基于實(shí)踐能力培養(yǎng)的“電氣控制與PLC”教學(xué)改革

田粒卜，陳 鵬

（1.石家莊學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河北 石家莊 050035；2.河北鯤能電力工程咨詢有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

“電氣控制與PLC”是石家莊學(xué)院工科機(jī)械電子類、電氣工程及其自動(dòng)化、機(jī)器人工程等專業(yè)學(xué)生必修或選修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課.該課程具有實(shí)踐與理論緊密結(jié)合、強(qiáng)弱電交叉應(yīng)用、軟硬件同時(shí)使用等特點(diǎn)[1]，同時(shí)該課程也是電類專業(yè)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在人才培養(yǎng)中起著十分重要的作用，因而學(xué)好本課程對(duì)今后的學(xué)習(xí)與工作具有非常重要的意義.而隨著“十三五規(guī)劃”與“制造業(yè)2025”的提出，針對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和人才需求，對(duì)于學(xué)生創(chuàng)造思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)已然成為當(dāng)前大學(xué)工程教育的首要任務(wù)[2]，對(duì)高等教育進(jìn)行深化改革也勢(shì)在必行.

1 “電氣控制與PLC”課程教學(xué)現(xiàn)狀

本課程2009年開始在石家莊學(xué)院電氣專業(yè)本科學(xué)生中開設(shè)，最初使用的是《可編程原理控制器》教材，所授內(nèi)容主要是PLC部分，后來引入了電氣控制部分.自2012年開始，在理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)體系中便進(jìn)行了一系列的改革與創(chuàng)新，進(jìn)一步優(yōu)化了教學(xué)計(jì)劃，完善了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，增加了課程設(shè)計(jì)部分，在實(shí)訓(xùn)和實(shí)習(xí)方面也得到了加強(qiáng).本課程每年開設(shè)1次，理論課時(shí)54學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)18學(xué)時(shí)，另有2周的課程設(shè)計(jì).

目前課程的講授仍然是以課堂教學(xué)為主，雖然在教學(xué)設(shè)計(jì)上已經(jīng)大大增加了實(shí)例性的部分，但是學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的掌握還是有很大的局限性，通過近幾年教學(xué)效果的反饋，主要發(fā)現(xiàn)存在著以下3個(gè)方面的問題.

1）主講課程的老師普遍缺少工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).從事PLC課程教學(xué)的老師基本都是碩士研究生畢業(yè)以后直接來學(xué)校任教，沒有在相關(guān)工廠企業(yè)中工作過，有的甚至從來沒有見過或者動(dòng)手操作過電氣設(shè)備，這就使得課程講授中很難融入先進(jìn)、準(zhǔn)確的實(shí)例教學(xué).

2）PLC產(chǎn)品更新?lián)Q代快，在市場(chǎng)上存在著不同國(guó)家不同型號(hào)的設(shè)備，培養(yǎng)方案中課時(shí)的安排以及實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)設(shè)備類型的局限使得教學(xué)中只能選擇入門級(jí)的產(chǎn)品讓學(xué)生們進(jìn)行學(xué)習(xí)，當(dāng)學(xué)生走向工作崗位后，往往接觸的是更為復(fù)雜和更為高級(jí)的產(chǎn)品，“舉一反三”能力弱的學(xué)生在開始階段會(huì)感到非常吃力.

3）雖然在授課過程中，教師也著意引入了大量的實(shí)物圖片甚至是視頻動(dòng)畫來幫助學(xué)生理解，但這與工程實(shí)際應(yīng)用仍然有很大的脫離，學(xué)生在課堂上能夠接受的有應(yīng)用價(jià)值的內(nèi)容還是偏少.實(shí)驗(yàn)以及課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的選題也存在同樣的問題.

2 教學(xué)改革方案

針對(duì)課程目前存在的問題，本研究在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)、考核內(nèi)容、雙師型隊(duì)伍建設(shè)等方面，就如何提高學(xué)生的實(shí)踐能力、如何與工程實(shí)際相接軌進(jìn)行了探索與實(shí)踐.

