基于PBL?TBL模式的電氣控制課程設計教學優化

何自立　李全武　甘學濤　樊強

［摘 要］針對電氣控制課程的設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，構建并優化基于TBL教學模式的教學體系。在教學內容、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。在此基礎上，探討這兩種教學方式聯合運用的可行性。對于教學過程中的關鍵環節，合理選擇教學方式，并結合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計教學中的應用，不僅能有效提升學生的工程素質，還能增強團隊協作能力，顯著提高課程設計的教學質量。

［關鍵詞］PBL?TBL模式；電氣控制；課程設計；教學優化

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

課程設計是普通高等院校在本科培養階段對一門專業課程進行綜合性實踐教學的環節。電氣控制課程設計是電氣工程及其自動化專業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技術設備和可編程控制器的使用、分析及設計方法。通過課程設計的特定環節，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，并對所學內容進行系統的整合與貫通[1]。這既有助于培養創新型人才，也符合新工科建設的重要目標。

在傳統的電氣控制課程設計中，學生按照課程設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教學過程的規范性，使得學生被動參與、創造性缺乏。此外，電氣控制課程設計環節較多，往往需要團隊協作完成，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，通過有機結合這兩種教學模式，探索新的電氣控制類課程設計教學模式，以期為電氣工程實踐教學環節的改進提供參考。

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場勘查、收集整理資料、查閱設計規范和圖紙，將理論知識與工程實際相結合。學生從實際工程的角度出發主動學習，教師最終以設計成果的形式評價學習效果[3]。該學習模式鼓勵學科交叉、協作學習、自主探究，并緊密聯系工程實踐，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：針對特定課程設定引導性問題，組織學習活動并激發學生興趣；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計作品。

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

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新教學模式。該模式通過團隊合作形式完成特定學習任務，有助于培養學生的自主探索能力、協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中，提升自主學習能力；讓學生在研究和創造中學習；具有較完善的評價體系，將終結性評價與形成性評價相結合，同時組內互評和組間互評也是平時成績的組成部分，以激發學生的學習積極性，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，指導教師設定學習目標，學生自主學習并積累相關專業知識；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，學生據此改進解決方案；知識應用階段，教師設定統一問題，各小組基于前期知識開展組內和組間討論，提出解決方案，并相互比較和反饋。

三、PBL?TBL模式耦合的教學設計

在課程設計教學中，復雜的工程問題常需多學科知識交叉融合。由于設計方案存在差異、設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，應根據課程設計特點，有機結合PBL和TBL教學模式，充分發揮它們的優勢。

電氣控制課程設計是以解決自動控制中的實際問題為出發點，與PBL教學模式有著天然的耦合性。同時，課程設計涉及電子技術、電力拖動、控制電機、單片機等多項技術，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計，特別適用于TBL教學模式的組織構建。

（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。團隊經過討論后確定項目名稱，并需注意以下幾點：第一，設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、變頻供水系統及噴泉控制等；第二，設計項目應盡量融合多門學科知識，比如傳感器技術、電力電子、組態軟件、EPLAN及AutoCAD等，以提升學生的綜合能力，并促進團隊內部的分工協作。

（二）制訂項目計劃

根據所選項目的內容及其難易程度，結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、設計目標、時間節點等。方案比選階段和總體設計階段各占總計劃學時的15%，單元電路設計約占總計劃學時的30%，控制程序開發與調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計成果的演示和答辯。

（三）調研與討論

調研與討論是PBL教學模式的核心環節，學生通過查閱資料、調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作，搜集、歸納、分析技術資料，明確系統的主要功能，并確定實現其主要功能的原理及設計方案。經過技術與經濟評估后，進行方案優選。小組間應相互交流討論，修訂和完善設計方案，并與指導教師充分溝通，不斷優化和改進設計方案。

（四）開展設計任務

PBL教學模式以項目為基礎，與一般活動教學活動相區別。首先，根據具體設計方案，計算電氣主回路及控制回路技術參數，完成系統總體結構設計，并繪制系統的總電氣原理圖。其次，基于總電氣原理圖，分析、計算各單元電路并進行設備選型，包括電氣主回路動力回路中的主要電器設備選型、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、調速制動要求、電機工作制度、信號回路、設置必要的連鎖及保護、限位及應急操作等。最后，根據系統原理圖及各單元電路設計，開發相應控制程序，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

項目設計成果交流可采用現場展示、答辯會、小型比賽等形式。匯報以小組為單位，主要圍繞設計項目的總體方案合理性、電氣主回路及控制回路設計參數計算的準確性、主要電器元件選型、輔助回路設計、可編程控制器選型及程序設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，并就相關技術問題展開辯論，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教學模式的一個關鍵環節，需要做到定量評價和定性評價相結合，構建全過程形成性評價體系。具體評價內容包括：基本電氣控制概念、理論、方法的理解程度，電氣控制系統設計基本環節、內容、方法、步驟和要求的掌握程度，電氣控制設計常用工具及軟件的使用，設計中的關鍵技術環節及設計規范的理解，利用所學知識解決復雜工程問題的綜合能力，審查課程設計進行過程中各小組成員的協作狀態、項目計劃執行情況等。通過統計，可量化分析學生在課程設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：優秀、良好、中等、達標、基本達標。通過熵權法確定指標權重，并利用加權平均型M（*，+）模糊算子計算權重，最終進行決策評價。

根據計算，對照組的評價指標權重集為[20.12，22.79，20.46，18.02，18.61]，其中“技術考核”指標權重最高（22.79%），而“工程素養”指標權重最低（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”的權重最高（0.31），根據最大隸屬度原則，因此綜合評定結果為“良好”。為了便于對比，將評語集所代表的分數定義為[5，4，3，2，1]，通過隸屬度加權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重集為[17.53，24.35，21.25，20.93，15.94]，其中“技術考核”指標權重仍為最高（24.35%），而“工程素養”指標權重提升至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計，對教師能力提出了更高要求。

五、結語

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

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 陳海霞，王鎖萍，熊田忠.面向企業需求的電氣控制類課程設計創新教學模式[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計》的項目驅動教學研究[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].現代教育技術，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境工程專業課程中的實踐[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《機械創新設計》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］