基于ARCS動機模型的PLC課程教材開發

[摘 要] 山東華宇工學院2018年度教研課題“基于ARCS動機模型的信息技術課程教學改革與實踐”項目研究成果，可以推廣應用于多門課程的教學改革中。“PLC”是應用技術型本科院校電氣類專業中的核心課程，基于ARCS動機模型進行課程改革十分有效，但傳統章節化的教材遠不能適應該課程信息化教學的需要。教材《西門子S7-300PLC項目化教程》是以項目、任務層次結構進行編寫的適合新形勢教學的教材，本文結合ARCS理念，闡述對該教材進一步開發的思路和具體實踐過程。

[關鍵詞] ARCS動機;PLC;教材開發

[中圖分類號] G642? ? ? [文獻標志碼] A [文章編號] 1008-2549（2019） 11-0078-02

20世紀80年代，美國佛羅里達大學的約翰·M· 凱勒（John M.Keller）教授綜合了當時許多學習動機理論，在《教學設計的理論與模型》一書中首次提出ARCS動機設計模型。Keller從注意（Attention）、相關性（Relevance）、自信心（Confidence）、滿足（Satisfaction）四個維度，總結出一系列面向動機激發與維持的教學策略。ARCS動機設計模型主要內容為：要激發學生對這門課程的學習動機，首先要引起他對某一學習任務的注意和興趣;如果學生找到了學習任務與自己預期目標之間的相關性，學習動機就會得以維持;接著要讓他相信自己能夠很好地完成這一任務，自信心會使他的學習動機繼續維持;最后，當他實現了預期學習目標，體驗到學習成果帶來的成就感時，這種滿足會使他的學習動機長久地維持下去。

“基于ARCS動機模型的信息技術課程教學改革與實踐”項目研究，建立全課程的“三單”資源作為教學資源的補充，全面引入“藍墨云班課”app或通過教學做一體化進行教學過程實施。該改革方案在校內多門課程中進行推廣應用，但相應的教材資源并不匹配教學方法的改革，進一步開發對應的教材很有必要。

一 “PLC”課程項目化教學教材現狀

在目前，符合應用型本科教育特色的教材仍嚴重不足，普遍存在內容偏多、理論偏深、實踐性內容嚴重不足等問題。“PLC”作為應用型本科及高職高專電氣類專業的核心課程，市面上的項目化教程也陸續出現。但PLC機型繁多，不同院校選擇不同的機型作為學習載體，山東華宇工學院選用了目前比較先進的西門子S7-300PLC的機型進行教學，而滿足該機型的項目化教程卻極少，改變上述問題，是編寫教材《西門子S7-300PLC項目化教程》的宗旨。

《西門子S7-300PLC項目化教程》，該教材是以項目化教學為方法，結合“教學做一體化”的教學改革進行編寫的一本教材。全書以完成工程項目所需的基本知識、基本能力為依據，按照完成工程項目的一般工作順序，介紹了S7-300 PLC硬件系統的基本構成、STEP 7軟件的基本操作、S7-300指令及應用、S7-300程序結構、S7-GRAPH應用和網絡通信。

整個教材的編寫過程都滲透著項目驅動教學法的應用。每一步的計算機編程軟件的使用都有詳細截圖，教師可以按照教材的指引利用多媒體演示“編程軟件”的使用方法，程序的設計與編寫過程;學生也可以通過自學預習或鞏固所學知識。

ARCS動機模型指導進行課程教學改革在山東華宇工學院推廣應用后，原有教材卻未能準確體現注意（Attention）、相關性（Relevance）、自信心（Confidence）、滿足（Satisfaction）四個維度的改革。對該教材的再次開發，有十分重要的現實意義。

二 基于ARCS動機模型的“PLC”教材開發思路

全書共設置了11個典型工程項目，每個項目由多個任務組成，每個任務包括“提出任務”“任務分析”和“任務解答”幾個部分。在“提出任務”部分，向學生展示本次任務需要解決的問題，教師布置任務;然后學生結合“任務分析”學習相關背景知識，尋求答案并進行初步設計與運行;“任務解答”部分詳細介紹任務實施的具體過程。全書將西門子S7-300的理論知識融于這些項目中，避免了理論知識講授空泛生澀的弊端，使學習者在工程項目中逐步掌握西門子S7-300 PLC的使用。通過大量應用實例，掌握S7-300 PLC的編程方法和程序設計技巧，使學習變得輕松生動。

全書突出實例應用，尤其在介紹LAD編程語言的指令時，突出指令的特點，針對每條指令都設計了典型的應用案例，并在案例中逐漸滲透編程方法與技巧，由淺入深、循序漸進，使學生在學習完指令的同時，也學會了基本的編程方法與技巧。各項目均配有習題，方便學習者鞏固練習。

在教材改革開發思路中，保留原有教材的“提出任務”“任務分析”“任務解答”三模塊，繼續以任務驅動教學作為主要教學方法。同時結合“三單”教學資源，即“課前預習任務單”“課堂學習任務單”“課后復習任務單”，以“三單”教學資源作為教材中的一部分，在“課前學習任務單”確定學習目標和學習任務引起學生注意（Attention），通過“課堂學習任務單”讓學生聯系知識相關性（Relevance），“課后復習任務單”鞏固知識，建立學生自信心（Confidence），最后通過“教學做一體化”的實施過程，達到課程學習的滿足感（Satisfaction）。