2.1 優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容

2.1.1 上好第1節(jié)課，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望

第1節(jié)課是學(xué)生對(duì)于課程的初印象，印象的好壞關(guān)乎到學(xué)生之后學(xué)習(xí)本課程的積極性，因此上好第1節(jié)課至關(guān)重要.在第1次課要開門見山地給學(xué)生展示大量實(shí)際工程應(yīng)用案例以及往屆學(xué)生所參加的和PLC有關(guān)的設(shè)計(jì)、比賽作品及成果[3]，讓同學(xué)們?cè)谶@些實(shí)例中找到今后學(xué)習(xí)的動(dòng)力和方向，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望.

2.1.2 整合教學(xué)內(nèi)容，合理運(yùn)用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)好壞直接決定了學(xué)生在之后的學(xué)習(xí)過程中是否能夠最大程度地接受所學(xué)知識(shí)，是否能夠一直保持良好的學(xué)習(xí)態(tài)度，因此教學(xué)內(nèi)容必須實(shí)現(xiàn)優(yōu)化整合，保證先易后難、先簡(jiǎn)后繁的順序.在開始簡(jiǎn)單的、小的知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)時(shí)，引入生活中常見的易于理解的項(xiàng)目作為分析案例；隨著知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的增多，后續(xù)的項(xiàng)目案例要越來越復(fù)雜，最好能夠循序漸進(jìn)地把之前的知識(shí)點(diǎn)逐漸包含進(jìn)來，這時(shí)候的項(xiàng)目選擇就要偏向于工業(yè)化；當(dāng)學(xué)習(xí)接近尾聲時(shí)，要選取生產(chǎn)線上的綜合性的實(shí)例項(xiàng)目，鍛煉學(xué)生對(duì)工業(yè)項(xiàng)目整體分析甚至是設(shè)計(jì)的綜合能力.

本著以上原則，在教學(xué)中，一共選取了27個(gè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容.初級(jí)階段的內(nèi)容包含電動(dòng)機(jī)點(diǎn)動(dòng)與長(zhǎng)動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、降壓?jiǎn)?dòng)等控制電路以及樓梯照明這種與生活密切相關(guān)的簡(jiǎn)單實(shí)例；中級(jí)階段的內(nèi)容包含電動(dòng)機(jī)順序起動(dòng)、公交車乘客數(shù)量PLC監(jiān)控、搶答器、交通燈[4]等諸如此類涵蓋了諸多基本指令的實(shí)例應(yīng)用；高級(jí)階段的內(nèi)容包含生產(chǎn)線上包裝箱的PLC控制系統(tǒng)、基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)等，綜合運(yùn)用了電氣控制中器件設(shè)備以及PLC的基本指令和功能指令.

知識(shí)點(diǎn)通過一個(gè)個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目進(jìn)行驅(qū)動(dòng)教學(xué)的同時(shí)，整個(gè)教學(xué)內(nèi)容還貫穿了1個(gè)工程實(shí)例——簡(jiǎn)易的智能制造灌裝生產(chǎn)線.這個(gè)項(xiàng)目依托于石家莊學(xué)院的智能制造基地，是從真實(shí)的生產(chǎn)線上拿過來的案例，整個(gè)案例在教學(xué)中分為8個(gè)部分，包含了電氣控制部分設(shè)計(jì)、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、手動(dòng)運(yùn)行程序設(shè)計(jì)、自動(dòng)運(yùn)行程序設(shè)計(jì)、計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)程序設(shè)計(jì)、合格檢驗(yàn)程序設(shè)計(jì)以及順序控制程序設(shè)計(jì)[5].通過這個(gè)項(xiàng)目使學(xué)生對(duì)工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程有了一定的了解，對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)行過程有了一定的認(rèn)識(shí)，將理論知識(shí)與工程實(shí)踐實(shí)實(shí)在在地融合在一起.

