比較教學(xué)法在遠(yuǎn)洋漁船自動(dòng)化教學(xué)改革中的應(yīng)用

陳甜

[摘 要]遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員機(jī)艙部高級(jí)船員自動(dòng)化課程的培訓(xùn)難點(diǎn)主要在自動(dòng)控制部分，本文介紹了單片機(jī)和可編程邏輯控制器的區(qū)別和聯(lián)系，對兩門漁船自動(dòng)化的先導(dǎo)課程進(jìn)行了比較和剖析，詳細(xì)闡述了教學(xué)過程中采用比較教學(xué)法對提高漁船船員的學(xué)習(xí)效率和技術(shù)水平方面的優(yōu)勢，并通過具體數(shù)據(jù)驗(yàn)證了相關(guān)結(jié)論。

[關(guān)鍵詞]電氣自動(dòng)化;單片機(jī);可編程邏輯控制器;比較教學(xué)

[中圖分類號(hào)]G641 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

前言

比較教學(xué)法是指將內(nèi)容相近的知識(shí)點(diǎn)經(jīng)過提取和編排，組成比較式教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)員通過比較、比照、類比等積極的比較思維，概括總結(jié)出知識(shí)點(diǎn)之間的異同，深刻理解所學(xué)的知識(shí)，進(jìn)而形成比較式思辨能力的教學(xué)方法。

早期的遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員輪機(jī)長或大管輪的培訓(xùn)，主要偏重?zé)峁ず蜋C(jī)械方向，電子電氣居于次要地位。單片機(jī)目前國際上比較通用的名稱是微控制器簡稱MCU，它是現(xiàn)代檢測和控制領(lǐng)域不可或缺的組件?？删幊踢壿嬁刂破鲊H簡稱PLC，它是由傳統(tǒng)接觸器、繼電器控制系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而來。單片機(jī)和PLC技術(shù)實(shí)際上是船舶電氣自動(dòng)化的先導(dǎo)課程，它們銜接了傳統(tǒng)模擬控制技術(shù)和新時(shí)代的數(shù)字控制技術(shù)，對海洋和漁業(yè)工程人員的知識(shí)更新起著舉足輕重的作用。2015年1月1日實(shí)行的《中華人民共和國遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員管理辦法》遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員需配備電機(jī)員。對遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員電氣自動(dòng)化知識(shí)的培訓(xùn)程度越來越不容易把握，如何合理分配、銜接和掌握這兩門相互聯(lián)系的課程，一直是漁業(yè)船舶機(jī)艙部高級(jí)船員人員培訓(xùn)的難點(diǎn)。

1 單片機(jī)和可編程邏輯控制器的區(qū)別和聯(lián)系

《中華人民共和國遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員管理辦法》于2015年實(shí)施后，遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員知識(shí)評估體系發(fā)生了很大改變，例如《漁船輪機(jī)基礎(chǔ)》理論考核取消，減少了考核科目，但把相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)分散到相應(yīng)的主干課程中，如《船舶輔機(jī)》和《主動(dòng)力推進(jìn)裝置》?！洞白詣?dòng)化》從大管輪和輪機(jī)長起也開始納入評估范圍，它和原《船舶電氣》合并，以《船舶電氣自動(dòng)化》的形式出現(xiàn)。改革之后，知識(shí)和實(shí)踐聯(lián)系更為緊密，減輕了學(xué)員盲目學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，提高了學(xué)習(xí)效率和技術(shù)水平。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是《船舶電氣自動(dòng)化》的專業(yè)基礎(chǔ)，在對遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員的培訓(xùn)教學(xué)中，可編程邏輯控制器是以少學(xué)時(shí)的課程出現(xiàn)，但同時(shí)在《船舶電氣》課程里又以電氣控制技術(shù)的形式重復(fù)學(xué)習(xí)。兩個(gè)重復(fù)性學(xué)習(xí)的課程盡管起源不同，但它們之間又有著千絲萬縷的聯(lián)系。以下是單片機(jī)（微控制器）和PLC（可編程邏輯控制器）的異同：

單片機(jī)和PLC在實(shí)際的測控領(lǐng)域充滿著高度重疊。隨著PLC成本的降低、高速化和小型化，兩者的應(yīng)用界限逐漸變得十分模糊。單片機(jī)目前的主要優(yōu)勢在于超低功耗，PLC的主要優(yōu)勢在于抗干擾。

