“以賽促教、賽教融合”實(shí)踐教學(xué)模式改革
——以《電氣控制技術(shù)與PLC》為例

段金英，張曉娟

(西京學(xué)院理學(xué)院，陜西西安,710123)

0 引言

《電氣控制技術(shù)與PLC》是一門實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)課，是自動(dòng)化類、電氣類專業(yè)的核心課程之一，該課程綜合了繼電器-接觸器控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)以及組態(tài)技術(shù)，主要包括由傳統(tǒng)電氣控制和PLC應(yīng)用兩個(gè)部分組成。在智能制造系統(tǒng)中，PLC不僅僅是智能裝備和生產(chǎn)線的大腦，而且還負(fù)責(zé)制造信息的采集和轉(zhuǎn)發(fā)。PLC作為設(shè)備的控制器，不僅可以完成傳統(tǒng)的邏輯控制、順序控制、運(yùn)動(dòng)控制，還承擔(dān)著工業(yè)4.0和智能制造賦予的新任務(wù)，對(duì)學(xué)生來說了解和學(xué)習(xí)新的技術(shù)必不可少。而傳統(tǒng)PLC實(shí)踐教學(xué)主要是課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，多采用插拔式接線方式的教學(xué)設(shè)備，缺少綜合型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果不佳，與當(dāng)前應(yīng)用型人才的市場的需求是不一致，不能滿足企業(yè)對(duì)PLC控制方面人才的需求[1]。

本文針對(duì)當(dāng)前《電氣控制技術(shù)與PLC》實(shí)踐課的現(xiàn)狀，結(jié)合PLC控制技術(shù)的發(fā)展和學(xué)科競賽重構(gòu)了該課程教學(xué)內(nèi)容，運(yùn)用混合式教學(xué)模式，通過實(shí)施以學(xué)生為中心教學(xué)方法和多元化評(píng)價(jià)使學(xué)生迅速掌握理論知識(shí)，提高實(shí)踐教學(xué)效率和學(xué)習(xí)效果。

1 學(xué)科競賽與大學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)

大學(xué)生學(xué)科競賽是培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的重要載體?！拔鏖T子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽是在教育部與西門子（中國）有限公司簽訂戰(zhàn)略合作框架下共同舉辦的。大賽主要設(shè)有智能制造工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用類賽項(xiàng)，企業(yè)命題方向和智能制造創(chuàng)新研發(fā)類3大類賽項(xiàng)。競賽內(nèi)容著眼于智能制造領(lǐng)域中的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品研發(fā)、工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和智能應(yīng)用等，大賽賽題主要來自企業(yè)真實(shí)的工程項(xiàng)目和科研項(xiàng)目作，使學(xué)生親身體會(huì)真實(shí)的工業(yè)設(shè)備和工業(yè)環(huán)境，考核評(píng)分指標(biāo)采用工業(yè)企業(yè)的工程標(biāo)準(zhǔn)，通過比賽學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力、系統(tǒng)思維均得到了很好的訓(xùn)練?！拔鏖T子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽的競賽宗旨和競賽模式旨在培養(yǎng)自動(dòng)化類專業(yè)、電氣類專業(yè)學(xué)生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)，學(xué)科競賽能夠顯著提高大學(xué)生的綜合能力，激發(fā)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)和工作自信心，是應(yīng)用型本科院校提高學(xué)生應(yīng)用能力的有效途徑。

2 “以賽促教、賽教融合”實(shí)踐教學(xué)模式改革

《電氣控制技術(shù)與PLC》課程主要包括傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)和面向工業(yè)自動(dòng)化的PLC控制系統(tǒng)，后者的學(xué)習(xí)離不開前者。該課程內(nèi)容包括繼電器-接觸器控制系統(tǒng)和PLC在邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制的應(yīng)用等，其實(shí)踐教學(xué)效果在培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題過程中起著重要的作用。因此通過將“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽的賽項(xiàng)逐一分解后與《電氣控制技術(shù)與PLC》實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行深度融合，對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和競賽項(xiàng)目統(tǒng)一規(guī)劃進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)，應(yīng)用混合式教學(xué)方法，分步實(shí)施，多元化考核，在學(xué)科競賽引領(lǐng)和促進(jìn)下實(shí)現(xiàn)《電氣控制技術(shù)與PLC》實(shí)踐教學(xué)的改革。

2.1 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)，打造多層次實(shí)踐教學(xué)模式

實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)有一個(gè)不同點(diǎn)就是理論教學(xué)偏向于個(gè)人研究，而實(shí)踐教學(xué)注重團(tuán)隊(duì)合作。在依托學(xué)科競賽的實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生最終需要會(huì)面對(duì)一個(gè)綜合性強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜、應(yīng)用性強(qiáng)的問題。為了循序漸進(jìn)的實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，《電氣控技術(shù)與PLC》實(shí)踐教學(xué)摒棄了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以競賽項(xiàng)目為依托，改進(jìn)了傳統(tǒng)的《電氣控制技術(shù)與PLC》實(shí)踐項(xiàng)目，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)類型采用不同的教學(xué)方法，重構(gòu)了多層次的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容[2]，具體如圖1所示，并且學(xué)生的“做”貫穿始終整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中。

