“電氣控制與PLC”課程教學(xué)方法改革探索

夏文鶴 楊青 秦連升

［摘 要］ 針對(duì)工程教育專業(yè)認(rèn)證和石油石化行業(yè)對(duì)自動(dòng)化專業(yè)人才的需求，分析了“電氣控制與PLC”課程的特點(diǎn)和在實(shí)際教學(xué)中存在的問(wèn)題。結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)指標(biāo)點(diǎn)，調(diào)整課程教學(xué)目標(biāo)與之對(duì)應(yīng)。引入在線開放課程提升授課靈活性，并豐富了師生互動(dòng)的渠道。結(jié)合新的時(shí)代背景，重點(diǎn)進(jìn)行課程資源建設(shè)，通過(guò)多種渠道大幅增加教學(xué)案例，引入項(xiàng)目式教學(xué)法提高學(xué)生興趣，并增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)強(qiáng)化學(xué)生實(shí)際操作能力。通過(guò)一系列的教學(xué)改革措施，切實(shí)提升教學(xué)效果，使該課程的教學(xué)模式更符合行業(yè)對(duì)自動(dòng)化專業(yè)人才的培養(yǎng)要求。

［關(guān)鍵詞］ 工程教育認(rèn)證；案例式教學(xué)；項(xiàng)目教學(xué)法；電氣控制

［基金項(xiàng)目］ 2021年度西南石油大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目“深度融合信息技術(shù)一體三翼的自動(dòng)化專業(yè)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)資源建設(shè)”（XYJ2021020）

［作者簡(jiǎn)介］ 夏文鶴（1978—），男，四川成都人，博士，西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院副教授，主要從事油氣田自動(dòng)化研究；楊 青（1980—），女，河南羅山人，博士，西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院教授，主要從事自動(dòng)控制領(lǐng)域的教學(xué)研究；秦連升（1986—），男，河南信陽(yáng)人，博士，西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院講師，主要從事自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)課程和檢測(cè)裝置及控制系統(tǒng)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）32-0061-04 ［收稿日期］ 2022-07-15

引言

工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的三大核心理念是以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向的教育體系，以及持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量觀［1］。1981年Spady率先提出產(chǎn)出導(dǎo)向教育（OBE教育理念），被教育界一致認(rèn)為是追求卓越教育的正確方向，《華盛頓協(xié)議》全面接受了OBE教育理念。按照OBE教育理念，基層主體對(duì)象是學(xué)生和教師，基本元素是課程和教研室［2］。

西南石油大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)成立于1998年，專業(yè)承襲西南石油大學(xué)能源發(fā)展的優(yōu)勢(shì)和特色，并面向四川省“5+1”產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展需求，培養(yǎng)智能制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)所需的自動(dòng)化人才，2021年獲批四川省一流專業(yè)，目前形成了電氣控制和工業(yè)過(guò)程控制兩個(gè)基本專業(yè)方向，以石油化工、機(jī)器人工程、智能控制技術(shù)為專業(yè)特色的工程應(yīng)用型自動(dòng)化本科專業(yè)。

在工程教育認(rèn)證建設(shè)背景下，確定了西南石油大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，要求學(xué)生掌握自動(dòng)化領(lǐng)域的基本理論、基本知識(shí)和專業(yè)技能，并能在工業(yè)企業(yè)、科研院所等部門從事有關(guān)電氣控制、過(guò)程控制、自動(dòng)化儀表和設(shè)備、智能監(jiān)控系統(tǒng)等方面的工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行管理與維護(hù)、企業(yè)管理與決策、科學(xué)研究和教學(xué)等工作。

一、當(dāng)前的教學(xué)狀況

“電氣控制與PLC”課程是電氣技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、可編程控制器技術(shù)三大技術(shù)發(fā)展的交匯點(diǎn)，因此在石油石化行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。各石油高校的自動(dòng)化、電氣工程、測(cè)控類專業(yè)均開設(shè)電氣控制類課程，如“電氣控制與PLC”“控制電機(jī)”“可編程控制器系統(tǒng)”等，但該類課程是多種知識(shí)的綜合應(yīng)用，具有面廣點(diǎn)多的特點(diǎn)，在教學(xué)中主要存在以下問(wèn)題［3］。

（一）教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容不匹配

采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法和多媒體教學(xué)，很難在短時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生體會(huì)到電氣控制這一龐大系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，尤其是可編程控制器系統(tǒng)，學(xué)生往往只能是走馬觀花地了解其皮毛。

（二）教學(xué)資源老化

由于該項(xiàng)技術(shù)正在經(jīng)歷突飛猛進(jìn)的發(fā)展，一些具有重大革新的技術(shù)也不斷地融于可編程控制器當(dāng)中，這樣就使得現(xiàn)有以傳統(tǒng)接觸器、繼電器控制系統(tǒng)為主的教材內(nèi)容與新技術(shù)的發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，面向行業(yè)高校的教學(xué)資源更是鳳毛麟角。

（三）欠缺充分的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)

