基于翻转课堂模式的电气控制综合实验课程设计

刘宏达, 张国堃, 张文义, 张鏐钟

(哈尔滨工程大学 自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

基于翻转课堂模式的电气控制综合实验课程设计

刘宏达, 张国堃, 张文义, 张鏐钟

(哈尔滨工程大学 自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

为了提高实验课程的教学效率和质量,让学生更加充分、自由地安排实验时间,针对已开设的“电气控制综合实验”课程,在原有的教学模式上进行深层次改革,将翻转课堂理念引入该实验教学中,并详细介绍了各阶段的具体工作内容及时间安排。实践效果表明,适当地采用翻转课堂教学模式,增加了学生的实验认可度、提高了实验教学质量,有效地解决了传统实验教学中课时不足和课堂互动低效等问题,使实验课程更加符合大学生个性化及差异化的学习特点。

翻转课堂； 电气控制； 综合实验平台； 实验课程改革

近年来对于翻转课堂的研究不仅局限于国外经验介绍和基础教育中的理论探讨方面[1-8],也广泛应用于课程实践教学[9-11]。我校开展的电气控制综合实验课程,虽然通过采用自行研制的一套集电工实习、电气理论与应用、PLC和变频器使用为一体的电气类开放式的综合实验平台[12],很好地将工程项目和本科实验进行了结合,使教学质量和效率得到了一定程度的提高,但受限于传统教学模式的束缚,该实验教学平台并不能充分发挥其潜能,因此今年对原有的教学模式进行深层次改革,引用了新型的翻转课堂实验教学模式。

1 实验内容安排及目的

电气控制综合实验的实验教学主要分为基础实验教学和拓展实验教学2部分[12],实验教学内容的组成如图1所示。

图1 实验教学内容安排总框图

基础实验教学的目的是让学生初步了解并自主完成几个基础的电气控制项目,解决理论知识与实际应用的脱节、教学实验与现代工业脱节的问题,熟悉掌握电气识图与制图、与实物对应的电工符号、电气布线与装配、电路调试过程。该环节中,教师是主导者,学生是实践者。学生在实践的过程中,学习基本电气图的绘制、电器元件的识别与使用,同时了解电器布线的规范要求与调试流程等。

拓展实验是让学生在基础实验的基础上选择实验主题,自主设计实验项目并实现一个略微简化的现代工业电气控制项目、自主完成相关装配和调试。其中可选择的主题包括常用现代工业电气的功能检验、基于PLC的电气控制实验、变频器控制实验等。在拓展实验中,学生是主导者,教师是引导者，学生自主完成资料收集、项目设计、任务分配及校验等环节。

2 基于翻转课堂理念的实验教学模式

实验对象为高校二年级的电气类及相关专业学生(每班人数约40人),每班通过随机或学生自主选择的方式分为10组,每组约为4人。应用翻转课堂这种教学模式组织教学活动的课程组织流程如图2所示,大致分为课前、课中和课后3个阶段。因为课程涉及内容较多,所以以点带面,仅以继电器控制方面的实验内容为例进行详细说明。

图2 翻转课堂教学流程

2.1 课前阶段

2.1.1 教师工作部分

这部分教师的主要任务是完成对继电器控制实验的整体设计工作,制作实验教学资料。教学资料主要包括:

(1) 介绍实验元件的PPT,如图3所示。主要介绍实际工业元器件与电气符号的对应关系、继电器主触点与辅助触点的应用区别、热继电器和时间继电器的原理及使用方法、熔断器的结构、元器件在实验平台的装卸方法等。

图3 实验元件教学资料截图

(2) 线路连接与布线的规范要求。例如线缆颜色的选择(通常选择黄色、绿色、红色线代表u、v、w相线,黑或灰线为零线,黄绿双色线为地线)、卡线槽的使用、接线帽和叉型预绝缘端子的使用方法等。

(3) 线号机的使用视频,如图4所示。

图4 线号机使用教学视频截图

(4) 实验中的注意事项。由于实验台需要引入380 V左右的电压,所以教师需要重点强调一下实际操作过程中的安全问题,例如不允许擅自通电、不允许有裸露的线头、不允许有虚连等。

PPT资料主要为三相异步电机星三角启动知识讲解,主要内容有三相异步电机星三角启动电气控制电路图介绍(如图5所示)、如何识图、如何根据电气图选择电气元件等。

图5 电机星三角启动电气控制教学资料截图

完成教学资料的制作后,教师要做好实验器材和实验工具的准备工作。课前教师需要安排学生的课前学习任务,例如:学会识别和使用实验器材和实验用具,避免实验过程当中因为不知如何使用器材耽误实验时间；理解星三角启动电气控制原理图；清楚实验过程当中的安全注意事项。

