真软件对控制程序的功能和异常处理流程进行验证。

（五）成果汇报交流

项目设计成果交流可采用现场展示、答辩会、小型比赛等形式。汇报以小组为单位，主要围绕设计项目的总体方案合理性、电气主回路及控制回路设计参数计算的准确性、主要电器元件选型、辅助回路设计、可编程控制器选型及程序设计合理性等方面进行汇报和讨论。小组需解答评委提出的问题，并就相关技术问题展开辩论，以提高各小组及其成员的整体参与度。

（六）学习活动评价

学习活动评价是PBL教学模式的一个关键环节，需要做到定量评价和定性评价相结合，构建全过程形成性评价体系。具体评价内容包括：基本电气控制概念、理论、方法的理解程度，电气控制系统设计基本环节、内容、方法、步骤和要求的掌握程度，电气控制设计常用工具及软件的使用，设计中的关键技术环节及设计规范的理解，利用所学知识解决复杂工程问题的综合能力，审查课程设计进行过程中各小组成员的协作状态、项目计划执行情况等。通过统计，可量化分析学生在课程设计中的教学目标达成情况。

四、教学实践及讨论

为了验证课程改革效果，本文选取2018级和2019级电气工程及其自动化专业的124名学生开展教学实验。每届学生中，随机抽取50%作为实验组，采用PBL?TBL教学模式，其余学生作为对照组，接受传统教学模式。实验采用模糊综合评价方法[7]，选定五项测试指标，并划分为五个评语集：优秀、良好、中等、达标、基本达标。通过熵权法确定指标权重，并利用加权平均型M（*，+）模糊算子计算权重，最终进行决策评价。

根据计算，对照组的评价指标权重集为[20.12，22.79，20.46，18.02，18.61]，其中“技术考核”指标权重最高（22.79%），而“工程素养”指标权重最低（18.02%）。五个评语集的隶属度为[0.21，0.31，0.24，0.22，0.02]，其中“良好”的权重最高（0.31），根据最大隶属度原则，因此综合评定结果为“良好”。为了便于对比，将评语集所代表的分数定义为[5，4，3，2，1]，通过隶属度加权计算得出综合得分值为3.47，位于“中等”和“良好”之间。采用同样的方法分析实验组得分情况（见表1），得到相应评价指标权重集为[17.53，24.35，21.25，20.93，15.94]，其中“技术考核”指标权重仍为最高（24.35%），而“工程素养”指标权重提升至20.93%。五个评语集的隶属度为[0.34，0.37，0.16，0.11，0.02]，其中“优秀”及“良好”的隶属度明显提高。通过计算，实验组的综合得分为3.92，与对照组相比有明显的提升，整体表现接近良好。

对比分析显示，采用新的教学模式后，教学效果显著提升，优良比例明显增加。然而，也需注意以下问题：学生工程背景较为不足，方案选择和调研不够全面，导致合理方案的确定耗时较长，增加了学生前期负担，整体进度缓慢。采用TBL模式后，个别学生存在依赖思想，小组内部分工不均，给团队管理带来困难。此外，采用全过程形成性评价模式的考核评分方案考虑了小组内分工及贡献，但也增加了评分考核的难度，需要指导教师全过程跟踪分析各小组项目设计，对教师能力提出了更高要求。

五、结语

随着新工科建设的深化，对创新型人才培养提出了新的挑战。因此，课程设计的组织模式和思维模式需摒弃被动接受，积极追求创新和突破。实践证明，将PBL与TBL教学模式相结合应用于电气控制课程设计，能显著提升学生的自主学习能力、工程素养和团队协作能力。虽然仍存在待解决问题，但教学改革是一个持续优化的过程。通过不断的教学探索和经验积累，教学模式将日益完善，以更好地提升教学效果，满足教育和社會发展的需求。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 陈海霞，王锁萍，熊田忠.面向企业需求的电气控制类课程设计创新教学模式[J].实验室研究与探索，2014，33（2）：190-193.

[2] 查长礼，唐飞.《电气控制与可编程控制器课程设计》的项目驱动教学研究[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2014，20（1）：101-103.

[3] BARROWS H S. A taxonomy of problem?based learning methods[J].Medical education，1986，20（6）：481-486.

[4] 董艳，和静宇.PBL项目式学习在大学教学中的应用探究[J].现代教育技术，2019，29（9）：53-58.

[5] MICHAELSEN L K，SWEET M. Fundamental principles and practices of team?based learning[M]. Sterling（VA）：Stylus Publishing，2008： 9-31.

[6] 杨旗，胡辉，郑莹，等.PBL与TBL组合式教学模式在环境工程专业课程中的实践[J].实验室研究与探索，2016，35（6）：204-207.

[7] 刘军，李天舒.基于模糊综合评价的《机械创新设计》课程考核方式研究[J].西南师范大学学报（自然科学版），2015，40（8）：177-180.

［责任编辑：梁金凤］