比較教學法在遠洋漁船自動化教學改革中的應用

陳甜

[摘 要]遠洋漁業船員機艙部高級船員自動化課程的培訓難點主要在自動控制部分，本文介紹了單片機和可編程邏輯控制器的區別和聯系，對兩門漁船自動化的先導課程進行了比較和剖析，詳細闡述了教學過程中采用比較教學法對提高漁船船員的學習效率和技術水平方面的優勢，并通過具體數據驗證了相關結論。

[關鍵詞]電氣自動化;單片機;可編程邏輯控制器;比較教學

[中圖分類號]G641 [文獻標識碼]A

前言

比較教學法是指將內容相近的知識點經過提取和編排，組成比較式教學內容，引導學員通過比較、比照、類比等積極的比較思維，概括總結出知識點之間的異同，深刻理解所學的知識，進而形成比較式思辨能力的教學方法。

早期的遠洋漁業船員輪機長或大管輪的培訓，主要偏重熱工和機械方向，電子電氣居于次要地位。單片機目前國際上比較通用的名稱是微控制器簡稱MCU，它是現代檢測和控制領域不可或缺的組件。可編程邏輯控制器國際簡稱PLC，它是由傳統接觸器、繼電器控制系統結合計算機技術發展而來。單片機和PLC技術實際上是船舶電氣自動化的先導課程，它們銜接了傳統模擬控制技術和新時代的數字控制技術，對海洋和漁業工程人員的知識更新起著舉足輕重的作用。2015年1月1日實行的《中華人民共和國遠洋漁業船員管理辦法》遠洋漁業船員需配備電機員。對遠洋漁業船員電氣自動化知識的培訓程度越來越不容易把握，如何合理分配、銜接和掌握這兩門相互聯系的課程，一直是漁業船舶機艙部高級船員人員培訓的難點。

1 單片機和可編程邏輯控制器的區別和聯系

《中華人民共和國遠洋漁業船員管理辦法》于2015年實施后，遠洋漁業船員知識評估體系發生了很大改變，例如《漁船輪機基礎》理論考核取消，減少了考核科目，但把相應知識點分散到相應的主干課程中，如《船舶輔機》和《主動力推進裝置》。《船舶自動化》從大管輪和輪機長起也開始納入評估范圍，它和原《船舶電氣》合并，以《船舶電氣自動化》的形式出現。改革之后，知識和實踐聯系更為緊密，減輕了學員盲目學習的負擔，提高了學習效率和技術水平。計算機控制技術是《船舶電氣自動化》的專業基礎，在對遠洋漁業船員的培訓教學中，可編程邏輯控制器是以少學時的課程出現，但同時在《船舶電氣》課程里又以電氣控制技術的形式重復學習。兩個重復性學習的課程盡管起源不同，但它們之間又有著千絲萬縷的聯系。以下是單片機（微控制器）和PLC（可編程邏輯控制器）的異同：

單片機和PLC在實際的測控領域充滿著高度重疊。隨著PLC成本的降低、高速化和小型化，兩者的應用界限逐漸變得十分模糊。單片機目前的主要優勢在于超低功耗，PLC的主要優勢在于抗干擾。

2 傳統教學模式的課程配置和管理

浙江海洋大學的海洋和漁業工程專業是專門培訓遠洋漁業船員機艙部開設的航海類專業，開設課程的主體內容主要涉及船舶和海洋工程的動力部分和電氣工程的強電部分。傳統船舶電氣自動化教學模式的課程配置，以浙江海洋大學海洋和漁業工程專業為例，單片機課程設置在第二學年的第三學期，理論和實踐學時為24+8，培訓計劃安排必修大學物理和電工電子學課程之后;PLC課程設置在第三學年的第四學期，理論和實踐學時總和為24+8。兩門課程授課在培訓計劃的時段和形式上相對完全獨立。兩門課程的實踐項目分別是八項和四項。實際可編程邏輯控制器的四項實驗項目和單片機課程的實踐項目相近。初級PLC的應用，均能用單片機替代。單片機和可編程邏輯控制器是電氣自動化的核心器件，它們是連接基礎理論和技術應用的紐帶，起著承上啟下的作用。兩門課的總學時量為64課時，時間跨度長，而且授課內容相互重疊的部分很多。例如在內部結構上單片機與可編程邏輯器件均由相應的中央處理器、存儲器和輸入輸出接口構成;在技術實用技術方面，單片機和PLC應用技術均應用于船舶機艙自動控制領域，但在培訓機構的模擬機艙實踐環境下，兩者培訓所需的實踐學習項目區別很小。

很多漁船船員由于兩門課彼此分立，授課教師又極少將兩門課作比較學習，而兩種用作數據采集和系統控制的技術的很多應用領域重疊，導致即便是經過重復學習，依然不能分清兩者的區別和聯系。很多學員分甚至分不清弱電和強電系統分別會優先采用哪一種控制器。另一方面，因為缺乏比較對比，船員的實際應用會出現明顯混淆。例如，兩種控制器的運行方式和輸入輸出模式：單片機為逐行運行，逐行輸出;PLC為集中掃描，集中輸出。若孤立講授PLC集中掃描和輸出的運行方式，缺乏比較舉例，大多數學員不容易理解。