2.1.2 学生工作部分

学生首先通过教师提供的教学资料了解学习内容,根据学习任务及个人兴趣选择合适的学习内容和顺序。对学习过程中的收获和遇到的问题进行记录,在规定的时间内及时与教师进行问题交流。比如学生在课前学习阶段会反映一个问题,他们通过实验器件介绍视频能够详细地了解器件的结构和应用,但是缺乏实物的直观体验认识。考虑到这个问题,教师在课前阶段每班发放2套实验器材供学生体验学习。最后,学生要完成教师安排的课前练习并提交课前学习报告单。

2.2 课中阶段

2.2.1 教师工作部分

这个阶段教师主要是引导学生把课前所学知识运用到实践中。另外,教师需要根据课前学生提出的问题进行有针对的回答,简单介绍一下实验工作场所。在学生独立实践操作期间,教师要巡回检查每组的实践情况。学生在实践中遇到自己无法解决的新问题时教师要及时给予帮助。在学生完成电路连接进行通电之前,教师要仔细检查线路的连接情况,以免出现线路短路或者虚连引发安全问题。最后教师主要从实验完成时间、完成质量、组内合作及实践操作的规范程度4个方面进行综合评价。

2.2.2 学生工作部分

这个阶段中,学生需要独立自主地完成相关实验任务。明确组内成员各自的微任务,例如,一部分人负责线路连接,另一部分人负责看图指挥及焊、压接线端子等。在实践过程当中,避免出现因为任务分配不合理而导致实验任务分配不均的情况。在实践操作过程当中遇到问题,首先要自己独立思考或者与组内其他组员讨论解决。组内成员需要通过协作学习来共同完成整个实践实验,在协作学习过程中发展批判性思维和创新型思维的能力,提高交流沟通能力。学生在完成实践实验之后(如图6所示),要在课堂上展示自己的小组成果,交流学习体验。

图6 学生连接的实物图

最后填写课中学习报告单,把实践操作过程当中的学习心得和遇到的问题以报告单的形式反馈给教师,并对自己的整个实践过程进行自我评价。

2.3 课后阶段

通过基础实验部分的学习,学生基本了解掌握了典型工业电气控制项目的设计与实现过程。课后阶段即拓展实验部分。该部分，学生需要拓展思维,选择教师预先提供的主题自主设计项目方案。可选主题包括常用现代工业电气的功能检验、基于PLC的电气控制实验、变频器控制实验等。教师根据学生提交的方案,评估其可行性及其难易程度,既不能超出学生的能力范围也不能低于教学标准。在此期间,学生可以将自己实践过程遇到的问题与教师讨论交流。最后学生要上交自己完成的作品以及相应的实验课程报告。教师根据学生作品完成的具体情况给出相应的成绩。

图7是学生的拓展实验作品。该组学生选择的项目是使用组态王关联PLC并建立电力系统界面。实验目的是通过组态王来监控PLC的运行效果,通过PLC与组态王的通信完成电力系统界面的模拟运行效果。

图7 组态王建立的电力系统界面

连接PLC和组态王,完成通信调试,闭合发电机开关、QF1、QF3、系统开关。得到相应传输给寄存器的数值,如图8所示。

图8 发电机的运行参数

3 实验效果分析

本实验课程的实验效果是根据学生的学习报告单和学生实际操作过程中的表现得出的。主要是翻转课堂教学模式与传统教学模式的实验效果比较。对比了以下几个方面:学生完成实物实践所需要的平均时间、规定时间内学生实践实验的完成率、教师的教学效率和学生的反馈。图9中实验1、2、3、4分别代表实验台低压配电系统的设计与安装、继电器控制实验、基于PLC的电气控制实验、变频器控制实验。

图9 不同教学模式下学生完成实验的平均用时

3.1 学生完成实物实践所需要的时间

以4个基础实验为例,通过调查统计,获得统计结果如图9所示。使用传统教学模式学生完成4个基础实验的平均用时分别为2.31、2.83、1.67、1.54 h,使用翻转课堂教学模式学生的平均用时为1.56、2.04、1.08、0.91 h。