2.1.3 及時(shí)掌握作業(yè)反饋，有的放矢

由于近幾年電氣專業(yè)的學(xué)生人數(shù)一直保持在100人左右，多的時(shí)候達(dá)到了140人，如果單憑老師來把控作業(yè)的完成度和質(zhì)量在一定程度上很不理想，因此采用了分組形式，4～5人分為一組，每組設(shè)學(xué)習(xí)組長(zhǎng)1名，每次作業(yè)由學(xué)習(xí)組長(zhǎng)先負(fù)責(zé)檢查，總結(jié)作業(yè)中存在的問題并按要求向老師進(jìn)行反饋.教師根據(jù)實(shí)時(shí)反饋情況，對(duì)于共性問題在課堂上統(tǒng)一講解，個(gè)別問題通過QQ、微信或者面對(duì)面進(jìn)行解決.為了防止謊報(bào)瞞報(bào)情況出現(xiàn)，會(huì)不定時(shí)抽查作業(yè)，從而保證學(xué)生能夠按時(shí)按質(zhì)完成.

2.2 改進(jìn)教學(xué)方法，豐富教學(xué)手段

課程的教學(xué)將教師講授、學(xué)生討論、直觀演示、云班課線上視頻講解等多種手段融為一體，根據(jù)不同授課內(nèi)容的特點(diǎn)選擇最合適的授課方式.

多媒體用來展示大量的圖片和動(dòng)畫視頻，板書用來對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行分析或總結(jié)，有些需要學(xué)生重點(diǎn)掌握的知識(shí)點(diǎn)還會(huì)錄制成短視頻，放在云班課上，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，學(xué)生只要需要的時(shí)候，便可以在線上進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí).同時(shí)在線上還可以放入相關(guān)的學(xué)習(xí)資料、作業(yè)習(xí)題答案、課外學(xué)習(xí)的微視頻二維碼[6]，開展疑點(diǎn)討論交流等活動(dòng)，這些都對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行了有益的補(bǔ)充.

2.3 注重實(shí)踐拓展

2.3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

本課程總共開設(shè)了6個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了軟件入門操作、基本指令簡(jiǎn)單應(yīng)用、多種指令復(fù)合應(yīng)用、不同指令分別實(shí)現(xiàn)同一個(gè)任務(wù)要求等，力求在實(shí)驗(yàn)階段保證同學(xué)們都能夠?qū)W(xué)過的指令熟練掌握并準(zhǔn)確應(yīng)用.

為了切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力，每個(gè)實(shí)驗(yàn)兩人一組，實(shí)驗(yàn)過程中教師對(duì)不同組學(xué)生進(jìn)行隨機(jī)提問，防止學(xué)生出現(xiàn)依賴或懈怠的情況，每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果需要教師檢查驗(yàn)證后再當(dāng)堂填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并上交.雖然”電氣控制與PLC”實(shí)驗(yàn)不是一門獨(dú)立的課程，但是仍然安排了實(shí)驗(yàn)的單人考試，考慮到學(xué)生們之間存在的差異，實(shí)驗(yàn)考試分為兩個(gè)層次，低層次部分重點(diǎn)考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和編程軟件是否能夠準(zhǔn)確使用，是否能夠完成相對(duì)比較簡(jiǎn)單的任務(wù)編程，這個(gè)層次屬于基礎(chǔ)考核，考核通過為合格；高層次部分重點(diǎn)考核學(xué)生對(duì)綜合性任務(wù)的編程能力，是否能夠?qū)⒍喾N指令準(zhǔn)確地融合在一起，在出現(xiàn)問題時(shí)，是否能夠自己調(diào)試程序解決問題，這個(gè)層次屬于能力考核，根據(jù)考核結(jié)果分為中等、良好、優(yōu)秀3個(gè)檔.學(xué)生在考核前可以依據(jù)自己的情況來選擇參加哪個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)考試.

實(shí)驗(yàn)考試能夠提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度，在實(shí)驗(yàn)中必須要自己親自動(dòng)手動(dòng)腦去完成，才可能通過最后的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，有效杜絕了以往實(shí)驗(yàn)中學(xué)生偷懶甚至最后只是抄寫1份實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)象.

