何自立　李全武　甘學濤　樊強

［摘 要］針對電氣控制課程的設(shè)計特點及教學方式改革的需要，文章提出以PBL教學模式為引導，構(gòu)建并優(yōu)化基于TBL教學模式的教學體系。在教學內(nèi)容、教學方式及考核方式等方面，文章深入分析了PBL和TBL教學模式。在此基礎(chǔ)上，探討這兩種教學方式聯(lián)合運用的可行性。對于教學過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理選擇教學方式，并結(jié)合PBL?TBL模式制訂具體實施方案。實踐表明，該教學模式在電氣控制課程設(shè)計教學中的應用，不僅能有效提升學生的工程素質(zhì)，還能增強團隊協(xié)作能力，顯著提高課程設(shè)計的教學質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］PBL?TBL模式；電氣控制；課程設(shè)計；教學優(yōu)化

［中圖分類號］G642.4［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）02-0058-04

課程設(shè)計是普通高等院校在本科培養(yǎng)階段對一門專業(yè)課程進行綜合性實踐教學的環(huán)節(jié)。電氣控制課程設(shè)計是電氣工程及其自動化專業(yè)自動控制類課程理論教學的延伸和完善，旨在使學生掌握電氣控制相關(guān)技術(shù)設(shè)備和可編程控制器的使用、分析及設(shè)計方法。通過課程設(shè)計的特定環(huán)節(jié)，學生可以深入理解電氣控制和可編程控制器原理課程中的基本概念、理論和體系，并對所學內(nèi)容進行系統(tǒng)的整合與貫通[1]。這既有助于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，也符合新工科建設(shè)的重要目標。

在傳統(tǒng)的電氣控制課程設(shè)計中，學生按照課程設(shè)計指導書提供的方法步驟進行操作。在指導教師引導下，學生通常會依賴于課程設(shè)計指導書，按照固定的程序和形式進行[2]。這種教學方式過于強調(diào)教學過程的規(guī)范性，使得學生被動參與、創(chuàng)造性缺乏。此外，電氣控制課程設(shè)計環(huán)節(jié)較多，往往需要團隊協(xié)作完成，由于缺乏有效的客觀評價指標，單一的教學評價方法難以適應實際教學工作的需要。因此，本文在課程設(shè)計教學的過程中引入PBL（Project?Based Learning）和TBL（Team?Based Learning）教學模式，通過有機結(jié)合這兩種教學模式，探索新的電氣控制類課程設(shè)計教學模式，以期為電氣工程實踐教學環(huán)節(jié)的改進提供參考。

一、PBL教學模式

基于項目學習的PBL教學模式要求學生通過現(xiàn)場勘查、收集整理資料、查閱設(shè)計規(guī)范和圖紙，將理論知識與工程實際相結(jié)合。學生從實際工程的角度出發(fā)主動學習，教師最終以設(shè)計成果的形式評價學習效果[3]。該學習模式鼓勵學科交叉、協(xié)作學習、自主探究，并緊密聯(lián)系工程實踐，使學生的綜合能力得到訓練和提高[4]。

PBL教學模式的主要特征包括：針對特定課程設(shè)定引導性問題，組織學習活動并激發(fā)學生興趣；學生綜合運用多種認知工具和信息資源進行自主學習；面對工程實際問題，學生能跨學科綜合分析并解決，通過交流和討論形成新的設(shè)計作品。

首先，PBL教學模式鼓勵學生根據(jù)個人專長和興趣自主選擇設(shè)計題目，以此展現(xiàn)個體的優(yōu)勢和學習主動性。其次，鑒于工程問題常需多學科協(xié)作，PBL教學模式倡導知識交叉與跨學科研究。再次，PBL教學模式強調(diào)學習與工程實際的緊密結(jié)合，注重探索精神。同時，PBL教學模式有利于學生協(xié)作精神的培養(yǎng)，各參與者間通常需要協(xié)商、討論以達成一致意見，需具備較強的合作與協(xié)調(diào)能力。最后，PBL教學模式為學生提供了發(fā)揮創(chuàng)造力的平臺，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，充分挖掘其創(chuàng)造潛能。

二、TBL教學模式

TBL教學模式，即基于團隊的學習或小組合作學習，由Michaelsen等[5]人于2002年提出，是國際上較為認可的一種創(chuàng)新教學模式。該模式通過團隊合作形式完成特定學習任務(wù)，有助于培養(yǎng)學生的自主探索能力、協(xié)作交流技巧及溝通表達能力。

TBL教學模式的特點是：它基于實際工程問題，鼓勵學生以團隊合作形式共同探索和研究，學生在彼此信任、相互鼓勵、開展辯論和相互啟發(fā)中，提升自主學習能力；讓學生在研究和創(chuàng)造中學習；具有較完善的評價體系，將終結(jié)性評價與形成性評價相結(jié)合，同時組內(nèi)互評和組間互評也是平時成績的組成部分，以激發(fā)學生的學習積極性，促進他們對知識的漸進性掌握。