3.2 规定时间内学生实践实验的完成率

通过调查统计,统计结果如图10所示。在传统教学模式下,学生在规定的时间内完成4个基础实验的比例分别为77%、80%、78%、75%,通过翻转课堂教学模式,该比例分别为86%、88%、91%、87%。

图10 学生实验完成率

3.3 教师的教学效率

传统教学模式为教师利用课堂形式讲解实验的相关知识以及实物演示,每个基础实验大约需要2个课时,每课时约50 min。然后实验分组操作,教师巡查指导(2课时)。考核时,每个学生至少需要5 min,以每班40人计算,大约需要4课时。教师平均完成1个基础实验教学需要投入至少8个课时,如果再加上教师备课的时间,总共需要至少10个课时。而采用翻转课堂教学模式,教师就省去了课堂讲课的时间,同时缩减了学生实物实践的时间(平均大约每个基础实验用时1.7课时),考核时间大约每个学生需要2 min,以每班40人计算,大约需要1.6课时。考虑到课前资料的准备时间,大约每个实验需要1课时,总共需要约4.3课时。2种教学模式下每个基础实验教师的平均用时如图11所示。

图11 教学效率

3.4 学生的反馈

通过对学生的调查统计,采用传统教学模式时,存在学生实验参与度不高,有的甚至出现靠时间等待下课的情况。引用翻转课堂后,学生的实验参与热情明显提高。通过调查学生实验课后是否有收获,统计结果如图12所示:传统教学模式下,3%的学生感觉没有收获,12%的学生感觉收获不明显,85%的学生感觉有较大收获；引用翻转课堂后:5%的学生感觉收获不明显,95%的学生感觉有较大收获。

图12 学生的收获度

4 结语

通过采用翻转课堂的教学模式,使学生有了更加充分自由的时间进行课前学习,增加了学生的实验兴趣,有效改善了传统课堂耗时多、效率低、学生与教师交流不足、学生动手操作能力差、实验失败率高等不足，并能将教师从繁琐重复的教学任务中解放出来,使其能有更多的时间与学生进行深入的交流。拓展了学生的实验创新思维,提高了实验教学的效率和效果[13]。

References)

[1] 赵俊芳,崔莹.翻转课堂的内在意蕴及高校教学改革的未来走向[J].中国高教研究, 2016(6):105-110.

[2] Centurelli F, Monsurro P, Ruscio D, et al. A new class-AB Flipped Voltage Follower using a common-gate auxiliary amplifier, Lodz, Poland, 2016[C]. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc,2016.

[3] 郭文良,和学新.翻转课堂:背景、理念与特征[J].教育理论与实践, 2015(11):3-6.

[4] Kim H,Jeong K. A Study on the Flipped Instructional Model to Support Active and Interactive Learning [C].Jeju, Korea： Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc, 2016.

[5] 何朝阳,欧玉芳,曹祁.美国大学翻转课堂教学模式的启示[J].高等工程教育研究, 2014(2):148-151.

[6] 潘炳超.翻转课堂模式应用于高校教学的实验研究[J].电化教育研究,2015(3):83-88.

[7] 容梅,彭雪红.翻转课堂的历史、现状及实践策略探析[J].中国电化教育, 2015(7):108-115.

[8] 吴忠良,赵磊.基于网络学习空间的翻转课堂教学模式初探[J].中国电化教育, 2014(4):121-126.

[9] 范立彬,王春侠.“翻转课堂”模式在高校英语听力教学中的应用[J].长春工业大学学报(高教研究版),2014(4):57-58.

[10] 邢磊,董占海.大学物理翻转课堂教学效果的准实验研究[J].复旦教育论坛,2015(1):24-29.

[11] Zhang H,Meng L,Han X,et al.Exploration and Practice of Blended Learning in HVAC Course Based on Flipped Classroom[C]. Beijing China:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc, 2016.

[12] 刘宏达,徐颖,王科俊,等.电气控制综合实验平台设计与探索[J].实验技术与管理,2016,33(5):69-73.

[13] 祝智庭,管珏琪,邱慧娴.翻转课堂国内应用实践与反思[J].电化教育研究,2015(6):66-72.

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

黑龙江省高等教育改革项目(JG2013010177,JG2013010202)；哈尔滨工程大学教育改革项目(SYJG20130412)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(HEUCF160406)

刘宏达(1976—),男,山东蓬莱,工学博士,副教授,主要研究方向为实验室科教结合建设.

E-mail：liuhd405@163.com

G642.0

B

1002-4956(2017)3-0165-05