可編程控制器課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

鄭海春

（西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院 四川 成都 610039）

可編程控制器（programable logic controller，PLC）是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)核心課程，PLC將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入自動(dòng)控制中，使軟、硬件結(jié)合、相互滲透，具有實(shí)踐性、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，它的應(yīng)用幾乎覆蓋了所有工業(yè)、企業(yè)的電氣控制系統(tǒng)。PLC 的課程目標(biāo)是使學(xué)生獲得PLC 工作原理、軟硬件資源、指令系統(tǒng)、控制系統(tǒng)編程方法、組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等知識(shí)；掌握PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)等技能；養(yǎng)成安全第一、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、勇于創(chuàng)新等素質(zhì)。

為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部在2017年啟動(dòng)“新工科”建設(shè)，高等學(xué)校必須主動(dòng)進(jìn)行改革，才能適應(yīng)企業(yè)和國(guó)家對(duì)創(chuàng)新型人才的需求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)升級(jí)改造不斷加快，市場(chǎng)對(duì)PLC 技術(shù)人才的能力需求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的教育已不能滿(mǎn)足用人單位的急切要求。因此，探索新的教學(xué)方法、提升PLC 教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

1 教學(xué)中的“痛”點(diǎn)

1.1 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)偏少，實(shí)驗(yàn)設(shè)備過(guò)時(shí)

PLC 課程總共40 學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)8 學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)比例偏低。這與該門(mén)課程實(shí)踐性、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)不相適應(yīng)，不能充分鍛煉學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng)新能力。課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是三菱的FX2N 系列小型PLC，該系列產(chǎn)品目前已處于停產(chǎn)狀態(tài)。而且由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備最初設(shè)計(jì)時(shí)缺少工業(yè)上廣泛使用的模擬量模塊、編碼器、觸摸屏、工業(yè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口、變頻器、伺服機(jī)構(gòu)等，學(xué)生的大部分實(shí)驗(yàn)只能針對(duì)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量控制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏高階性、系統(tǒng)性、挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性，與工廠自動(dòng)化需求脫節(jié)。

1.2 教學(xué)方法單一，理論與實(shí)踐分離

傳統(tǒng)的PLC課程教學(xué)普遍是以教師為中心，教學(xué)活動(dòng)圍繞教師、教材、教室三個(gè)中心展開(kāi)，課堂講授面面俱到，教師無(wú)暇顧及學(xué)生個(gè)體的學(xué)習(xí)效果。學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，聽(tīng)課、記筆記，這樣的課堂已無(wú)法適應(yīng)移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代學(xué)生獲取知識(shí)渠道、方式和態(tài)度的變化。優(yōu)質(zhì)的國(guó)家級(jí)精品開(kāi)放課、MOOC 等資源豐富而生動(dòng)，傳統(tǒng)課堂面臨巨大挑戰(zhàn)。學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)無(wú)新鮮感、無(wú)興趣，主動(dòng)性差，思維不活躍，甚至開(kāi)小差。

PLC課程普遍采用先講理論課，后上實(shí)驗(yàn)課的分階段方式，看似合理，實(shí)則硬生生將理論與實(shí)踐分離。導(dǎo)致課堂上老師所講的理論和編寫(xiě)的程序，學(xué)生無(wú)法即時(shí)驗(yàn)證，成就感不高。而真正等到實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生有興趣的時(shí)候，才發(fā)現(xiàn)前面老師講的很多內(nèi)容當(dāng)時(shí)沒(méi)有認(rèn)真聽(tīng)，這時(shí)課程也接近尾聲了。理論與實(shí)踐的分離，學(xué)生學(xué)習(xí)效果差，達(dá)不到應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

1.3 考核方式不合理，與課程目標(biāo)“偏離”

本門(mén)課程實(shí)踐性、實(shí)用性強(qiáng)，課程目標(biāo)不僅要求學(xué)生掌握PLC 的基本原理、編程方法等知識(shí)，還應(yīng)具備PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)等技能，此外還需養(yǎng)成安全第一、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、勇于創(chuàng)新等素質(zhì)。目前PLC 課程的總成績(jī)由四部分構(gòu)成：平時(shí)成績(jī)（10%）、期中考試（10%）、實(shí)驗(yàn)成績(jī)（10%）、期末考試成績(jī)（70%）。期末考試采用試題（卷）的方式進(jìn)行考核，所占比重過(guò)大。過(guò)程性評(píng)價(jià)分值太低，不利于全面、真實(shí)、綜合地考核學(xué)生的知識(shí)、技能和素養(yǎng)。這一考核方式導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)的不良導(dǎo)向，只要考前突擊一下，刷刷題就能拿高分，偏離了課程應(yīng)有的方向和目標(biāo)。

