劉宏達(dá), 張國堃, 張文義, 張鏐鐘

(哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(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驗課程設(shè)計

劉宏達(dá), 張國堃, 張文義, 張鏐鐘

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

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

翻轉(zhuǎn)課堂； 電氣控制； 綜合實驗平臺； 實驗課程改革

近年來對于翻轉(zhuǎn)課堂的研究不僅局限于國外經(jīng)驗介紹和基礎(chǔ)教育中的理論探討方面[1-8],也廣泛應(yīng)用于課程實踐教學(xué)[9-11]。我校開展的電氣控制綜合實驗課程,雖然通過采用自行研制的一套集電工實習(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驗平臺[12],很好地將工程項目和本科實驗進行了結(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,該實驗教學(xué)平臺并不能充分發(fā)揮其潛能,因此今年對原有的教學(xué)模式進行深層次改革,引用了新型的翻轉(zhuǎn)課堂實驗教學(xué)模式。

1 實驗內(nèi)容安排及目的

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

圖1 實驗教學(xué)內(nèi)容安排總框圖

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

拓展實驗是讓學(xué)生在基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上選擇實驗主題,自主設(shè)計實驗項目并實現(xiàn)一個略微簡化的現(xiàn)代工業(yè)電氣控制項目、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、基于PLC的電氣控制實驗、變頻器控制實驗等。在拓展實驗中,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、項目設(shè)計、任務(wù)分配及校驗等環(huán)節(jié)。

2 基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的實驗教學(xué)模式

實驗對象為高校二年級的電氣類及相關(guān)專業(yè)學(xué)生(每班人數(shù)約40人),每班通過隨機或?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個階段。因為課程涉及內(nèi)容較多,所以以點帶面,僅以繼電器控制方面的實驗內(nèi)容為例進行詳細(xì)說明。

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)是完成對繼電器控制實驗的整體設(shè)計工作,制作實驗教學(xué)資料。教學(xué)資料主要包括:

(1) 介紹實驗元件的PPT,如圖3所示。主要介紹實際工業(yè)元器件與電氣符號的對應(yīng)關(guān)系、繼電器主觸點與輔助觸點的應(yīng)用區(qū)別、熱繼電器和時間繼電器的原理及使用方法、熔斷器的結(jié)構(gòu)、元器件在實驗平臺的裝卸方法等。

圖3 實驗元件教學(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) 線號機的使用視頻,如圖4所示。

圖4 線號機使用教學(xué)視頻截圖

(4) 實驗中的注意事項。由于實驗臺需要引入380 V左右的電壓,所以教師需要重點強調(diào)一下實際操作過程中的安全問題,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星三角啟動知識講解,主要內(nèi)容有三相異步電機星三角啟動電氣控制電路圖介紹(如圖5所示)、如何識圖、如何根據(jù)電氣圖選擇電氣元件等。

圖5 電機星三角啟動電氣控制教學(xué)資料截圖

完成教學(xué)資料的制作后,教師要做好實驗器材和實驗工具的準(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)會識別和使用實驗器材和實驗用具,避免實驗過程當(dāng)中因為不知如何使用器材耽誤實驗時間；理解星三角啟動電氣控制原理圖；清楚實驗過程當(dāng)中的安全注意事項。

2.1.2 學(xué)生工作部分

學(xué)生首先通過教師提供的教學(xué)資料了解學(xué)習(xí)內(nèi)容,根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)及個人興趣選擇合適的學(xué)習(xí)內(nèi)容和順序。對學(xué)習(xí)過程中的收獲和遇到的問題進行記錄,在規(guī)定的時間內(nèi)及時與教師進行問題交流。比如學(xué)生在課前學(xué)習(xí)階段會反映一個問題,他們通過實驗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,但是缺乏實物的直觀體驗認(rèn)識?？紤]到這個問題,教師在課前階段每班發(fā)放2套實驗器材供學(xué)生體驗學(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)報告單。

2.2 課中階段

2.2.1 教師工作部分

這個階段教師主要是引導(dǎo)學(xué)生把課前所學(xué)知識運用到實踐中。另外,教師需要根據(jù)課前學(xué)生提出的問題進行有針對的回答,簡單介紹一下實驗工作場所。在學(xué)生獨立實踐操作期間,教師要巡回檢查每組的實踐情況。學(xué)生在實踐中遇到自己無法解決的新問題時教師要及時給予幫助。在學(xué)生完成電路連接進行通電之前,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)安全問題。最后教師主要從實驗完成時間、完成質(zhì)量、組內(nèi)合作及實踐操作的規(guī)范程度4個方面進行綜合評價。

2.2.2 學(xué)生工作部分

這個階段中,學(xué)生需要獨立自主地完成相關(guān)實驗任務(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。在實踐過程當(dāng)中,避免出現(xiàn)因為任務(wù)分配不合理而導(dǎo)致實驗任務(wù)分配不均的情況。在實踐操作過程當(dāng)中遇到問題,首先要自己獨立思考或者與組內(nèi)其他組員討論解決。組內(nèi)成員需要通過協(xié)作學(xué)習(xí)來共同完成整個實踐實驗,在協(xié)作學(xué)習(xí)過程中發(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)生在完成實踐實驗之后(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。