由于學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多，在完成正常教學(xué)內(nèi)容的前提下，該課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容安排相對(duì)較少，有的甚至因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的限制，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，或是以教師的演示教學(xué)為主，很難達(dá)到對(duì)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

上述存在的問(wèn)題直接影響到學(xué)生基本動(dòng)手能力的培養(yǎng)，與工程教育中提到的工程能力和產(chǎn)出導(dǎo)向的理念背道而馳。隨著我國(guó)智能智造在各行業(yè)技術(shù)的大力推進(jìn)，行業(yè)人才結(jié)構(gòu)的不合理和教育資源不足的問(wèn)題已經(jīng)顯現(xiàn)，應(yīng)用型、技能型人才非常缺乏，尤其是能結(jié)合行業(yè)的特點(diǎn)構(gòu)建電氣控制系統(tǒng)的復(fù)合型人才嚴(yán)重匱乏。因此，各行業(yè)高校必須采取措施提高該行業(yè)內(nèi)自動(dòng)化類專業(yè)畢業(yè)生的業(yè)務(wù)能力。故借西南石油大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)工程教育認(rèn)證建設(shè)的契機(jī)，對(duì)“電氣控制與PLC”類課程的講授內(nèi)容和方法進(jìn)行了一些改革嘗試。

二、教學(xué)改革的具體內(nèi)容

（一）調(diào)整教學(xué)目標(biāo)

針對(duì)工程教育和石油石化行業(yè)的培養(yǎng)要求，基于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)“電氣控制與PLC”課程的教學(xué)目的進(jìn)行了梳理，并結(jié)合多位畢業(yè)生對(duì)該課程的反饋意見，制定了明確的課程教學(xué)目標(biāo)，確定課程主要是以電動(dòng)機(jī)或其他執(zhí)行電器為控制對(duì)象，讓學(xué)生掌握常用低壓電器的原理和選用原則，掌握電氣控制線路的基本規(guī)律、電氣控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)方法；掌握可編程控制器的基本指令、編程方法及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等基本應(yīng)用技術(shù)。具體的畢業(yè)要求與課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

（二）教學(xué)方法的改革

教學(xué)方法的改革是教學(xué)改革的重點(diǎn)，本課程電路分析內(nèi)容占比大，在具體的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)課程的興趣和效率在進(jìn)行一段時(shí)間電路分析之后會(huì)大幅下降。針對(duì)教學(xué)方法暴露出的突出問(wèn)題，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)1、2、3的要求，除課堂教學(xué)外，將課程中關(guān)鍵電路的分析及編程技巧的詳細(xì)講解，采用中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)自建在線開放課程，讓學(xué)生能根據(jù)自己的實(shí)際情況靈活安排預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和鞏固的時(shí)間，切實(shí)提升學(xué)習(xí)效果，提高目標(biāo)達(dá)成度［4］。

2020年2—6月，針對(duì)每一個(gè)重點(diǎn)及難點(diǎn)內(nèi)容，課程組教師完成了授課視頻的錄制，包括22個(gè)授課視頻、30多個(gè)重點(diǎn)及難點(diǎn)講解視頻和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)擴(kuò)展視頻，總時(shí)長(zhǎng)大約3 000分鐘，建立起課程在線教學(xué)授課視頻庫(kù)，并于2020年3月在中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)上線。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，制作了統(tǒng)一風(fēng)格的在線標(biāo)準(zhǔn)課件，收集了200余份與課程內(nèi)容相關(guān)的擴(kuò)展閱讀資料，還建立了包含大約240道習(xí)題的在線題庫(kù)，也一并在中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)上線，形成了線上線下混合式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的“以文本解讀為主”轉(zhuǎn)向了以“圖、文、聲、像”相結(jié)合。自2020年3月以來(lái)，一共開課4期，累計(jì)2 000多人次通過(guò)網(wǎng)站進(jìn)行了學(xué)習(xí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，除了使用教材，也可在MOOC平臺(tái)上觀看教學(xué)視頻、完成線上作業(yè)和測(cè)驗(yàn)、與教師進(jìn)行互動(dòng)等。這使得教材真正立體化，為學(xué)生和教師提供全方位的服務(wù)，混合式教學(xué)改革實(shí)踐為本課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度的提高提供了有力的支撐。

（三）教學(xué)資源的擴(kuò)充

針對(duì)教學(xué)資源老化的問(wèn)題，此次教改在維持總學(xué)時(shí)48學(xué)時(shí)不變的情況下，針對(duì)教學(xué)目標(biāo)1、2、4的要求大幅增加案例式教學(xué)的學(xué)時(shí)數(shù)，共計(jì)約12學(xué)時(shí)。通過(guò)課前收集的西門子、三菱、羅克韋爾、歐姆龍、博世、貝加萊等公司在石油石化行業(yè)成熟、經(jīng)典的電氣控制與PLC系統(tǒng)資料作為教學(xué)案例。同時(shí)充分利用學(xué)校新建的西門子電氣控制實(shí)驗(yàn)室、羅克韋爾遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室等配備的主流電氣控制與PLC設(shè)備，將高年級(jí)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子大賽的成果轉(zhuǎn)換為多套教學(xué)演示設(shè)備，用于各關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)演示，將實(shí)驗(yàn)室變?yōu)槭谡n教室，進(jìn)行體驗(yàn)式案例教學(xué)，將枯燥的理論知識(shí)和電路分析轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)的演示，大幅提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，以作業(yè)和線上討論的形式鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)各種渠道了解電氣控制與PLC技術(shù)在各類企業(yè)中的應(yīng)用情況，以及在智能智造領(lǐng)域中的作用，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)擴(kuò)展知識(shí)面的積極性。