2 教學(xué)改革探索與實(shí)踐

2.1 修訂教學(xué)大綱，構(gòu)建新的教學(xué)內(nèi)容體系

筆者通過(guò)廣泛調(diào)研學(xué)習(xí)，到省內(nèi)其他高校PLC實(shí)驗(yàn)室參觀交流，以及對(duì)自動(dòng)化工廠設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)的人才需求調(diào)研，了解到多數(shù)高校和企業(yè)對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生的要求是掌握西門(mén)子PLC 的硬件組態(tài)、軟件編程和工業(yè)組網(wǎng)。

西門(mén)子公司發(fā)布的TIA Portal（“博途”）全集成軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將所有自動(dòng)化軟件工具集成在統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)環(huán)境中，用戶(hù)能夠?qū)缀跛械奈鏖T(mén)子自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)、編程和調(diào)試?！拔鏖T(mén)子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽是目前國(guó)內(nèi)智能制造領(lǐng)域規(guī)模最大的學(xué)生類(lèi)競(jìng)賽之一，且該競(jìng)賽在2019年已進(jìn)入中國(guó)高教學(xué)會(huì)高校學(xué)科競(jìng)賽排行榜項(xiàng)目?？紤]到用人市場(chǎng)對(duì)PLC就業(yè)人才的要求，西門(mén)子PLC已是市場(chǎng)主流，為增加學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，課程組決定修訂教學(xué)大綱，構(gòu)建新的教學(xué)內(nèi)容體系，以改革促發(fā)展。

本校PLC 課程教學(xué)大綱修訂過(guò)程中大幅度增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)，由原來(lái)的8 學(xué)時(shí)提高到16 學(xué)時(shí)，解決實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)偏少問(wèn)題，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。課程新大綱還以市場(chǎng)對(duì)人才的需求為導(dǎo)向，探索以西門(mén)子S7-1200 PLC 為教學(xué)內(nèi)容的教材和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)。

教材建設(shè)是教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建的重要環(huán)節(jié)，好的教材可以引發(fā)學(xué)生深思。針對(duì)目前教材中存在大量手冊(cè)翻譯，敘述過(guò)于煩冗，重點(diǎn)不突出，結(jié)構(gòu)不系統(tǒng)，不能很好輔助學(xué)生自學(xué)的問(wèn)題，課程組自編以西門(mén)子S7-1200 為主要授課內(nèi)容的新形態(tài)教材。教材的編寫(xiě)側(cè)重以學(xué)生的視角安排章節(jié)，真正為學(xué)生服務(wù)，將教師多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)、感悟和體會(huì)融入教材編排，讓學(xué)生少走彎路，真正提高學(xué)生的自學(xué)效率。

在西門(mén)子實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的建設(shè)上，通過(guò)和生產(chǎn)企業(yè)合作，建設(shè)敞開(kāi)式、定制化、多層次的實(shí)驗(yàn)裝置，且嚴(yán)格按照工廠自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足PLC課程的實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、創(chuàng)新以及競(jìng)賽需求。敞開(kāi)式的實(shí)驗(yàn)裝置讓學(xué)生清晰看到模塊之間導(dǎo)線(xiàn)的連接和走向，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工業(yè)設(shè)備布線(xiàn)的視覺(jué)感。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，教師會(huì)讓學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)備，經(jīng)過(guò)小組討論后畫(huà)出整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的電氣原理圖、布置圖以及安裝接線(xiàn)圖，提高學(xué)生分析、設(shè)計(jì)和繪圖能力。

2.2 混合式教學(xué)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以教師為中心，采用講授法為主，師生間、學(xué)生間互動(dòng)不足，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得不到調(diào)動(dòng)，影響教學(xué)效果。筆者使用“學(xué)習(xí)通”工具平臺(tái)提升教學(xué)效果和延展教學(xué)環(huán)境，運(yùn)用“翻轉(zhuǎn)課堂”增強(qiáng)課堂互動(dòng)性，采用SPOC 資源豐富教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建“以學(xué)生為中心”理念下的混合式教學(xué)模式。教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括課前學(xué)習(xí)、課中內(nèi)化和課后拓展三個(gè)階段。

“學(xué)習(xí)通”工具平臺(tái)的使用，使得教學(xué)組織更加科學(xué)化，教學(xué)評(píng)價(jià)更加多元化，教學(xué)活動(dòng)更加多樣化，教學(xué)反饋更加即時(shí)化，學(xué)習(xí)體驗(yàn)更加生動(dòng)化。該教學(xué)模式不僅可以有效實(shí)現(xiàn)“課內(nèi)課外”“線(xiàn)上線(xiàn)下”的時(shí)空延展，還能通過(guò)提高學(xué)生課堂的參與度，激發(fā)學(xué)生的高階思維水平，使學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容產(chǎn)生濃厚的興趣，從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變成“我要學(xué)”。更為重要的是，通過(guò)“學(xué)習(xí)通”工具平臺(tái)強(qiáng)大的后臺(tái)數(shù)據(jù)支撐，教師可以關(guān)注到每位同學(xué)的學(xué)習(xí)情況，教師從“教育資源的輸出者”轉(zhuǎn)變成“高效、高質(zhì)量學(xué)習(xí)的促進(jìn)者”。真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)活動(dòng)圍繞“以學(xué)生為中心”的學(xué)生發(fā)展、學(xué)生學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)效果的新“三中心”。