2.3.2 引入?yún)⒂^環(huán)節(jié)

石家莊學(xué)院與北京華晟經(jīng)世信息技術(shù)有限公司簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，投入價(jià)值近1 600萬(wàn)元的設(shè)備和軟件，共建產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地，機(jī)電學(xué)院智能制造產(chǎn)教融合創(chuàng)新中心項(xiàng)目是學(xué)?！笆濉卑l(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)打造的校企合作項(xiàng)目，也是學(xué)校轉(zhuǎn)型發(fā)展工作中的樣板工程.該智能制造基地?fù)碛袃蓷l工業(yè)生產(chǎn)線、數(shù)臺(tái)機(jī)械手操作臺(tái)、PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)室等，包含了德國(guó)西門子和美國(guó)GE的多個(gè)型號(hào)的PLC控制器，是學(xué)生們學(xué)習(xí)了解PLC在實(shí)際工程中應(yīng)用的極佳場(chǎng)所.

可以組織學(xué)生分組參觀石家莊學(xué)院智能制造基地，通過對(duì)傳感器、PLC、斷路器、電機(jī)以及生產(chǎn)線機(jī)械手的實(shí)地學(xué)習(xí)，使學(xué)生們對(duì)相關(guān)課程有了直觀認(rèn)識(shí)，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力方面的提升有很大幫助.參觀結(jié)束后，要求學(xué)生按組完成參觀報(bào)告，并根據(jù)參觀內(nèi)容延伸出后續(xù)課程設(shè)計(jì)的題目和流程，在教師審核后即開啟課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié).

2.3.3 課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)部分都是在學(xué)期最后2周內(nèi)開展，而這個(gè)時(shí)段學(xué)生的重心基本都放在了準(zhǔn)備各科的期末考試上，往往使得課程設(shè)計(jì)過于倉(cāng)促，起不到應(yīng)有的提升學(xué)生能力的作用，因此將與本課程相關(guān)的兩門課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了提前.

電工實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)與電氣控制部分的內(nèi)容緊密相連，主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電氣低壓設(shè)備的認(rèn)知以及連線方面的動(dòng)手能力，在理論課程學(xué)習(xí)完畢后，這部分的課程設(shè)計(jì)便立即展開，兩者緊密銜接，有助于學(xué)生學(xué)以致用；電氣控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)與PLC部分的內(nèi)容緊密相連，主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)復(fù)雜的工程實(shí)例進(jìn)行編程設(shè)計(jì)的能力，這部分課程設(shè)計(jì)的開展從參觀環(huán)節(jié)之后開始，基本上理論學(xué)習(xí)已經(jīng)過半，學(xué)生們邊學(xué)習(xí)邊設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)接近尾聲時(shí)設(shè)計(jì)完成，進(jìn)行小組答辯.授課中期引入課程設(shè)計(jì)不僅能夠避免期末的倉(cāng)促，還能夠有效引導(dǎo)學(xué)生，明確學(xué)習(xí)方向，改善學(xué)習(xí)效果.

2.3.4 以比賽促教學(xué)

通過前面一環(huán)扣一環(huán)的安排，絕大部分學(xué)生都能夠很好地掌握知識(shí)內(nèi)容，并擁有了一定的動(dòng)手能力和實(shí)踐應(yīng)用能力，但應(yīng)用型人才的培養(yǎng)絕不會(huì)止步于此，因材施教是教書育人的基本要求，為了選拔優(yōu)秀的電氣人才，也為了給有更高要求的學(xué)生提供機(jī)會(huì)，在教學(xué)的同時(shí)還引入了與PLC相關(guān)的比賽.