圖1 多層次實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。采用自行開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，以西門子PLC S7-1200為控制器，配合模擬被控制對(duì)象掛件，可以實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)中的基本實(shí)驗(yàn)。

（2）進(jìn)階實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目借助電梯仿真對(duì)象（學(xué)習(xí)版）軟件和虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，開展基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的進(jìn)階訓(xùn)練，學(xué)生課上使用虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，課下借助電梯仿真對(duì)象（學(xué)習(xí)版）軟件平臺(tái)，可以隨時(shí)測評(píng)PLC控制程序的功能效果。

（3）提高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要分為兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方向電梯集群控制和工廠數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)。其中工廠數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視，以西門子S7-1200PLC為控制器為控制核心，綜合觸摸屏、以太網(wǎng)通信、遠(yuǎn)程I/O、運(yùn)動(dòng)控制等方面的知識(shí)。

通過競賽項(xiàng)目分解，建立的多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，通過循序漸進(jìn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)激發(fā)了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的積極性，鍛煉和提高了學(xué)生的個(gè)人能力，豐富了理論教學(xué)內(nèi)容。

2.2 賽教融合教學(xué)模式的實(shí)施

為了培養(yǎng)具備扎實(shí)理論、技術(shù)基礎(chǔ)的工程應(yīng)用型人才，需要訓(xùn)練學(xué)生系統(tǒng)化思維方式以及嚴(yán)謹(jǐn)、熟練實(shí)施過程，這個(gè)過程是循序漸進(jìn)的，在實(shí)施以賽促教的教學(xué)過程中以學(xué)生的主體性，激發(fā)了學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性，《電氣控制技術(shù)與PLC》實(shí)踐課賽教融合教學(xué)的實(shí)施過程主要分為以下三個(gè)階段。

第一個(gè)階段是PLC編程基礎(chǔ)，主要以S7-1200為教學(xué)載體，指導(dǎo)學(xué)生使用TIA博圖軟件進(jìn)行編程，完成電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、搶答器控制、交通燈控制、飲料混合控制等實(shí)驗(yàn)，利用TIA博圖軟件的在線調(diào)試功能，使學(xué)生熟練掌握基本的工程創(chuàng)建、硬件組態(tài)、基本指令編程以及通信設(shè)置的方法，而且初步具備了一定的分析能力，為后續(xù)的綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。

第二個(gè)階段是利用電梯仿真系統(tǒng)（EET）教學(xué)平臺(tái)，這一階段的培養(yǎng)目標(biāo)是創(chuàng)新性知識(shí)的積累以及對(duì)綜合性問題的解決，例如電梯內(nèi)呼和外呼。在教學(xué)設(shè)計(jì)的時(shí)候，要求學(xué)生先在虛擬仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)控制算法，驗(yàn)證其可行后，再在實(shí)物平臺(tái)上調(diào)試。電梯仿真系統(tǒng)（EET）具有兩大部分別是控制器與被控對(duì)象。其中，控制器采用西門子S7-1200PLC，被控對(duì)象為電梯三維立體仿真模型。被控對(duì)象運(yùn)行在工控機(jī)中，通信方式有兩種，分別為Profibus-DP與以太網(wǎng)通信，如圖2所示。學(xué)生通過編程在TIA博圖中完成不同通信方式的調(diào)試，學(xué)生在不同環(huán)境下的編程能力得到進(jìn)一步鍛煉。通過PLC實(shí)現(xiàn)編程控制虛擬電梯模型時(shí)，同時(shí)利用WINCC完成上位機(jī)對(duì)虛擬電梯系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計(jì)，這個(gè)階段的實(shí)踐項(xiàng)目鍛煉了學(xué)生的設(shè)備通信、程序編寫、監(jiān)控畫面繪制和仿真實(shí)現(xiàn)能力，提高了學(xué)生工程項(xiàng)目解決實(shí)際問題的能力。

