電氣控制與PLC原理課程立體化教學(xué)模式探索

李建寧

(杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院，浙江杭州，310018)

一、引言

教育部“金課”建設(shè)計劃和一流課程“雙萬計劃”的提出和實施[1]，不僅對傳統(tǒng)課程實施的高質(zhì)量提出了要求，而且體現(xiàn)了對人才培養(yǎng)結(jié)果的高質(zhì)量關(guān)注。電氣控制與PLC原理是一門同時具有理論性和實踐性的自動化及其相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其將各類以電動機為動力裝置的系統(tǒng)視為被控對象，采用PLC控制技術(shù)實現(xiàn)相應(yīng)的生產(chǎn)過程，在電力、石油、化工等相關(guān)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。[2]然而，現(xiàn)有的PLC課程教學(xué)更側(cè)重于理論概念的灌輸、梯形圖畫法講解和專業(yè)術(shù)語的描述，忽略了學(xué)生動手實踐操作能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致在復(fù)雜概念的影響下學(xué)生的主動學(xué)習(xí)積極性不高，進而負面影響教學(xué)效果和學(xué)生實踐能力培養(yǎng)的實效。[3-5]同時，傳統(tǒng)的期末考試對檢驗學(xué)生是否掌握所學(xué)知識點尚且不夠。[6]因此，高校迫切需要改革電氣控制與PLC原理課程的教學(xué)體系與考核方式，可以引入自動控制系統(tǒng)中的“反饋”及“優(yōu)化”理念，建立起方式多樣化、內(nèi)容多元化的立體化教學(xué)模式。

二、傳統(tǒng)電氣控制與PLC原理課程教學(xué)模式及考核方式存在的不足

電氣控制與PLC原理課程是高校自動化專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的一門核心專業(yè)課，是提升學(xué)生工程應(yīng)用實踐能力的主干課程，其為學(xué)生今后走上工作崗位打下堅實的專業(yè)技能基礎(chǔ)。下文將從教學(xué)現(xiàn)狀、考核方式和學(xué)生特征三個方面分析當(dāng)前電氣控制與PLC原理課程教學(xué)模式及考核方式存在的問題。

(一)教學(xué)現(xiàn)狀

一直以來，教師在講授電氣控制與PLC原理課程過程中，過分重視對機理概念的講解，而忽視了實驗的重要作用。教師往往采用傳統(tǒng)的“填鴨式”灌輸模式對學(xué)生進行教學(xué)，使學(xué)生把學(xué)習(xí)的重心放在背誦知識點上。這造成學(xué)生對電氣控制與PLC原理課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)認識不到位，動手能力不夠強等問題。同時，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)僅限于幾個簡單的模擬驗證性實驗。在實驗過程中，學(xué)生無須獨立思考，只需按部就班地輸入程序，不能充分進行獨立自主探索并參與到探討式學(xué)習(xí)中。這既不利于學(xué)生形成工程意識、掌握工程知識，又不利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題及設(shè)計開發(fā)解決方案和獨立研究的能力。雖然在教學(xué)中也有與實際控制過程相結(jié)合的案例，但基本知識和案例融合的緊密程度仍然不足。很多學(xué)生對實驗設(shè)備和工程應(yīng)用等實際應(yīng)用問題是保有興趣的，教師可以充分利用現(xiàn)有PLC實驗教學(xué)平臺進一步開展更為復(fù)雜的PLC實驗教學(xué)，實現(xiàn)理論與實踐在真正意義上的統(tǒng)一，加深學(xué)生對電氣控制與PLC原理課程的理解。

(二)考核方式

傳統(tǒng)的課程教學(xué)評價體系通常由平時成績、考試成績和實驗成績?nèi)糠纸M成，三者被賦予相應(yīng)的系數(shù)，這三部分與系數(shù)的線性組合形成學(xué)生的最終成績。由于傳統(tǒng)實驗操作過于簡單且賦值較低，一些學(xué)生為了提升最終成績而過度重視試卷所考的理論內(nèi)容，弱化了實際操作能力。學(xué)生對電氣控制與PLC原理課程實際掌握的綜合能力不能真正有效地從最終成績中反映出來。因此，高校需要引入新的考核方式，這不僅能夠反過來促進教學(xué)方法的優(yōu)化，又能通過及時的反饋實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的最終穩(wěn)定，從而達到課程的教學(xué)目的。