比如，本課題組協(xié)助學(xué)校教務(wù)處組織了2019年石家莊學(xué)院智能制造挑戰(zhàn)賽，大賽共有來自計(jì)算機(jī)學(xué)院、機(jī)電學(xué)院的80余名同學(xué)報(bào)名參賽.競(jìng)賽項(xiàng)目主要以中國(guó)制造2025為背景，結(jié)合生產(chǎn)生活中的典型控制系統(tǒng)，以西門子1200系列或200系列PLC為核心，完成指定的控制要求與效果.比賽采取統(tǒng)一命題方式，要求學(xué)生以小組為單位，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行硬件設(shè)備連線以及編程完成任務(wù)要求，按照實(shí)際完成任務(wù)的功能性以及使用時(shí)間的長(zhǎng)短進(jìn)行評(píng)分排名.比賽不僅提高了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，還為河北省“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽儲(chǔ)備了力量.

2.3.5 畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

經(jīng)過了之前的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、參觀環(huán)節(jié)、課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、比賽環(huán)節(jié)之后，學(xué)生對(duì)于“電氣控制與PLC”課程已經(jīng)有了比較深入的了解，對(duì)于硬件和指令的使用也更加熟練，因此在畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，有不少同學(xué)都選擇了和PLC有關(guān)的題目，在這個(gè)階段，題目的選擇都是工業(yè)中的工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)中除了之前所涉及到的知識(shí)以外，加入了組態(tài)監(jiān)控部分，使得整個(gè)項(xiàng)目更加完整和有實(shí)用性.

2.4 考核突出工程性

成績(jī)考核包含了平時(shí)成績(jī)、期中成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和期末成績(jī)4部分.平時(shí)成績(jī)包括了出勤、作業(yè)、線上學(xué)習(xí)和參觀報(bào)告4部分；期中考試側(cè)重于電氣控制部分的知識(shí)；實(shí)驗(yàn)成績(jī)的得出由平時(shí)實(shí)驗(yàn)得分和最終的實(shí)驗(yàn)考試兩部分組成；對(duì)期末考試試卷內(nèi)容進(jìn)行了全面調(diào)整，由之前的選擇、填空、編程這些常規(guī)試題變成了綜合試題，由之前的閉卷變成了開卷，教材作為唯一的參考資料，所有試題都圍繞著一個(gè)工程實(shí)例展開，涵蓋了電路設(shè)計(jì)、PLC的硬件接線以及軟件編程，可以說是對(duì)學(xué)生的能力進(jìn)行了綜合的考核，學(xué)生需要真正學(xué)會(huì)學(xué)懂學(xué)通，真正明白工程實(shí)例的工作過程，才能夠做對(duì)題目取得優(yōu)異的成績(jī).

2.5 雙師型隊(duì)伍建設(shè)

教師隊(duì)伍的建設(shè)是教學(xué)改革順利實(shí)施的關(guān)鍵，確保教師自身工程素質(zhì)的提高是重中之重.在課程改革過程中，鼓勵(lì)教師到企業(yè)進(jìn)行掛職鍛煉學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)教師考取行業(yè)相關(guān)的資格證書，任課教師陸續(xù)走進(jìn)工廠企業(yè)參觀學(xué)習(xí)，與石家莊匯鑫華康電氣設(shè)備有限公司、河北中恒環(huán)?？萍加邢薰?、石家莊德潤(rùn)環(huán)?？萍加邢薰尽⒑颖宾H能電力工程咨詢有限公司等取得聯(lián)系，與企業(yè)高級(jí)工程人員進(jìn)行交流研討.目前，和課程相關(guān)的雙師型教師已經(jīng)達(dá)到了5人，為培養(yǎng)工程創(chuàng)新性人才奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

3 結(jié)論

石家莊學(xué)院作為河北省首批本科轉(zhuǎn)型發(fā)展試點(diǎn)高校，鼓勵(lì)各專業(yè)廣大教師積極創(chuàng)造有利條件，多渠道地開發(fā)和建設(shè)應(yīng)用型課程.本研究結(jié)合課程教學(xué)中所凸顯出來的問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)、考核內(nèi)容、雙師型隊(duì)伍建設(shè)等多個(gè)方面進(jìn)行深入的改革研究和實(shí)踐，將應(yīng)用型人才的培養(yǎng)落到實(shí)處，增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力.