雙一流背景下應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)課程教學(xué)改革模式與實(shí)踐
——以《PLC原理及應(yīng)用》課程為例

王曉瑜

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安）

一 引言

2018年8月，教育部、財(cái)政部、國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于高等學(xué)校加快“雙一流”建設(shè)的指導(dǎo)意見》，提出落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，形成高水平人才培養(yǎng)體系，是國(guó)家“雙一流”教育戰(zhàn)略背景下，一流本科教育的建設(shè)目標(biāo)。也就是說，地方普通高校人才培養(yǎng)的核心要求轉(zhuǎn)向德才兼?zhèn)?、全面發(fā)展；轉(zhuǎn)變?nèi)瞬排囵B(yǎng)理念、目標(biāo)、模式和方法，構(gòu)建起適應(yīng)新時(shí)代的一流本科教育體系，實(shí)現(xiàn)本科人才培養(yǎng)體系和課程的優(yōu)化[1-2]。

隨著地方應(yīng)用型本科院校一流專業(yè)及一流課程建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，近年來，不少教育工作者對(duì)自動(dòng)化專業(yè)應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)體系建設(shè)及一流課程建設(shè)也進(jìn)行了積極的研究。上海工程技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng)夏建國(guó)指出，該校致力于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的、具有國(guó)際視野的卓越一線工程師，形成了“依托行業(yè)、服務(wù)企業(yè)，培養(yǎng)一線工程師為主的高層次應(yīng)用技術(shù)人才”的辦學(xué)特色[3]；肖麗仙提出，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，關(guān)鍵在于落實(shí)課程教學(xué)的應(yīng)用型改革，她針對(duì)“電氣控制與 PLC 技術(shù)”課程，提出教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)組織和考核“四個(gè)一體化”的課程教學(xué)改革模式，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做、評(píng)的融合[4]；蔡曉敏等人提出了“新工科”背景下，對(duì)自動(dòng)化專業(yè)核心課程“電氣控制與PLC”課程實(shí)踐分基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、項(xiàng)目訓(xùn)練、綜合創(chuàng)新三步走，循序滿足自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐的需求的思路[5]；馬昕詳細(xì)論述了將“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽學(xué)科競(jìng)賽融入自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的方式，得出了學(xué)科競(jìng)賽能夠顯著提高大學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能、鞏固教學(xué)成果、優(yōu)化工程創(chuàng)新環(huán)境的結(jié)論[6]。

西安航空學(xué)院是2012年升格的地方本科院校，下設(shè)的電子工程學(xué)院是陜西省首批創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革試點(diǎn)學(xué)院，遵循教研〔2018〕5號(hào)文件對(duì)地方本科院校“雙一流”的指導(dǎo)意見，本項(xiàng)目對(duì)傳統(tǒng)工科“自動(dòng)化”專業(yè)人才培養(yǎng)方案的核心專業(yè)課程《PLC原理及應(yīng)用》的課程內(nèi)容等方面進(jìn)行改革，探索與實(shí)踐培養(yǎng)具有“心中愛國(guó)，科技報(bào)國(guó)”，勝任行業(yè)發(fā)展需求的應(yīng)用型高素質(zhì)技術(shù)人才。

二 課程與教學(xué)改革要解決的重點(diǎn)問題

（一） 課程理論知識(shí)的前沿性與專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)兼顧問題

PLC技術(shù)是工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，而控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是PLC技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域的前沿技術(shù)，作為面向自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)的專業(yè)核心課程，需兼顧學(xué)生的基礎(chǔ)，同時(shí)又要體現(xiàn)工控技術(shù)發(fā)展的時(shí)代特征，提升課程的高階性和創(chuàng)新性。

（二） 課程教材的特色與人才培養(yǎng)有機(jī)融合問題

國(guó)內(nèi)PLC課程教材多為雙一流大學(xué)的偏理論輕應(yīng)用和職業(yè)技術(shù)學(xué)校的輕理論偏應(yīng)用維修兩大類。我校為應(yīng)用型本科，因材施教才能滿足高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)需求。

（三） 課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的探究性與驗(yàn)證性之間的轉(zhuǎn)型問題

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證課堂所學(xué)理論知識(shí)，是掌握知識(shí)的一種有效手段，但因?qū)嶒?yàn)設(shè)備受限，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只能通過仿真或傳統(tǒng)的插拔式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，學(xué)生難以形成PLC系統(tǒng)的硬件電路和程序控制的整體認(rèn)識(shí)，學(xué)生自學(xué)探究能力弱，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容挑戰(zhàn)度低。