(三)學(xué)生特征

一些自動化專業(yè)學(xué)生存在學(xué)習(xí)目標不明確、基礎(chǔ)不扎實等問題，其在課堂上的效率有時也難以保證。如果教師對學(xué)生的教育引導(dǎo)不到位，就會加劇學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足的問題，最終難以實現(xiàn)預(yù)期教學(xué)效果，不能達成教學(xué)目標。專業(yè)基礎(chǔ)不扎實的問題甚至?xí)绊憣W(xué)生今后的就業(yè)。

立體化教學(xué)模式是一種新興教學(xué)理念，它結(jié)合新技術(shù)手段和新教學(xué)方法，將教師和學(xué)生、理論教學(xué)與實踐教學(xué)、教學(xué)方式與考核方法緊密結(jié)合起來。同時，立體化教學(xué)模式引入了自動控制理論中的“反饋”和“優(yōu)化”理念，構(gòu)建起一個完整的、豐富的、互動的課程系統(tǒng)的教學(xué)模式，使課堂教學(xué)的廣度和深度得到進一步擴展，可以從整體上提高課程的教學(xué)質(zhì)量、提升學(xué)生的綜合能力。因此，構(gòu)建電氣控制與PLC原理課程的立體化教學(xué)模式對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生的實際動手能力、培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識解決復(fù)雜實際問題的能力有重要意義。

三、立體化教學(xué)模式下電氣控制與

PLC原理課程建設(shè)探索

針對電氣控制與PLC原理課程教學(xué)過程中存在的問題，結(jié)合新時代對工科專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備的素質(zhì)和能力要求，基于課程特點和學(xué)生特征，下文將圍繞教學(xué)目標優(yōu)化、課程內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計、多元化教學(xué)方法、輔助教學(xué)手段及考核方法五個方面進行立體化教學(xué)模式下課程建設(shè)探索，總體課程建設(shè)思路如圖1所示。

圖1 立體化教學(xué)模式下電氣控制與PLC原理課程建設(shè)探索思路

(一)教學(xué)目標優(yōu)化

根據(jù)電氣控制與PLC原理的課程所具備的特性，教師首先要優(yōu)化教學(xué)目標。第一，幫助學(xué)生樹立正確的系統(tǒng)設(shè)計思想，培養(yǎng)學(xué)生基本的設(shè)計能力、開發(fā)創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力；讓學(xué)生了解現(xiàn)代電氣控制技術(shù)的發(fā)展趨勢以及電氣工程自動化系統(tǒng)的總體布局、設(shè)計步驟。第二，學(xué)生應(yīng)掌握電氣控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)具有的基礎(chǔ)知識，初步具備一般電氣系統(tǒng)設(shè)計和分析的能力。第三，學(xué)生應(yīng)掌握PLC系統(tǒng)設(shè)計的硬件選型與配置方法，掌握典型PLC的使用及軟件編程方法，初步具備PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計能力。教師要將教學(xué)目標的重心放在學(xué)生基本實驗技能上，注重培養(yǎng)學(xué)生制訂實驗方案并有效開展實驗的能力，讓學(xué)生在實驗分析和調(diào)試過程中積累工程經(jīng)驗。