3 比較教學法的應用

3.1 比較教學的組織架構

單片機（微控制器）和PLC（可編程邏輯控制器）在應用過程中雖然同為自動控制系統單元，但長期作為兩門課程獨立教學，必然有其歷史的客觀的必要性。傳統的培訓模式往往是多年經驗累積的結果，教學計劃相對成熟和嚴密，貿然采用不成熟的教學改革方案，易給學員的專業實習帶來嚴重的不良影響。新的教學改革方案必須要經過嚴格的科學論證之后，才能付諸實施。作者在擔任浙江海洋大學遠洋船舶機艙部培訓《單片機原理及應用》課程和《PLC技術》課程的任課教師期間，只是建議將相應培訓計劃中原本并行的兩門少學時的課程分別安排在同一學期的前4周和后4周。在完成教學大綱基本要求的理論和實踐教學后，更注重將基礎理論應用于實際機艙環境的能力。所有時間項目都與當前自動化機艙各種前沿技術密切相關，并且重視將單片機技術和PLC技術可以重疊的應用實例作比較學習。

實踐項目的控制系統方案可以用單片機或PLC迭代實現。實踐項目的冗余設置，一方面可以強化兩者在實踐應用中的相似點，另一方面又在不斷的比較中，獲得對兩種控制器件更加深刻的認識。雖然在大多數機艙環境中，單片機和PLC（可編程邏輯控制器）可以互相替換，但是兩者在應用細節上有巨大差別：單片機的工作電壓一般較低，信號易受干擾，通常需要采用光電耦合的方式，隔離輸入輸出;單片機的驅動能力較弱，控制輸出時需要借助功率放大設備和外接驅動電源。盡管可編程邏輯控制器件首次配置的成本較高，但它具備不可忽視的優點：可靠性高、操作簡單、驅動能力強、硬件組合易于實現和擴展。通常在要求較高和系統較復雜的狀況下，采用單片機為核心的控制系統最終的性價比反而會低于PLC。

通過以上教學組織和教學內容的調整，將單片機和比較學習，學員通常對單片機和PLC技術的理解會相對加深，同時也能鍛煉學員將知識應用于實踐的能力。在電氣控制系統的控制模塊的選擇上，將會形成初步的認識。

3.2 整體教學的優勢和所需注意的問題

將兩門課程在培訓計劃的教學順序調整后，還需在具體教學過程中注意相關細節：

（1）單片機在弱電系統中應用比較廣泛，可編程邏輯控制器主要用于弱點與強電的銜接，在制定教學計劃時需要特別強調它們之間的異同點。例如需要重點突出單片機控制強點設備，必須通過功率放大器件推動繼電器，以完成控制動作。

（2）教學課時的縮減。傳統獨立教學的總課時量為64課時，若將兩門課程銜接整合到比較教學的過程中，很多相互重疊的內容就可以得到刪減，節省教學成本，也提高了學員學習的效率，同時也可以調整基礎理論的重復教學，適當增加實踐應用內容的占比。

4 教學改革效果的驗證

浙江海洋大學遠洋漁業船員培訓中心，在2016年，2017年，2018年遠洋漁業船員培訓的自動化課程的培訓計劃中，均設置有單片機原理及應用，PLC原理及應用的教學內容。2017年、2018年在采用教學改革措施的過程中，2016年依舊按照已有培訓計劃展開教學進程。《船舶電氣自動化》課程在每期遠洋漁業船員培訓的初考合格率部分數據如表2所示。

從表中可以看出2016年未調整培訓計劃，遠洋漁業船員的在交通部組織的高級遠洋漁業船員《船舶電氣自動化》課程的初考合格率在60%左右，但在2017年和2018年度實行比較教學的教學改革后，相對于2016年有了較大提高。

針對遠洋漁業船員培訓的特殊性，采用比較教學法后有如下優勢：

（1）減少重復學習的資源浪費。前文中提到，單片機和PLC原理及其應用課程除單獨開課之外，分別在《船舶自動化》、《船舶電氣》課程中重復學習，很大部分原因在于多龍治水的弊病。遠洋漁業船員機艙部高級船員的培訓內容涉及熱力學、機械、電氣，知識較為龐雜，采用比較教學法，有利于改善教學計劃的合理分配。

（2）使知識體系結構更為清晰。通過比較學習，可以使很多概念、性質和應用更為明確，提高教學效率。

（3）知識應用于實踐的可操作性更強。在現在的自動化機艙控制系統中，往往應用PLC和單片機協同工作：單片機用于數據采集和傳輸;PLC用作系統控制。若兩門課程隔離單獨教學，將不利于課程理論和實踐的聯系。

5 總結和展望

比較教學的教學方式在教學內容相似或相近的課程中優勢明顯。但同時也需注意傳統的教學模式往往是多年經驗總結的結果，教學體系相對完善，采用新的教學改革方案必然有一些考慮不周的地方。尤其是當前MOOC在線教學平臺日趨成熟，新的教學管理模式也在不斷改進。如何最大化的利用最新的教學技術，最優教學管理方式，對于遠洋漁業船員尤其是大管和輪機長等高級船員的培訓，還需進一步在實踐中驗證。

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