“以賽促教、賽教融合”實踐教學模式改革
——以《電氣控制技術與PLC》為例

段金英，張曉娟

(西京學院理學院，陜西西安,710123)

0 引言

《電氣控制技術與PLC》是一門實用性很強的專業課，是自動化類、電氣類專業的核心課程之一，該課程綜合了繼電器-接觸器控制、計算機技術、自動控制技術和通信技術以及組態技術，主要包括由傳統電氣控制和PLC應用兩個部分組成。在智能制造系統中，PLC不僅僅是智能裝備和生產線的大腦，而且還負責制造信息的采集和轉發。PLC作為設備的控制器，不僅可以完成傳統的邏輯控制、順序控制、運動控制，還承擔著工業4.0和智能制造賦予的新任務，對學生來說了解和學習新的技術必不可少。而傳統PLC實踐教學主要是課堂實驗教學，多采用插拔式接線方式的教學設備，缺少綜合型和設計型實驗，實驗效果不佳，與當前應用型人才的市場的需求是不一致，不能滿足企業對PLC控制方面人才的需求[1]。

本文針對當前《電氣控制技術與PLC》實踐課的現狀，結合PLC控制技術的發展和學科競賽重構了該課程教學內容，運用混合式教學模式，通過實施以學生為中心教學方法和多元化評價使學生迅速掌握理論知識，提高實踐教學效率和學習效果。

1 學科競賽與大學生綜合能力的培養

大學生學科競賽是培養和提高學生創新能力和實踐能力的重要載體。“西門子杯”中國智能制造挑戰賽是在教育部與西門子（中國）有限公司簽訂戰略合作框架下共同舉辦的。大賽主要設有智能制造工程設計與應用類賽項，企業命題方向和智能制造創新研發類3大類賽項。競賽內容著眼于智能制造領域中的技術創新、產品研發、工程項目設計和智能應用等，大賽賽題主要來自企業真實的工程項目和科研項目作，使學生親身體會真實的工業設備和工業環境，考核評分指標采用工業企業的工程標準，通過比賽學生解決復雜工程問題的綜合能力、系統思維均得到了很好的訓練。“西門子杯”中國智能制造挑戰賽的競賽宗旨和競賽模式旨在培養自動化類專業、電氣類專業學生工程創新能力培養，學科競賽能夠顯著提高大學生的綜合能力，激發學生理論聯系實際和團隊協作的能力，增強學生的學習和工作自信心，是應用型本科院校提高學生應用能力的有效途徑。

2 “以賽促教、賽教融合”實踐教學模式改革

《電氣控制技術與PLC》課程主要包括傳統的電氣控制系統和面向工業自動化的PLC控制系統，后者的學習離不開前者。該課程內容包括繼電器-接觸器控制系統和PLC在邏輯控制、運動控制、過程控制的應用等，其實踐教學效果在培養學生解決實際工程問題過程中起著重要的作用。因此通過將“西門子杯”中國智能制造挑戰賽的賽項逐一分解后與《電氣控制技術與PLC》實踐教學進行深度融合，對原有的實驗項目和競賽項目統一規劃進行教學內容重構，應用混合式教學方法，分步實施，多元化考核，在學科競賽引領和促進下實現《電氣控制技術與PLC》實踐教學的改革。

2.1 教學內容重構，打造多層次實踐教學模式

實踐教學和理論教學有一個不同點就是理論教學偏向于個人研究，而實踐教學注重團隊合作。在依托學科競賽的實踐教學中，學生最終需要會面對一個綜合性強、系統復雜、應用性強的問題。為了循序漸進的實現這一目標，《電氣控技術與PLC》實踐教學摒棄了傳統的實驗教學方法，以競賽項目為依托，改進了傳統的《電氣控制技術與PLC》實踐項目，根據不同的實驗教學類型采用不同的教學方法，重構了多層次的實踐教學內容[2]，具體如圖1所示，并且學生的“做”貫穿始終整個實驗過程中。

圖1 多層次實踐教學設計

（1）基礎實驗項目。采用自行開發實驗教學平臺，以西門子PLC S7-1200為控制器，配合模擬被控制對象掛件，可以實現理論教學中的基本實驗。

（2）進階實驗項目借助電梯仿真對象（學習版）軟件和虛擬仿真教學平臺，開展基礎實驗項目的進階訓練，學生課上使用虛擬仿真教學平臺，課下借助電梯仿真對象（學習版）軟件平臺，可以隨時測評PLC控制程序的功能效果。

（3）提高實驗項目，主要分為兩個實驗方向電梯集群控制和工廠數據采集與監視系統實訓。其中工廠數據采集與監視，以西門子S7-1200PLC為控制器為控制核心，綜合觸摸屏、以太網通信、遠程I/O、運動控制等方面的知識。

通過競賽項目分解，建立的多層次實踐教學平臺，通過循序漸進實驗項目的設計激發了學生動手實踐的積極性，鍛煉和提高了學生的個人能力，豐富了理論教學內容。

2.2 賽教融合教學模式的實施

為了培養具備扎實理論、技術基礎的工程應用型人才，需要訓練學生系統化思維方式以及嚴謹、熟練實施過程，這個過程是循序漸進的，在實施以賽促教的教學過程中以學生的主體性，激發了學生的積極性和創新性，《電氣控制技術與PLC》實踐課賽教融合教學的實施過程主要分為以下三個階段。