(二)課程內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計

電氣控制與PLC原理課程內(nèi)容包含電氣的基本知識、電氣控制線路基礎(chǔ)、S7-200基礎(chǔ)知識、PLC的基本指令及順序控制基本指令等。其內(nèi)容量大而教學(xué)學(xué)時不足，教師可根據(jù)上一階段終結(jié)性評價指標的反饋情況，將個別章節(jié)部分進行刪減，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的重點。教師可以將授課內(nèi)容分為教師精講和教師輔助學(xué)生討論探究，使課堂教學(xué)有所側(cè)重，既保證知識的系統(tǒng)性，又避免面面俱到。第一，在教師精講部分，教師可以通過案例講解，引入PLC梯形圖的動態(tài)演示，將各基本概念、原理及方法等知識點進行簡單化、實用化、具體化、形象化的操作；進一步將工程實際的案例融入教學(xué)內(nèi)容，利用視頻實驗或掌上PLC現(xiàn)場演示實驗可以讓學(xué)生體會到PLC在實際生活過程中的具體應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力和創(chuàng)新思維。除了介紹基本理論內(nèi)容，教師還應(yīng)補充介紹當(dāng)前PLC技術(shù)發(fā)展的前沿課題，讓學(xué)生在有限的課堂教學(xué)學(xué)時內(nèi)盡可能擴展知識面。第二，在學(xué)生討論研究部分，課前，教師提出問題范圍，讓學(xué)生通過圖書館、網(wǎng)絡(luò)查閱資料，并通過直播引導(dǎo)、微信實時在線解答等多種方式實現(xiàn)輔助教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、解決問題的能力。在課上，教師根據(jù)問題范圍，實行闖關(guān)測試，讓學(xué)生自由分組，在互動中討論并解決問題，進一步培養(yǎng)學(xué)生的團結(jié)合作意識及協(xié)作能力。

(三)多元化教學(xué)方法

教師應(yīng)改變傳統(tǒng)“教師—電子教案—學(xué)生”的課堂教學(xué)培養(yǎng)模式為“學(xué)生案例討論—教師講授—學(xué)生案例討論”的課堂教學(xué)，針對不同的教學(xué)內(nèi)容，選擇多種教學(xué)方法進行學(xué)生的創(chuàng)新思維訓(xùn)練和培養(yǎng)，如五步(連接、呈現(xiàn)、體驗、反思、應(yīng)用)優(yōu)化教學(xué)法、討論教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動法、案例教學(xué)法、啟發(fā)式教學(xué)法等。教師將五步優(yōu)化教學(xué)法應(yīng)用于電氣控制與PLC原理課程教學(xué)，通過小班式的教學(xué)方式，明確所采用的教學(xué)方法對課程質(zhì)量提升的效度。同時，教師可以依托“互聯(lián)網(wǎng)+”，結(jié)合MOOC和SPOC形成線上線下混合教學(xué)方法，通過“課前+課中+課后”三個階段激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[7]，并與課程設(shè)計相呼應(yīng)。在課前階段，教師提出任務(wù)要求，讓學(xué)生提前準備，并輔以師生討論；在課中階段，教師利用教室、SPOC平臺和實驗進行課程精講，同時鍛煉學(xué)生的實際動手能力；在課后階段，教師通過考察報告、作業(yè)等形式來初步判斷學(xué)生對知識點的掌握情況。

(四)輔助教學(xué)手段

課堂教學(xué)難免會存在外部干擾，尤其是在新媒體技術(shù)發(fā)達的當(dāng)今社會，電子產(chǎn)品成為學(xué)生課堂學(xué)習(xí)專注力的主要干擾因素。同時，如果學(xué)生本身目標不明確、基礎(chǔ)不扎實，那么其在課堂學(xué)習(xí)中的效果會更差。對此，教師可以利用智慧樹、雨課堂等建設(shè)課程網(wǎng)絡(luò)平臺，采用現(xiàn)代教學(xué)手段解決課程教學(xué)內(nèi)容的抽象性和過于理論化的難題，革新相關(guān)知識點的基本概念、難點及相應(yīng)原理的教學(xué)手段。例如：利用智慧樹中的相關(guān)視頻實現(xiàn)學(xué)生的課前預(yù)習(xí)，讓學(xué)生帶著疑問來到課堂，優(yōu)化課程教學(xué)過程；將雨課堂與PPT結(jié)合使用，針對學(xué)生的“低頭族”現(xiàn)象，穿插視頻演示提高學(xué)生的抬頭率，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力與興趣，并插入所講知識點的點評與評價，以了解學(xué)生對當(dāng)前知識點的掌握情況。同時，教師還可以利用多媒體引入在線實驗演示，讓學(xué)生熟悉系統(tǒng)的控制原理及控制方式，幫助學(xué)生進一步了解電氣控制與PLC原理課程中的機理知識和實際控制系統(tǒng)的操作使用方法。