圖2 虛擬仿真平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

第三個(gè)階段綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目的實(shí)踐教學(xué)，電梯集群控制和工廠數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)。此階段分為工程項(xiàng)目書的編寫、實(shí)際操作兩個(gè)步驟。工程項(xiàng)目書要求學(xué)生以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為背景，在對(duì)綜合性問題分析后進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)方案以論文的方式提交。指導(dǎo)老師對(duì)工程項(xiàng)目方案審核通過后，學(xué)生才可以進(jìn)行后續(xù)的實(shí)際操作。在實(shí)際操作中，學(xué)生將編寫好的程序和設(shè)計(jì)監(jiān)控界面先通過PLCSIM軟件進(jìn)行仿真，仿真通過后，再選擇一種通信方式連接硬件進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。通過撰寫工程項(xiàng)目書，學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)融會(huì)貫通能力得到了提升，實(shí)際操作能提高其動(dòng)手能力和綜合能力也相應(yīng)得到了鍛煉。

2.3 以學(xué)為中心的混合式教學(xué)方法的實(shí)施與評(píng)價(jià)

教師通過集體備課分析《電氣控制技術(shù)與PLC》課程的特點(diǎn)，推進(jìn)以翻轉(zhuǎn)課堂、探究式教學(xué)等多樣化的教學(xué)方法[3]，采用靈活多變的教學(xué)組織方式，活躍課堂氣氛。課堂教學(xué)注重師生交流，方式靈活多變，以活躍課堂氣氛。例如引導(dǎo)啟發(fā)教學(xué)方法，在實(shí)施實(shí)踐教學(xué)任務(wù)的過程中，教師不再沿用傳統(tǒng)的講解、指導(dǎo)的教法，而是采用引導(dǎo)、啟發(fā)的方法，通過給學(xué)生提供參考教材和PLC以及各種控制電器的具體產(chǎn)品說明書或參考具體工程案例，指出與完成任務(wù)相關(guān)的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，確定完成任務(wù)的主要參數(shù)、電路連接方法，并啟發(fā)學(xué)生舉一反三，拓展到其他的應(yīng)用情況[4]。教學(xué)的過程中，引入智慧課程技術(shù)-雨課堂，在師生互動(dòng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)上下功夫，課堂氣氛活躍了，學(xué)生能夠自主思考提出問題，解答問題，激發(fā)學(xué)生潛能?！峨姎饪刂萍夹g(shù)與PLC》實(shí)踐考核體系改進(jìn)了傳統(tǒng)的考核方式，著重于多元化的過程評(píng)估，將學(xué)生的線上學(xué)習(xí)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和工程素養(yǎng)納入了考核內(nèi)容，同時(shí)，考核體系將項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)總體成績與個(gè)人成績相聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)動(dòng)力。

3 “以賽促教、賽教融合”實(shí)踐教學(xué)模式改革的成效

（1）學(xué)生在PLC相關(guān)的競賽中成績顯著，自2015年開始，將“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽列為重點(diǎn)賽事，建立了競賽領(lǐng)導(dǎo)小組，形成了良好的競賽保障機(jī)制。近五年的研究實(shí)踐表明，將“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽融入到《電氣控制技術(shù)與PLC》實(shí)踐教學(xué)中，促進(jìn)了第一課堂和第二課堂的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了以賽促學(xué)、以賽促教、賽教融合的實(shí)踐教學(xué)模式改革，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有效提升了教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生每年參加“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽，西北賽區(qū)特等獎(jiǎng)、一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)均斬獲多項(xiàng)。國家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)中，過程控制獲全國二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、協(xié)作機(jī)器人控制獲全國二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，邏輯控制獲全國二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)。在“三菱電機(jī)杯”全國大學(xué)生電氣與自動(dòng)化大賽中，學(xué)生獲全國二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，三等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

（2）人才培養(yǎng)質(zhì)量得到進(jìn)一步提升，“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽和電氣控制技術(shù)與PLC實(shí)踐教學(xué)的深度融合為學(xué)科競賽的開展提供知識(shí)保障，學(xué)生通過參加競賽，使我校學(xué)生能夠與國內(nèi)一流大學(xué)的學(xué)生同臺(tái)競技，學(xué)生的自信得到提升，工程設(shè)計(jì)能力得到了訓(xùn)練，通過電氣控制技術(shù)與PLC實(shí)踐教學(xué)模式的改革，形成學(xué)科競賽與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互促進(jìn)的良性發(fā)展模式，進(jìn)而為社會(huì)培養(yǎng)綜合能力強(qiáng)的PLC工程技術(shù)人才。

4 結(jié)語

根據(jù)《電氣控制技術(shù)與PLC》實(shí)踐學(xué)中存在的問題，對(duì)實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革研究，將學(xué)科競賽和PLC實(shí)踐教學(xué)深度融合，構(gòu)建了《電氣控制與PLC》賽教融合的多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，形成一套“以賽促教、賽教融合”實(shí)踐教學(xué)體系。研究結(jié)果證明，實(shí)踐教學(xué)的改革激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的自信心，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力，提高了電氣控制技術(shù)與PLC實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，同時(shí)也為學(xué)生將來從事與電氣控制相關(guān)的工作打下了基礎(chǔ)。