2 傳統(tǒng)教學(xué)模式的課程配置和管理

浙江海洋大學(xué)的海洋和漁業(yè)工程專業(yè)是專門培訓(xùn)遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員機(jī)艙部開設(shè)的航海類專業(yè)，開設(shè)課程的主體內(nèi)容主要涉及船舶和海洋工程的動(dòng)力部分和電氣工程的強(qiáng)電部分。傳統(tǒng)船舶電氣自動(dòng)化教學(xué)模式的課程配置，以浙江海洋大學(xué)海洋和漁業(yè)工程專業(yè)為例，單片機(jī)課程設(shè)置在第二學(xué)年的第三學(xué)期，理論和實(shí)踐學(xué)時(shí)為24+8，培訓(xùn)計(jì)劃安排必修大學(xué)物理和電工電子學(xué)課程之后;PLC課程設(shè)置在第三學(xué)年的第四學(xué)期，理論和實(shí)踐學(xué)時(shí)總和為24+8。兩門課程授課在培訓(xùn)計(jì)劃的時(shí)段和形式上相對完全獨(dú)立。兩門課程的實(shí)踐項(xiàng)目分別是八項(xiàng)和四項(xiàng)。實(shí)際可編程邏輯控制器的四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和單片機(jī)課程的實(shí)踐項(xiàng)目相近。初級(jí)PLC的應(yīng)用，均能用單片機(jī)替代。單片機(jī)和可編程邏輯控制器是電氣自動(dòng)化的核心器件，它們是連接基礎(chǔ)理論和技術(shù)應(yīng)用的紐帶，起著承上啟下的作用。兩門課的總學(xué)時(shí)量為64課時(shí)，時(shí)間跨度長，而且授課內(nèi)容相互重疊的部分很多。例如在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上單片機(jī)與可編程邏輯器件均由相應(yīng)的中央處理器、存儲(chǔ)器和輸入輸出接口構(gòu)成;在技術(shù)實(shí)用技術(shù)方面，單片機(jī)和PLC應(yīng)用技術(shù)均應(yīng)用于船舶機(jī)艙自動(dòng)控制領(lǐng)域，但在培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的模擬機(jī)艙實(shí)踐環(huán)境下，兩者培訓(xùn)所需的實(shí)踐學(xué)習(xí)項(xiàng)目區(qū)別很小。

很多漁船船員由于兩門課彼此分立，授課教師又極少將兩門課作比較學(xué)習(xí)，而兩種用作數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制的技術(shù)的很多應(yīng)用領(lǐng)域重疊，導(dǎo)致即便是經(jīng)過重復(fù)學(xué)習(xí)，依然不能分清兩者的區(qū)別和聯(lián)系。很多學(xué)員分甚至分不清弱電和強(qiáng)電系統(tǒng)分別會(huì)優(yōu)先采用哪一種控制器。另一方面，因?yàn)槿狈Ρ容^對比，船員的實(shí)際應(yīng)用會(huì)出現(xiàn)明顯混淆。例如，兩種控制器的運(yùn)行方式和輸入輸出模式：單片機(jī)為逐行運(yùn)行，逐行輸出;PLC為集中掃描，集中輸出。若孤立講授PLC集中掃描和輸出的運(yùn)行方式，缺乏比較舉例，大多數(shù)學(xué)員不容易理解。

3 比較教學(xué)法的應(yīng)用

3.1 比較教學(xué)的組織架構(gòu)

單片機(jī)（微控制器）和PLC（可編程邏輯控制器）在應(yīng)用過程中雖然同為自動(dòng)控制系統(tǒng)單元，但長期作為兩門課程獨(dú)立教學(xué)，必然有其歷史的客觀的必要性。傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式往往是多年經(jīng)驗(yàn)累積的結(jié)果，教學(xué)計(jì)劃相對成熟和嚴(yán)密，貿(mào)然采用不成熟的教學(xué)改革方案，易給學(xué)員的專業(yè)實(shí)習(xí)帶來嚴(yán)重的不良影響。新的教學(xué)改革方案必須要經(jīng)過嚴(yán)格的科學(xué)論證之后，才能付諸實(shí)施。作者在擔(dān)任浙江海洋大學(xué)遠(yuǎn)洋船舶機(jī)艙部培訓(xùn)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程和《PLC技術(shù)》課程的任課教師期間，只是建議將相應(yīng)培訓(xùn)計(jì)劃中原本并行的兩門少學(xué)時(shí)的課程分別安排在同一學(xué)期的前4周和后4周。在完成教學(xué)大綱基本要求的理論和實(shí)踐教學(xué)后，更注重將基礎(chǔ)理論應(yīng)用于實(shí)際機(jī)艙環(huán)境的能力。所有時(shí)間項(xiàng)目都與當(dāng)前自動(dòng)化機(jī)艙各種前沿技術(shù)密切相關(guān)，并且重視將單片機(jī)技術(shù)和PLC技術(shù)可以重疊的應(yīng)用實(shí)例作比較學(xué)習(xí)。

實(shí)踐項(xiàng)目的控制系統(tǒng)方案可以用單片機(jī)或PLC迭代實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐項(xiàng)目的冗余設(shè)置，一方面可以強(qiáng)化兩者在實(shí)踐應(yīng)用中的相似點(diǎn)，另一方面又在不斷的比較中，獲得對兩種控制器件更加深刻的認(rèn)識(shí)。雖然在大多數(shù)機(jī)艙環(huán)境中，單片機(jī)和PLC（可編程邏輯控制器）可以互相替換，但是兩者在應(yīng)用細(xì)節(jié)上有巨大差別：單片機(jī)的工作電壓一般較低，信號(hào)易受干擾，通常需要采用光電耦合的方式，隔離輸入輸出;單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力較弱，控制輸出時(shí)需要借助功率放大設(shè)備和外接驅(qū)動(dòng)電源。盡管可編程邏輯控制器件首次配置的成本較高，但它具備不可忽視的優(yōu)點(diǎn)：可靠性高、操作簡單、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、硬件組合易于實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展。通常在要求較高和系統(tǒng)較復(fù)雜的狀況下，采用單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)最終的性價(jià)比反而會(huì)低于PLC。