（四）強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)

教學(xué)目標(biāo)4是此次教改的難點(diǎn)，為進(jìn)一步提升其達(dá)成度，本次教改嘗試將專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐和課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與電氣控制課程相結(jié)合。這兩個(gè)課后延伸環(huán)節(jié)均強(qiáng)調(diào)與工程背景的緊密接合，教改中利用項(xiàng)目教學(xué)法的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力。結(jié)合學(xué)校面向石油行業(yè)的學(xué)科背景［5］，在上述兩環(huán)節(jié)中選擇抽油機(jī)運(yùn)行控制、煉化線工藝控制、油氣管線調(diào)配控制、機(jī)場(chǎng)行李傳送帶等作為設(shè)計(jì)題目，由學(xué)生根據(jù)工程實(shí)際自行設(shè)計(jì)電氣控制方案和電路、PLC程序、線路接線方案等，并在實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行驗(yàn)證，加深其對(duì)電氣控制系統(tǒng)的理解，并提升學(xué)生對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。這種教學(xué)方法非常適合用于“電氣控制與PLC”類課程的課后延伸環(huán)節(jié)。以煉化線工藝控制為例，說(shuō)明項(xiàng)目教學(xué)法在電氣控制課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的過(guò)程（見表2）。

（五）教改效果

以2021年春季學(xué)期的“電氣控制與PLC”課程為例，該學(xué)期共開設(shè)了4個(gè)平行教學(xué)班，其中兩個(gè)教學(xué)班實(shí)施了教學(xué)改革，兩個(gè)教學(xué)班為傳統(tǒng)教學(xué)方式。教改班與對(duì)照班的期末考試卷面成績(jī)對(duì)比見表3。教改班與對(duì)照班相比，優(yōu)勢(shì)比較明顯。這充分說(shuō)明通過(guò)教學(xué)改革，提高了學(xué)生的參與度，學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)逐漸轉(zhuǎn)向主動(dòng)學(xué)習(xí)，從而保證了知識(shí)的有效掌握，提高了教學(xué)質(zhì)量。

結(jié)語(yǔ)

本次教學(xué)改革根據(jù)行業(yè)高?！半姎饪刂婆cPLC”課程的特點(diǎn)和實(shí)際情況，結(jié)合國(guó)家工程教育的要求和石油行業(yè)的實(shí)際需求，從教學(xué)目標(biāo)、模式、教學(xué)方式方法、教學(xué)資源等方面進(jìn)行了一系列改革嘗試。通過(guò)教學(xué)改革，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。此外，工程教育理念的實(shí)施，不僅幫助學(xué)校改善了辦學(xué)環(huán)境，還切實(shí)提升了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，也提升了教師的教學(xué)水平。該計(jì)劃的實(shí)施是一項(xiàng)長(zhǎng)期、艱巨的工作，需要在今后的教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步落實(shí)和完善培養(yǎng)方案，相信只要廣大教師多到生產(chǎn)一線去鍛煉和學(xué)習(xí)，提高自身的專業(yè)素質(zhì)，然后再由企業(yè)回到課堂，改變?cè)械慕虒W(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容，真正落實(shí)計(jì)劃的培養(yǎng)目標(biāo)，其教學(xué)水平和效果定會(huì)有更大的提升。

參考文獻(xiàn)

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Exploration on the Teaching Method Reform of Electrical Control and PLC

XIA Wen-he， YANG Qing， QIN Lian-sheng

（School of Electrical Engineering and Information， Southwest Petroleum University， Chengdu，

Sichuan 610500， China）

Abstract： According to the professional certification of engineering education and the demand for automation professionals in petroleum and petrochemical industry， the characteristics of “Electrical Control and PLC” course and the problems existing in practical teaching are analyzed. Combine the professional training objectives and graduation index points to adjust the corresponding course teaching goals. The introduction of online teaching channels improves the flexibility of online teaching， and enriches the flexibility of teachers and students， Combined with the new era background， focus on the construction of curriculum resources， greatly increase teaching cases through various channels， introduce project-based teaching method to improve students interest， increase and adjust practical teaching links， and strengthen students practical operation ability. Through a series of teaching reform measures， the teaching effect has been effectively improved， and the teaching mode of the course is more in line with the training requirements of the industry for automation professionals.

Key words： engineering education certification; case teaching; project teaching method; electric control