2.3 搭建虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)

PLC課程需要理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，課程組為每位學(xué)生搭建虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的緊耦合。實(shí)踐證明，這種緊耦合行之有效，而且對(duì)激發(fā)學(xué)生興趣進(jìn)而主動(dòng)投入課程學(xué)習(xí)效果顯著。

虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)不受物理實(shí)驗(yàn)室的時(shí)空限制，真正是以學(xué)生為中心，對(duì)學(xué)生的課前預(yù)習(xí)、課后鞏固方便有效。課程組老師采用VMware 虛擬機(jī)的方式，為學(xué)生搭建實(shí)踐平臺(tái)并分享給學(xué)生。學(xué)生通過(guò)在自己的電腦上加載教師提供的虛擬機(jī)鏡像文件，輕松實(shí)現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)室搬到電腦里，為理論與實(shí)踐的無(wú)縫銜接以及混合式教學(xué)模式改革奠定了重要的實(shí)踐基礎(chǔ)。

2.4 構(gòu)建科學(xué)合理的課程評(píng)價(jià)體系

本次課程評(píng)價(jià)體系改革的指導(dǎo)思想是既重視教學(xué)過(guò)程中學(xué)生的學(xué)習(xí)行為記錄，也重視學(xué)生學(xué)習(xí)成果的檢查與考核，對(duì)學(xué)生的知識(shí)、技能和素養(yǎng)進(jìn)行綜合考核。

課程改革利用“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)工具，“學(xué)習(xí)通”為教師提供了豐富的信息化工具，方便開(kāi)展考勤簽到、討論、投票、隨堂測(cè)驗(yàn)、搶答、問(wèn)卷等活動(dòng)并由后臺(tái)自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)圖表。此外，通過(guò)“學(xué)習(xí)通”的視頻反芻比、教學(xué)預(yù)警等功能可以讓教師及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和效果，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，讓每一個(gè)學(xué)生都能夠積極參與到教學(xué)中去。

傳統(tǒng)的期中成績(jī)是采用紙質(zhì)試卷的線(xiàn)下方式，印制、批改、歸檔等工作流程煩瑣，靈活性差。改革后的期中考試全部采用“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)線(xiàn)上組卷，設(shè)置試卷定時(shí)發(fā)放、考試時(shí)長(zhǎng)、多題多卷、試題亂序、客觀題自動(dòng)閱卷等功能?？荚囆问饺圆捎镁€(xiàn)下教師監(jiān)考，學(xué)生攜帶手機(jī)進(jìn)入教室，直接在手機(jī)的“學(xué)習(xí)通”APP上作答，對(duì)于需要繪圖的設(shè)計(jì)性題目，學(xué)生在草稿紙上作答后直接拍照上傳。而且“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)的“監(jiān)考”功能可以讓教師隨時(shí)查看學(xué)生離開(kāi)“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)的次數(shù)，作為疑似作弊的重要依據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化考試、高效閱卷、自動(dòng)存檔功能，并且學(xué)生可以及時(shí)得到成績(jī)、答案、排名等考試信息的在線(xiàn)及時(shí)反饋。

改革后的實(shí)驗(yàn)成績(jī)所占比例由原來(lái)的10%提高到20%，這也是和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的增加以及進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐、動(dòng)手能力的課程目標(biāo)相適應(yīng)。改革前的實(shí)驗(yàn)課成績(jī)由操作成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)兩部分組成，各占實(shí)驗(yàn)課總成績(jī)的50%，但操作成績(jī)具體怎么評(píng)定沒(méi)有明確的指標(biāo)，而實(shí)驗(yàn)報(bào)告同學(xué)們完成的情況也都大同小異，無(wú)法分出層次，實(shí)驗(yàn)成績(jī)的高低不能真實(shí)反映學(xué)生的實(shí)踐、動(dòng)手能力的強(qiáng)弱，造成了實(shí)驗(yàn)課不積極、不主動(dòng)的惡性循環(huán)。為此，本次教學(xué)改革對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的成績(jī)?cè)u(píng)定方法進(jìn)行了細(xì)化，每次實(shí)驗(yàn)課都制定了詳細(xì)的內(nèi)容考核表，由老師逐項(xiàng)進(jìn)行打分，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情。

3 結(jié)論

針對(duì)可編程控制器教學(xué)的“痛”點(diǎn)，以課程教學(xué)要達(dá)到的人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，從教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)模式、實(shí)踐平臺(tái)、考核評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行改革和實(shí)踐。提高了教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，由“被動(dòng)學(xué)”變?yōu)椤爸鲃?dòng)學(xué)”，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，促進(jìn)了可編程控制器課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合素質(zhì)、就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的提高。