第一個階段是PLC編程基礎，主要以S7-1200為教學載體，指導學生使用TIA博圖軟件進行編程，完成電動機的正反轉控制、搶答器控制、交通燈控制、飲料混合控制等實驗，利用TIA博圖軟件的在線調試功能，使學生熟練掌握基本的工程創建、硬件組態、基本指令編程以及通信設置的方法，而且初步具備了一定的分析能力，為后續的綜合設計項目打下基礎。

第二個階段是利用電梯仿真系統（EET）教學平臺，這一階段的培養目標是創新性知識的積累以及對綜合性問題的解決，例如電梯內呼和外呼。在教學設計的時候，要求學生先在虛擬仿真平臺上實現控制算法，驗證其可行后，再在實物平臺上調試。電梯仿真系統（EET）具有兩大部分別是控制器與被控對象。其中，控制器采用西門子S7-1200PLC，被控對象為電梯三維立體仿真模型。被控對象運行在工控機中，通信方式有兩種，分別為Profibus-DP與以太網通信，如圖2所示。學生通過編程在TIA博圖中完成不同通信方式的調試，學生在不同環境下的編程能力得到進一步鍛煉。通過PLC實現編程控制虛擬電梯模型時，同時利用WINCC完成上位機對虛擬電梯系統監控設計，這個階段的實踐項目鍛煉了學生的設備通信、程序編寫、監控畫面繪制和仿真實現能力，提高了學生工程項目解決實際問題的能力。

圖2 虛擬仿真平臺網絡拓撲結構

第三個階段綜合設計項目的實踐教學，電梯集群控制和工廠數據采集與監視系統實訓。此階段分為工程項目書的編寫、實際操作兩個步驟。工程項目書要求學生以實際生產項目為背景，在對綜合性問題分析后進行設計，并將設計方案以論文的方式提交。指導老師對工程項目方案審核通過后，學生才可以進行后續的實際操作。在實際操作中，學生將編寫好的程序和設計監控界面先通過PLCSIM軟件進行仿真，仿真通過后，再選擇一種通信方式連接硬件進行聯機調試。通過撰寫工程項目書，學生對基礎知識融會貫通能力得到了提升，實際操作能提高其動手能力和綜合能力也相應得到了鍛煉。

2.3 以學為中心的混合式教學方法的實施與評價

教師通過集體備課分析《電氣控制技術與PLC》課程的特點，推進以翻轉課堂、探究式教學等多樣化的教學方法[3]，采用靈活多變的教學組織方式，活躍課堂氣氛。課堂教學注重師生交流，方式靈活多變，以活躍課堂氣氛。例如引導啟發教學方法，在實施實踐教學任務的過程中，教師不再沿用傳統的講解、指導的教法，而是采用引導、啟發的方法，通過給學生提供參考教材和PLC以及各種控制電器的具體產品說明書或參考具體工程案例，指出與完成任務相關的重點學習內容，確定完成任務的主要參數、電路連接方法，并啟發學生舉一反三，拓展到其他的應用情況[4]。教學的過程中，引入智慧課程技術-雨課堂，在師生互動環節設計上下功夫，課堂氣氛活躍了，學生能夠自主思考提出問題，解答問題，激發學生潛能。《電氣控制技術與PLC》實踐考核體系改進了傳統的考核方式，著重于多元化的過程評估，將學生的線上學習、項目設計方案、團隊協作和工程素養納入了考核內容，同時，考核體系將項目團隊總體成績與個人成績相聯系，激發學生的學習內動力。

3 “以賽促教、賽教融合”實踐教學模式改革的成效

（1）學生在PLC相關的競賽中成績顯著，自2015年開始，將“西門子杯”中國智能制造挑戰賽列為重點賽事，建立了競賽領導小組，形成了良好的競賽保障機制。近五年的研究實踐表明，將“西門子杯”中國智能制造挑戰賽融入到《電氣控制技術與PLC》實踐教學中，促進了第一課堂和第二課堂的有效結合，實現了以賽促學、以賽促教、賽教融合的實踐教學模式改革，極大地調動了學生學習的積極性，有效提升了教學質量。學生每年參加“西門子杯”中國智能制造挑戰賽，西北賽區特等獎、一等獎、二等獎、三等獎均斬獲多項。國家級獎項中，過程控制獲全國二等獎1項、協作機器人控制獲全國二等獎1項，邏輯控制獲全國二等獎1 項。在“三菱電機杯”全國大學生電氣與自動化大賽中，學生獲全國二等獎1項，三等獎3項。

（2）人才培養質量得到進一步提升，“西門子杯”中國智能制造挑戰賽和電氣控制技術與PLC實踐教學的深度融合為學科競賽的開展提供知識保障，學生通過參加競賽，使我校學生能夠與國內一流大學的學生同臺競技，學生的自信得到提升，工程設計能力得到了訓練，通過電氣控制技術與PLC實踐教學模式的改革，形成學科競賽與實驗教學相互促進的良性發展模式，進而為社會培養綜合能力強的PLC工程技術人才。

4 結語

根據《電氣控制技術與PLC》實踐學中存在的問題，對實踐教學的教學內容和教學方法進行改革研究，將學科競賽和PLC實踐教學深度融合，構建了《電氣控制與PLC》賽教融合的多層次實踐教學平臺，形成一套“以賽促教、賽教融合”實踐教學體系。研究結果證明，實踐教學的改革激發了學生的學習積極性，提高了學生的自信心，培養了學生的綜合能力，提高了電氣控制技術與PLC實踐教學的質量，同時也為學生將來從事與電氣控制相關的工作打下了基礎。