三 課程教學(xué)改革研究路徑

我?！白詣?dòng)化”本科學(xué)生生源多來自陜西，結(jié)合學(xué)?！靶袠I(yè)性、地方性、應(yīng)用型”的辦學(xué)定位和“雙一流”的教育戰(zhàn)略路線，針對(duì)上述問題，對(duì)《PLC原理及應(yīng)用》課程從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資源建設(shè)、課程教學(xué)內(nèi)容及組織實(shí)施、教學(xué)模式與手段、課程成績(jī)?cè)u(píng)定方式等方面展開。

（一） 課程內(nèi)容改革

1. 針對(duì)課程理論知識(shí)的前沿性與專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)兼顧問題，根據(jù)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用型本科生的學(xué)科基礎(chǔ)，以工控過程中信號(hào)流為主線，從信號(hào)的傳感、采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理，到信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換和執(zhí)行輸出，編排PLC相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)原理，并在相關(guān)節(jié)點(diǎn)引入工控領(lǐng)域?qū)嵱冒咐颓把丶夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)兩者的有機(jī)融合，提升課程的高階性和創(chuàng)新性。

2. 針對(duì)課程教材的特色與人才培養(yǎng)有機(jī)融合問題，筆者編著新形態(tài)應(yīng)用型本科教材——《電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)》，根據(jù)課程核心職業(yè)能力重構(gòu)并模塊化教材內(nèi)容，共分為六大模塊：PLC硬件、基本指令及程序設(shè)計(jì)、模擬量與PID控制、PLC網(wǎng)絡(luò)通信、PLC變頻調(diào)速、PLC工程設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例，自制與知識(shí)點(diǎn)配套的仿真和實(shí)操一體化微課案例視頻34個(gè)（在教材知識(shí)點(diǎn)有二維碼，掃碼即可實(shí)時(shí)觀看），將實(shí)驗(yàn)室搬到課堂，教學(xué)情景直觀生動(dòng)，有效達(dá)成高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)目的。

3.針對(duì)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的探究性與驗(yàn)證性之間的轉(zhuǎn)型問題，筆者基于探索性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，自主研發(fā)了“基于PLC、VVVF和HMI的多功能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”，引入“PLC控制參數(shù)整定”“三臺(tái)PLC實(shí)現(xiàn)PPI通信”等探索性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，提升了學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)度，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。

（二） 教學(xué)資源建設(shè)及應(yīng)用

1.課程團(tuán)隊(duì)5名成員雙師雙能年輕化，平均年齡36歲；職稱和學(xué)歷分配合理，團(tuán)隊(duì)有2名教授，工程師1名，講師2名；3名博士，2名碩士。團(tuán)隊(duì)成員具有深厚理論功底，豐富的教學(xué)和科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，多人曾獲教學(xué)相關(guān)省級(jí)和校級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，為課程教學(xué)提供有力支持。

2.編著新形態(tài)教材，輔以其他優(yōu)秀教材；自制教學(xué)案例微課視頻、電子教案、PPT課件、習(xí)題庫等教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生通過學(xué)習(xí)通、中國(guó)大學(xué)慕課和數(shù)字化圖書館資源，了解學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)和前沿技術(shù)，提升知識(shí)學(xué)習(xí)的深度和廣度。

3.基于探索性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，自主研發(fā)了課程群實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以滿足“電氣控制技術(shù)”“PLC原理及應(yīng)用”“組態(tài)技術(shù)”“控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真”“變頻調(diào)速技術(shù)”“自動(dòng)控制原理”等專業(yè)課程的基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)三個(gè)不同層次的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，通過小組化實(shí)驗(yàn)，滿足學(xué)生的探究式學(xué)習(xí)需求。

4.依托團(tuán)隊(duì)所在科研平臺(tái)，梳理出典型學(xué)科交叉項(xiàng)目，如“PROFIBUS-DP遠(yuǎn)程智能從站技術(shù)在高爐爐頂上料控制系統(tǒng)的改造與實(shí)現(xiàn)”“多工位組合機(jī)床控制系統(tǒng)的PLC改造與實(shí)現(xiàn)”等，作為課堂教學(xué)案例分析，啟迪學(xué)生的科學(xué)探索精神和創(chuàng)新意識(shí)。