(五)考核方法

原有電氣控制與PLC原理課程的考核評價如表1所示。

表1 原有考核評價形式

應(yīng)用性是電氣控制與PLC原理課程的主要特點，期末考試試卷不足以全面檢驗學(xué)生對所學(xué)知識的掌握程度。在原有考核方式中，期末卷面成績占比過大，這直接導(dǎo)致了學(xué)生重理論而輕實踐。同時，原有的實驗由于過于簡單，學(xué)生只需按照指導(dǎo)手冊按部就班操作即可，無法真正鍛煉學(xué)生的實際操作能力。為改革現(xiàn)有的教學(xué)評價與考核方式，建立方式多樣化、內(nèi)容多元化的立體化考核體系；兼顧教學(xué)過程和結(jié)果，實時優(yōu)化教學(xué)過程，筆者構(gòu)建了“形成性評價”與“終結(jié)性評價”相結(jié)合的立體化評價考核體系，如表2所示。

表2 立體化教學(xué)評價體系

具體來說，第一，教師要對學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)平臺中完成的學(xué)習(xí)、課后作業(yè)、課堂討論研究等形成性過程進行綜合評價考核，并結(jié)合督導(dǎo)建議進一步優(yōu)化學(xué)期中的教學(xué)方法，對當(dāng)前存在的不足進行實時動態(tài)調(diào)整。第二，學(xué)期末輔以綜合考試成績、擴展實驗成績檢驗教學(xué)成果，為下一學(xué)期的教學(xué)設(shè)計提供參考。因此，合理的考核方案實施，不僅可以有效檢查各個階段的教學(xué)效果，還能方便教師對學(xué)生的知識、能力及職業(yè)素質(zhì)等進行判斷，進而有針對性地提高人才培養(yǎng)水平。

四、立體化教學(xué)模式的分析與思考

與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，立體化教學(xué)模式除了嘗試“學(xué)生為主、教師為輔”的教學(xué)方式變革，還構(gòu)建起形成性評價和終結(jié)性評價結(jié)合的立體化評價方法，效果顯著。

第一，在“互聯(lián)網(wǎng)+”導(dǎo)向的基礎(chǔ)上，利用智慧樹、雨課堂等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)參與程度明顯提升。同時，網(wǎng)上優(yōu)質(zhì)共享資源進一步拓展了教師在教學(xué)內(nèi)容上的廣度與寬度。

第二，課堂討論環(huán)節(jié)充分體現(xiàn)了學(xué)生為中心的理念，讓學(xué)生自主提出問題、解決問題，通過合作培養(yǎng)了學(xué)生的團結(jié)合作能力以及思考分析問題的能力。

第三，立體化評價體系的構(gòu)建，結(jié)合了“反饋”和“優(yōu)化”理念，教師不僅可以根據(jù)形成性評價解決在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，而且可以根據(jù)終結(jié)性評價判斷這一階段整體的教學(xué)效果，為下一階段教學(xué)設(shè)計打好基礎(chǔ)。

第四，教師自身的能力得到提升，其在提高課堂精講授課能力的同時，也鍛煉了多元化課堂的構(gòu)建能力、課堂討論題目及擴展實驗的設(shè)計能力以及課堂的組織能力。

五、結(jié)語

本文為改善電氣控制與PLC原理課程現(xiàn)有教學(xué)模式的不足，針對現(xiàn)有學(xué)生特征，初步探索了立體化教學(xué)模式。根據(jù)課程的教學(xué)目標，將教學(xué)方法進一步設(shè)計為兩個獨立模塊，課內(nèi)包括教師精講部分、學(xué)生討論探究部分和擴展實驗部分；課外主要包含分組討論、教師輔導(dǎo)答疑和課程擴展實踐活動。對教學(xué)效果采取立體化評價考核體系，主要有：利用學(xué)生反饋信息、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺考核、督導(dǎo)評估、學(xué)生作業(yè)等形成性評價指標優(yōu)化學(xué)期中的教學(xué)方法；利用考試成績和擴展實驗成績等終結(jié)性評價指標對下次課程教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)進行反饋修正。整個實施過程是一個多閉環(huán)系統(tǒng)，且是一個持續(xù)改進、不斷修正的過程，最終可以達到課程的實施效果與預(yù)先教學(xué)目標趨于一致，即閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定。