三 基于ARCS動機模型的“PLC”教材開發實施

下面以教材項目10中的任務3的實際編寫過程為例，闡述該教材開發的具體實施過程。

（一）課前預習任務單

課前預習任務單旨在引起學生的注意力（Attention），對即將開始的課堂內容有初步預期，引導學生課前進行探索探究。該任務的課前預習任務單內容如下：（1）課題名稱：十字路口交通燈的控制。（2）達成目標：通過預習，達到兩個目標。熟悉十字路口交通燈的控制要求;根據經驗，制定初步的解決方案。（3）學習方法建議：鞏固定時器指令，探究S7-GRAPH編程方法。（4）課堂學習形式預告：第一環節，提出任務;第二環節，分析任務;第三環節，解答任務，實際操作。

（二）課堂學習任務單

課堂學習任務單，是教材每個項目的主體部分，通過背景知識的講解，讓學生聯系知識的相關性（Relevance），強化知識和技能部分的訓練。教材中體現的課堂學習任務單內容如下：

1 提出任務

利用S7-GRAPH編程語言，實現十字路口交通燈的控制。控制要求如下：交通燈系統由一個啟動開關控制，當啟動開關接通時，該信號燈系統開始按照交通燈規律工作，控制過程循環進行。當啟動開關關斷時，執行完該周期后信號燈都熄滅。

2 分析任務

在教材項目4介紹定時器指令時，已經做過相似的控制。此任務將用S7-GRAPH實現。GRAPH類似于解決問題的流程圖，適用于順序控制的編程。利用S7-GRAPH編程語言，可以清楚快速地組織和編寫該交通燈系統的順序控制程序。實現的方案有兩種，一種是按照單序列進行，另一種是按照并行序列實現。

3 解答任務

這里介紹單序列實現十字路口交通燈控制的方法，并行序列實現的過程作為課后擴展練習。

（1）創建項目及S7-GRAPH的功能塊

新建名為“交通燈單序列”的項目，CPU為CPU313C-2DP。編輯符號表。

執行SIMATIC管理器的菜單命令“插入”→“S7塊”→“功能塊”，在出現的“屬性功能塊”對話框中，功能塊默認的名稱為FB1，用下拉式列表設置“創建語言”為GRAPH。

（2）生成單序列的功能圖

按照順序控制器編程的方法編寫十字路口交通燈順序的功能圖程序。

（3）設置S7-GRAPH功能塊的參數集

執行菜單命令“Options”（選項）→“Block settings”（塊設置），在打開的對話框的“FB Parameters”（FB參數）區用單選框選中“Minimum”（最小參數集），此時FB1只有一個參數。單擊“OK”按鈕確認。保存和編譯FB1中的程序。

（4）調用S7-GRAPH功能塊

打開OB1，將指令列表的“FB塊”文件夾中的FB1拖放到程序段1的“電源線”上，在參數INIT_SQ端輸入M0.0，在FB1方框的上面輸入它的背景數據塊的編號DB1。保存，完成OB1中的編寫。

（5）仿真實驗

打開PLCSIM，創建IB0和QB0的視圖對象。將仿真PLC切換到STOP模式，把所有的塊下載到仿真PLC。打開FB1，單擊工具欄上的“監視”按鈕，啟動程序狀態監控功能，將仿真PLC切換到RUN模式，點I0.0啟動，可以看到Q0.0～Q0.5按照順序功能圖設定的時間順序點亮。

（三）課后復習任務單

通過教材上的“課后復習任務單”鞏固知識，建立學生自信心（Confidence）。課后復習任務單基本內容如下：（1）基本知識點：S7-GRAPH編程步驟。（2）重點與難點：重點是S7-GRAPH的使用流程;難點是順序功能圖編程思路的設計。（3）鞏固練習：通過實驗室一體化課堂實施，驗證課堂學習任務，自行設計并行序列實現交通燈控制的程序。（4）困惑與建議：初學者在順序功能圖塊應用時，容易忽視主程序塊的設置，實操過程中要特別注意。

四 結論

基于ARCS動機模型，通過項目化教學的教材中擴展“三單”，在教學過程中有效引導課程教學過程實現注意、相關性和自信心三個維度，結合課堂一體化實際教學，自己的作品展現后，學生內心得到了充分的滿足，整個過程中學生的能力得到普遍提高。該教材改革的開發方法在山東華宇工學院的取得了良好的推廣效果，該教材的使用效果也獲得了師生廣泛好評。

參考文獻：

[1]郭德俊，汪玲，李玲.ARCS動機設計模式[J].首都師范大學學報（社會科學版），1999（05）.

[2]郭艷燕，楊軍.基于ARCS動機模型的程序設計課程翻轉課堂教學設計——以“遞歸函數”教學內容為例[J].計算機教育，2018（06）.

[3]李莉，王玉娟.西門子S7-300PLC項目化教程[M].北京：機械工業出版社，2016.

（責任編輯： 王義祥）