通過以上教學(xué)組織和教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，將單片機(jī)和比較學(xué)習(xí)，學(xué)員通常對單片機(jī)和PLC技術(shù)的理解會(huì)相對加深，同時(shí)也能鍛煉學(xué)員將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的能力。在電氣控制系統(tǒng)的控制模塊的選擇上，將會(huì)形成初步的認(rèn)識(shí)。

3.2 整體教學(xué)的優(yōu)勢和所需注意的問題

將兩門課程在培訓(xùn)計(jì)劃的教學(xué)順序調(diào)整后，還需在具體教學(xué)過程中注意相關(guān)細(xì)節(jié)：

（1）單片機(jī)在弱電系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛，可編程邏輯控制器主要用于弱點(diǎn)與強(qiáng)電的銜接，在制定教學(xué)計(jì)劃時(shí)需要特別強(qiáng)調(diào)它們之間的異同點(diǎn)。例如需要重點(diǎn)突出單片機(jī)控制強(qiáng)點(diǎn)設(shè)備，必須通過功率放大器件推動(dòng)繼電器，以完成控制動(dòng)作。

（2）教學(xué)課時(shí)的縮減。傳統(tǒng)獨(dú)立教學(xué)的總課時(shí)量為64課時(shí)，若將兩門課程銜接整合到比較教學(xué)的過程中，很多相互重疊的內(nèi)容就可以得到刪減，節(jié)省教學(xué)成本，也提高了學(xué)員學(xué)習(xí)的效率，同時(shí)也可以調(diào)整基礎(chǔ)理論的重復(fù)教學(xué)，適當(dāng)增加實(shí)踐應(yīng)用內(nèi)容的占比。

4 教學(xué)改革效果的驗(yàn)證

浙江海洋大學(xué)遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員培訓(xùn)中心，在2016年，2017年，2018年遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員培訓(xùn)的自動(dòng)化課程的培訓(xùn)計(jì)劃中，均設(shè)置有單片機(jī)原理及應(yīng)用，PLC原理及應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容。2017年、2018年在采用教學(xué)改革措施的過程中，2016年依舊按照已有培訓(xùn)計(jì)劃展開教學(xué)進(jìn)程。《船舶電氣自動(dòng)化》課程在每期遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員培訓(xùn)的初考合格率部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

從表中可以看出2016年未調(diào)整培訓(xùn)計(jì)劃，遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員的在交通部組織的高級(jí)遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員《船舶電氣自動(dòng)化》課程的初考合格率在60%左右，但在2017年和2018年度實(shí)行比較教學(xué)的教學(xué)改革后，相對于2016年有了較大提高。

針對遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員培訓(xùn)的特殊性，采用比較教學(xué)法后有如下優(yōu)勢：

（1）減少重復(fù)學(xué)習(xí)的資源浪費(fèi)。前文中提到，單片機(jī)和PLC原理及其應(yīng)用課程除單獨(dú)開課之外，分別在《船舶自動(dòng)化》、《船舶電氣》課程中重復(fù)學(xué)習(xí)，很大部分原因在于多龍治水的弊病。遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員機(jī)艙部高級(jí)船員的培訓(xùn)內(nèi)容涉及熱力學(xué)、機(jī)械、電氣，知識(shí)較為龐雜，采用比較教學(xué)法，有利于改善教學(xué)計(jì)劃的合理分配。

（2）使知識(shí)體系結(jié)構(gòu)更為清晰。通過比較學(xué)習(xí)，可以使很多概念、性質(zhì)和應(yīng)用更為明確，提高教學(xué)效率。

（3）知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的可操作性更強(qiáng)。在現(xiàn)在的自動(dòng)化機(jī)艙控制系統(tǒng)中，往往應(yīng)用PLC和單片機(jī)協(xié)同工作：單片機(jī)用于數(shù)據(jù)采集和傳輸;PLC用作系統(tǒng)控制。若兩門課程隔離單獨(dú)教學(xué)，將不利于課程理論和實(shí)踐的聯(lián)系。

5 總結(jié)和展望

比較教學(xué)的教學(xué)方式在教學(xué)內(nèi)容相似或相近的課程中優(yōu)勢明顯。但同時(shí)也需注意傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往是多年經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的結(jié)果，教學(xué)體系相對完善，采用新的教學(xué)改革方案必然有一些考慮不周的地方。尤其是當(dāng)前MOOC在線教學(xué)平臺(tái)日趨成熟，新的教學(xué)管理模式也在不斷改進(jìn)。如何最大化的利用最新的教學(xué)技術(shù)，最優(yōu)教學(xué)管理方式，對于遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員尤其是大管和輪機(jī)長等高級(jí)船員的培訓(xùn)，還需進(jìn)一步在實(shí)踐中驗(yàn)證。

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