四 課程教學(xué)內(nèi)容及組織實(shí)施

（一） 課程思政進(jìn)課堂

以我國(guó)智能制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀為點(diǎn)，以自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)為線，以重構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容為面，課程思政元素融入教學(xué)目標(biāo)；通過教學(xué)大綱把立德樹人內(nèi)化到課程內(nèi)容、教學(xué)方法和考核評(píng)價(jià)中，促使知識(shí)傳授與情感價(jià)值觀教育同頻共振，培養(yǎng)特色鮮明的“心中愛國(guó)，科技報(bào)國(guó)”的高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

（二） 構(gòu)建以“學(xué)生”為中心的閉環(huán)教學(xué)法

1.課程貫穿硬件—系統(tǒng)的概念，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)能力全局觀。精選部分程序設(shè)計(jì)案例為PBL（Problem-Based Learning 問題式學(xué)習(xí)）小組討論課，如“多種方法實(shí)現(xiàn)階梯燈定時(shí)點(diǎn)亮控制程序設(shè)計(jì)的PBL的教學(xué)”，增加學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和參與度，培養(yǎng)學(xué)生的多途徑程序設(shè)計(jì)能力。

2. 課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)增加探究型內(nèi)容，將校級(jí)開放實(shí)驗(yàn)室“西門子PLC科技創(chuàng)新訓(xùn)練”項(xiàng)目改為RBL（Research-Based Learning探究式學(xué)習(xí)）開放實(shí)驗(yàn)，如“PID參數(shù)整定的RBL教學(xué)”，加強(qiáng)操作實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生體驗(yàn)“跳一跳才能夠得著”的學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)。

3.課堂教學(xué)內(nèi)容則由項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，通過類比法和案例法導(dǎo)入、啟發(fā)學(xué)生，使學(xué)生參與教學(xué)，借助理實(shí)一體化微課視頻閉環(huán)實(shí)現(xiàn)。

五 課程成績(jī)?cè)u(píng)定方式

課程成績(jī)?cè)u(píng)定方式共由平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和閉卷考試成績(jī)?nèi)糠纸M成。占比分別為：平時(shí)成績(jī)15%（個(gè)人作業(yè)、參與課堂分組討論和個(gè)人現(xiàn)場(chǎng)仿真展演），實(shí)驗(yàn)成績(jī)15%（分組實(shí)驗(yàn)操作與答辯、實(shí)驗(yàn)報(bào)告）和閉卷考試成績(jī)70%（理論知識(shí)測(cè)試、程序設(shè)計(jì)）。

六 課程評(píng)價(jià)及改革成效

（一） 課程評(píng)價(jià)

1. 學(xué)生評(píng)教和教師互評(píng)近滿分

2019-2020學(xué)年學(xué)院排名第1，學(xué)校排名第14名（為前2.8%）。

2. 良好的示范和引領(lǐng)效應(yīng)

行業(yè)專家和校督導(dǎo)專家認(rèn)為，該課程創(chuàng)新重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，編著新形態(tài)教材，輔以其他優(yōu)秀教材和教學(xué)資源，借助校級(jí)優(yōu)秀教學(xué)成果，通過PBL和RBL教學(xué)法開展教學(xué)，集知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育為一體，通過用人單位反饋，應(yīng)用效果顯著。

課程組創(chuàng)新性制作的微信掃碼的仿真+實(shí)驗(yàn)一體化案例視頻，引實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂，真實(shí)直觀反映實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果，便于學(xué)生在線學(xué)習(xí)，對(duì)高校同類課程的改革和建設(shè)具有良好的示范和引領(lǐng)效應(yīng)。

（二） 改革成效

1. 學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽獲獎(jiǎng)多

2015-2018級(jí)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生參加“西門子杯中國(guó)智能挑戰(zhàn)賽”共獲獎(jiǎng)30項(xiàng)，其中國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)10項(xiàng)、西部賽區(qū)獎(jiǎng)項(xiàng)20項(xiàng)；獲批與該課程相關(guān)的省級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目4項(xiàng)。

2.優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)量多

課程負(fù)責(zé)人指導(dǎo)五屆PLC類畢業(yè)設(shè)計(jì)共獲“校級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)”11人次，并獲得西安航空學(xué)院2018-2020屆“校級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師”榮譽(yù)稱號(hào)。

3. 課程團(tuán)隊(duì)成員獲獎(jiǎng)多

課程團(tuán)隊(duì)成員在2017、2019年“陜西省高校教師實(shí)踐技能競(jìng)賽”獲省級(jí)三等獎(jiǎng)5人次；2018-2020年獲“校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)優(yōu)秀指導(dǎo)教師”3人次，2019、2020年獲?！敖虒W(xué)質(zhì)量?jī)?yōu)秀獎(jiǎng)”和“青年教師教學(xué)質(zhì)量?jī)?yōu)秀獎(jiǎng)”3人次，2018-2020屆“校級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師”1人次，均獲獎(jiǎng)2.4次。