TBL教學模式的實施主要分為三個階段：知識積累階段，指導教師設(shè)定學習目標，學生自主學習并積累相關(guān)專業(yè)知識；知識考查階段，檢驗學生前期的知識儲備情況，包括對學生個體的測試和以小組為單位的測試，教師及時提供反饋，學生據(jù)此改進解決方案；知識應用階段，教師設(shè)定統(tǒng)一問題，各小組基于前期知識開展組內(nèi)和組間討論，提出解決方案，并相互比較和反饋。

三、PBL?TBL模式耦合的教學設(shè)計

在課程設(shè)計教學中，復雜的工程問題常需多學科知識交叉融合。由于設(shè)計方案存在差異、設(shè)計成果受諸多因素的影響，單一的教學法難以滿足實際教學需要[6]。因此，應根據(jù)課程設(shè)計特點，有機結(jié)合PBL和TBL教學模式，充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢。

電氣控制課程設(shè)計是以解決自動控制中的實際問題為出發(fā)點，與PBL教學模式有著天然的耦合性。同時，課程設(shè)計涉及電子技術(shù)、電力拖動、控制電機、單片機等多項技術(shù)，知識面廣、過程復雜，對學生的知識儲備和工程應用能力提出了更高要求。因此，以團隊合作形式完成課程設(shè)計，特別適用于TBL教學模式的組織構(gòu)建。

（一）組建團隊、選定項目

在TBL教學模式下組建團隊，應確保成員在性格、知識背景及心理特點等方面相互補充，以促進彼此間的信任、鼓勵，并積極參加團隊活動。團隊經(jīng)過討論后確定項目名稱，并需注意以下幾點：第一，設(shè)計題目應選擇學生較為熟悉的應用場景，具有明確的工程背景，并確保對被控對象的工作過程有所了解，比如常見的電梯運行控制、變頻供水系統(tǒng)及噴泉控制等；第二，設(shè)計項目應盡量融合多門學科知識，比如傳感器技術(shù)、電力電子、組態(tài)軟件、EPLAN及AutoCAD等，以提升學生的綜合能力，并促進團隊內(nèi)部的分工協(xié)作。

（二）制訂項目計劃

根據(jù)所選項目的內(nèi)容及其難易程度，結(jié)合各小組成員的具體分工，在教師的指導下制訂詳細的項目計劃，包括各階段的主要工作、設(shè)計目標、時間節(jié)點等。方案比選階段和總體設(shè)計階段各占總計劃學時的15%，單元電路設(shè)計約占總計劃學時的30%，控制程序開發(fā)與調(diào)試及撰寫課程報告各占總計劃學時的20%。此外，為滿足TBL教學模式的要求，還需安排階段性個人考核及團隊考核時間，并預留足夠時間用于設(shè)計成果的演示和答辯。

（三）調(diào)研與討論

調(diào)研與討論是PBL教學模式的核心環(huán)節(jié)，學生通過查閱資料、調(diào)查研究開展自主學習。在TBL教學模式下，各小組成員應分工協(xié)作，搜集、歸納、分析技術(shù)資料，明確系統(tǒng)的主要功能，并確定實現(xiàn)其主要功能的原理及設(shè)計方案。經(jīng)過技術(shù)與經(jīng)濟評估后，進行方案優(yōu)選。小組間應相互交流討論，修訂和完善設(shè)計方案，并與指導教師充分溝通，不斷優(yōu)化和改進設(shè)計方案。

（四）開展設(shè)計任務(wù)

PBL教學模式以項目為基礎(chǔ)，與一般活動教學活動相區(qū)別。首先，根據(jù)具體設(shè)計方案，計算電氣主回路及控制回路技術(shù)參數(shù)，完成系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并繪制系統(tǒng)的總電氣原理圖。其次，基于總電氣原理圖，分析、計算各單元電路并進行設(shè)備選型，包括電氣主回路動力回路中的主要電器設(shè)備選型、保護電器配置與整定、動力電纜選擇與校驗、可編程控制器選型、IO端口確定、主令電器的選擇與配置等。同時，輔助回路應考慮電機拖動方式、調(diào)速制動要求、電機工作制度、信號回路、設(shè)置必要的連鎖及保護、限位及應急操作等。最后，根據(jù)系統(tǒng)原理圖及各單元電路設(shè)計，開發(fā)相應控制程序，并使用仿真軟件對控制程序的功能和異常處理流程進行驗證。

（五）成果匯報交流

項目設(shè)計成果交流可采用現(xiàn)場展示、答辯會、小型比賽等形式。匯報以小組為單位，主要圍繞設(shè)計項目的總體方案合理性、電氣主回路及控制回路設(shè)計參數(shù)計算的準確性、主要電器元件選型、輔助回路設(shè)計、可編程控制器選型及程序設(shè)計合理性等方面進行匯報和討論。小組需解答評委提出的問題，并就相關(guān)技術(shù)問題展開辯論，以提高各小組及其成員的整體參與度。