圖6 學(xué)生連接的實物圖

最后填寫課中學(xué)習(xí)報告單,把實踐操作過程當(dāng)中的學(xué)習(xí)心得和遇到的問題以報告單的形式反饋給教師,并對自己的整個實踐過程進行自我評價。

2.3 課后階段

通過基礎(chǔ)實驗部分的學(xué)習(xí),學(xué)生基本了解掌握了典型工業(yè)電氣控制項目的設(shè)計與實現(xiàn)過程。課后階段即拓展實驗部分。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)計項目方案。可選主題包括常用現(xiàn)代工業(yè)電氣的功能檢驗、基于PLC的電氣控制實驗、變頻器控制實驗等。教師根據(jù)學(xué)生提交的方案,評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)生可以將自己實踐過程遇到的問題與教師討論交流。最后學(xué)生要上交自己完成的作品以及相應(yīng)的實驗課程報告。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。

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

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)電機的運行參數(shù)

3 實驗效果分析

本實驗課程的實驗效果是根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)報告單和學(xué)生實際操作過程中的表現(xiàn)得出的。主要是翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式的實驗效果比較。對比了以下幾個方面:學(xué)生完成實物實踐所需要的平均時間、規(guī)定時間內(nèi)學(xué)生實踐實驗的完成率、教師的教學(xué)效率和學(xué)生的反饋。圖9中實驗1、2、3、4分別代表實驗臺低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計與安裝、繼電器控制實驗、基于PLC的電氣控制實驗、變頻器控制實驗。

圖9 不同教學(xué)模式下學(xué)生完成實驗的平均用時

3.1 學(xué)生完成實物實踐所需要的時間

以4個基礎(chǔ)實驗為例,通過調(diào)查統(tǒng)計,獲得統(tǒng)計結(jié)果如圖9所示。使用傳統(tǒng)教學(xué)模式學(xué)生完成4個基礎(chǔ)實驗的平均用時分別為2.31、2.83、1.67、1.54 h,使用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式學(xué)生的平均用時為1.56、2.04、1.08、0.91 h。

3.2 規(guī)定時間內(nèi)學(xué)生實踐實驗的完成率

通過調(diào)查統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果如圖10所示。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下,學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成4個基礎(chǔ)實驗的比例分別為77%、80%、78%、75%,通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式,該比例分別為86%、88%、91%、87%。

圖10 學(xué)生實驗完成率

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驗的相關(guān)知識以及實物演示,每個基礎(chǔ)實驗大約需要2個課時,每課時約50 min。然后實驗分組操作,教師巡查指導(dǎo)(2課時)?？己藭r,每個學(xué)生至少需要5 min,以每班40人計算,大約需要4課時。教師平均完成1個基礎(chǔ)實驗教學(xué)需要投入至少8個課時,如果再加上教師備課的時間,總共需要至少10個課時。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間,同時縮減了學(xué)生實物實踐的時間(平均大約每個基礎(chǔ)實驗用時1.7課時),考核時間大約每個學(xué)生需要2 min,以每班40人計算,大約需要1.6課時?？紤]到課前資料的準(zhǔn)備時間,大約每個實驗需要1課時,總共需要約4.3課時。2種教學(xué)模式下每個基礎(chǔ)實驗教師的平均用時如圖11所示。

圖11 教學(xué)效率

3.4 學(xué)生的反饋

通過對學(xué)生的調(diào)查統(tǒng)計,采用傳統(tǒng)教學(xué)模式時,存在學(xué)生實驗參與度不高,有的甚至出現(xiàn)靠時間等待下課的情況。引用翻轉(zhuǎn)課堂后,學(xué)生的實驗參與熱情明顯提高。通過調(diào)查學(xué)生實驗課后是否有收獲,統(tǒng)計結(jié)果如圖12所示:傳統(tǒng)教學(xué)模式下,3%的學(xué)生感覺沒有收獲,12%的學(xué)生感覺收獲不明顯,85%的學(xué)生感覺有較大收獲；引用翻轉(zhuǎn)課堂后:5%的學(xué)生感覺收獲不明顯,95%的學(xué)生感覺有較大收獲。

圖12 學(xué)生的收獲度

4 結(jié)語

通過采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式,使學(xué)生有了更加充分自由的時間進行課前學(xué)習(xí),增加了學(xué)生的實驗興趣,有效改善了傳統(tǒng)課堂耗時多、效率低、學(xué)生與教師交流不足、學(xué)生動手操作能力差、實驗失敗率高等不足，并能將教師從繁瑣重復(fù)的教學(xué)任務(wù)中解放出來,使其能有更多的時間與學(xué)生進行深入的交流。拓展了學(xué)生的實驗創(chuàng)新思維,提高了實驗教學(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目(JG2013010177,JG2013010202)；哈爾濱工程大學(xué)教育改革項目(SYJG20130412)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(HEUCF160406)

劉宏達(dá)(1976—),男,山東蓬萊,工學(xué)博士,副教授,主要研究方向為實驗室科教結(jié)合建設(shè).

E-mail：liuhd405@163.com

G642.0

B

1002-4956(2017)3-0165-05