4. 優(yōu)秀教學(xué)成果作支撐

課程團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“基于PLC、VVVF和HMI的多功能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”助力實(shí)踐教學(xué)及學(xué)科競(jìng)賽，滿足本課程探究式學(xué)習(xí)需求，獲2019年“校級(jí)優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)”。

5. 教學(xué)助力科研

課程負(fù)責(zé)人在2016-2021年間共發(fā)表PLC類核心科研論文13篇，獲批主持省級(jí)科研項(xiàng)目“基于PLC、人機(jī)界面及變頻器的錨桿鉆機(jī)智能可視化控制系統(tǒng)應(yīng)用研究”和校級(jí)科研項(xiàng)目“混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在高爐爐頂監(jiān)控系統(tǒng)PROFIBUS-DP總線技術(shù)中的改造與實(shí)現(xiàn)”各1項(xiàng)，助力科研，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容的前沿性與專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)有機(jī)融合。

6. 學(xué)生受益面廣

我校自動(dòng)化、機(jī)械電子、機(jī)械設(shè)計(jì)、測(cè)控技術(shù)等本科專業(yè)的《PLC原理及應(yīng)用》《機(jī)床電氣控制與PLC》《電氣控制與PLC技術(shù)》課程《可編程控制器及應(yīng)用》課程均使用本課程組編著教材和立體化案例視頻，應(yīng)用范圍大；通過校級(jí)開放實(shí)驗(yàn)室“西門子PLC科技創(chuàng)新訓(xùn)練”項(xiàng)目研究性和綜合性知識(shí)學(xué)習(xí)，加強(qiáng)操作實(shí)訓(xùn)，接受學(xué)科競(jìng)賽訓(xùn)練，受益面廣。

7.用人單位評(píng)價(jià)高

杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限西安分公司、南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限西安分公司公司、西安華訊微芯科技有限責(zé)任公司等認(rèn)為我校自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生通過該課程學(xué)習(xí)后，具有強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感、較高的創(chuàng)新精神和突出的實(shí)踐能力，在各自單位的生產(chǎn)和研發(fā)過程發(fā)揮了高素質(zhì)應(yīng)用型人才的積極作用。

七 結(jié)語

以國(guó)家對(duì)應(yīng)用型本科院?！耙涣鲗I(yè)”和“一流課程”的建設(shè)目標(biāo)為指引，對(duì)標(biāo)目前應(yīng)用型本科院校自動(dòng)化專業(yè)的核心課程“PLC原理及應(yīng)用”課程與教學(xué)改革要解決的重點(diǎn)問題，首先根據(jù)課程核心職業(yè)能力重構(gòu)并模塊化教材內(nèi)容，選用自編新形態(tài)應(yīng)用型本科教材，課程思政元素融入教學(xué)目標(biāo)；通過教學(xué)大綱把立德樹人內(nèi)化到課程內(nèi)容、教學(xué)方法和考核評(píng)價(jià)中。其次，創(chuàng)新形成以“學(xué)生”為中心的動(dòng)態(tài)閉環(huán)教學(xué)法，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)課堂教學(xué)內(nèi)容，通過類比法和案例法導(dǎo)入，借助自制微信掃碼的理實(shí)一體化微課視頻，啟發(fā)學(xué)生，使學(xué)生參與PBL小組討論教學(xué)，最終借助個(gè)人仿真展演方式，動(dòng)態(tài)閉環(huán)體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和參與度；最后，在課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，引入多個(gè)探索性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和“西門子PLC科技創(chuàng)新訓(xùn)練”項(xiàng)目教學(xué)，助力課程的實(shí)踐教學(xué)和“西門子杯中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽”，進(jìn)一步體現(xiàn)課程的高階性和創(chuàng)新性。學(xué)生受益面廣，多方教學(xué)評(píng)教優(yōu)秀，用人單位評(píng)價(jià)高，有效培養(yǎng)了學(xué)生解決自動(dòng)化專業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，課程教學(xué)目標(biāo)和人才培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成程度高，該課程已經(jīng)被評(píng)為2021年省級(jí)線下一流課程，對(duì)西安航空學(xué)院建設(shè)陜西省一流學(xué)院有著重要的連帶推動(dòng)作用，也將對(duì)今后的若干年西安航空學(xué)院建設(shè)高水平的應(yīng)用型高等學(xué)校有著不可或缺的貢獻(xiàn)。