（六）學習活動評價

學習活動評價是PBL教學模式的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要做到定量評價和定性評價相結(jié)合，構(gòu)建全過程形成性評價體系。具體評價內(nèi)容包括：基本電氣控制概念、理論、方法的理解程度，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計基本環(huán)節(jié)、內(nèi)容、方法、步驟和要求的掌握程度，電氣控制設(shè)計常用工具及軟件的使用，設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)及設(shè)計規(guī)范的理解，利用所學知識解決復雜工程問題的綜合能力，審查課程設(shè)計進行過程中各小組成員的協(xié)作狀態(tài)、項目計劃執(zhí)行情況等。通過統(tǒng)計，可量化分析學生在課程設(shè)計中的教學目標達成情況。

四、教學實踐及討論

為了驗證課程改革效果，本文選取2018級和2019級電氣工程及其自動化專業(yè)的124名學生開展教學實驗。每屆學生中，隨機抽取50%作為實驗組，采用PBL?TBL教學模式，其余學生作為對照組，接受傳統(tǒng)教學模式。實驗采用模糊綜合評價方法[7]，選定五項測試指標，并劃分為五個評語集：優(yōu)秀、良好、中等、達標、基本達標。通過熵權(quán)法確定指標權(quán)重，并利用加權(quán)平均型M（*，+）模糊算子計算權(quán)重，最終進行決策評價。

根據(jù)計算，對照組的評價指標權(quán)重集為[20.12，22.79，20.46，18.02，18.61]，其中“技術(shù)考核”指標權(quán)重最高（22.79%），而“工程素養(yǎng)”指標權(quán)重最低（18.02%）。五個評語集的隸屬度為[0.21，0.31，0.24，0.22，0.02]，其中“良好”的權(quán)重最高（0.31），根據(jù)最大隸屬度原則，因此綜合評定結(jié)果為“良好”。為了便于對比，將評語集所代表的分數(shù)定義為[5，4，3，2，1]，通過隸屬度加權(quán)計算得出綜合得分值為3.47，位于“中等”和“良好”之間。采用同樣的方法分析實驗組得分情況（見表1），得到相應評價指標權(quán)重集為[17.53，24.35，21.25，20.93，15.94]，其中“技術(shù)考核”指標權(quán)重仍為最高（24.35%），而“工程素養(yǎng)”指標權(quán)重提升至20.93%。五個評語集的隸屬度為[0.34，0.37，0.16，0.11，0.02]，其中“優(yōu)秀”及“良好”的隸屬度明顯提高。通過計算，實驗組的綜合得分為3.92，與對照組相比有明顯的提升，整體表現(xiàn)接近良好。

對比分析顯示，采用新的教學模式后，教學效果顯著提升，優(yōu)良比例明顯增加。然而，也需注意以下問題：學生工程背景較為不足，方案選擇和調(diào)研不夠全面，導致合理方案的確定耗時較長，增加了學生前期負擔，整體進度緩慢。采用TBL模式后，個別學生存在依賴思想，小組內(nèi)部分工不均，給團隊管理帶來困難。此外，采用全過程形成性評價模式的考核評分方案考慮了小組內(nèi)分工及貢獻，但也增加了評分考核的難度，需要指導教師全過程跟蹤分析各小組項目設(shè)計，對教師能力提出了更高要求。

五、結(jié)語

隨著新工科建設(shè)的深化，對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)。因此，課程設(shè)計的組織模式和思維模式需摒棄被動接受，積極追求創(chuàng)新和突破。實踐證明，將PBL與TBL教學模式相結(jié)合應用于電氣控制課程設(shè)計，能顯著提升學生的自主學習能力、工程素養(yǎng)和團隊協(xié)作能力。雖然仍存在待解決問題，但教學改革是一個持續(xù)優(yōu)化的過程。通過不斷的教學探索和經(jīng)驗積累，教學模式將日益完善，以更好地提升教學效果，滿足教育和社會發(fā)展的需求。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 陳海霞，王鎖萍，熊田忠.面向企業(yè)需求的電氣控制類課程設(shè)計創(chuàng)新教學模式[J].實驗室研究與探索，2014，33（2）：190-193.

[2] 查長禮，唐飛.《電氣控制與可編程控制器課程設(shè)計》的項目驅(qū)動教學研究[J].安慶師范學院學報（自然科學版），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] 董艷，和靜宇.PBL項目式學習在大學教學中的應用探究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，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] 楊旗，胡輝，鄭瑩，等.PBL與TBL組合式教學模式在環(huán)境工程專業(yè)課程中的實踐[J].實驗室研究與探索，2016，35（6）：204-207.

[7] 劉軍，李天舒.基于模糊綜合評價的《機械創(chuàng)新設(shè)計》課程考核方式研究[J].西南師范大學學報（自然科學版），2015，40（8）：177-180.

［責任編輯：梁金鳳］