基于OBE理念的技術應用類實踐課程改革探索

郝建新，王春明，徐其威，李建科，張海濤，趙 瑋

（陸軍工程大學，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著智能化、信息化的不斷發展，在工農業生產和民用建筑電氣中，可編程邏輯控制器、變頻器等成熟技術應用類電氣元器件的使用越來越廣泛，特別是在建筑工程中的應用也越來越多，但是技術應用類電氣元件的品牌多、技術復雜、涉及知識面廣、更新換代快，使得這類技術應用類課程的教學很難與市場需求接軌，也不可能將所有的知識都學會。OBE全稱是Outcome Based Education，中文是“成果導向教育”。這種教育理念注重目標和結果，從學生個人出發，不同于其他教育理念。OBE模式的實踐主要由構思、實現、評估、總結和改進構成，是一種界定學習主體所達成的最終學習成果的教育方式，是一種根據學生預期未來達成的最終學習成果，對課程體系進行反向設計的教育模式[1]。本文以西門子S7-200SMART[2]為例，從工程應用的角度出發，根據完成一個自動化控制工程項目的工作流程，按照設計、集成、安裝、現場接線、軟件編程、組態制作、功能調試的順序實施實踐教學，突出應用任務驅動教學的優點和實施過程[3]。在教學過程中，從課程設置、教學設計、教學內容選取、教學方法與教學手段改革、課程實踐教學條件運用等方面作了重點探索[4]，重點培養學生如何使用技術支持網站及電話、查詢和閱讀產品手冊、理解和掌握PLC的基本原理及接線方法、正確使用軟件的幫助文本、良好的編程習慣與正確的程序架構以及團隊協作的分工和程序接口的預留，使學生體驗整個工程項目實施過程，自制接近工程實際的實驗平臺，在工程環境下對培養學生工程實踐能力的教學進行改革與探索[5]。學生分組協作完成人防工程三防功能PLC自動控制系統的完整流程，注重借鑒 CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）模式的PLC課程教學模式[6]，從而使學生得到自我學習能力、溝通協調能力、團隊協作能力、組織管理能力、匯報講解能力的提升，對傳統的PLC教學以及基于工程應用的PLC課程教學改革策略進一步探索[7]。

1 改革前課程教學情況

1.1 課程情況

《信息系統安裝調試》技術應用類實踐課，主要學習視頻監控系統、火災自動報警及聯動系統和自動控制系統，其中視頻監控系統6學時、火災自動報警及聯動系統12學時，自動控制系統38學時。視頻監控系統主要學習網絡系統搭建、攝像機的安裝、硬盤錄像機的使用和調試。火災自動報警及聯動系統主要學習短路隔離器、火災探測器、手動報警按鈕、聲光警報器以及聯動模塊的安裝與接線和報警控制器的安裝與調試。自動控制系統主要學習S7-200SMART的安裝與接線、編程軟件的使用、OPC軟件的使用、組態軟件的使用等內容。

學生們的先修課程從未學習過視頻監控系統和自動控制系統，但學習了計算機網絡系統和火災自動報警及聯動系統的理論知識，因而需要學生課前查詢資料或觀看教學視頻，了解視頻監控系統和自動控制系統的構成、功能和用途，了解前端設備的功能和使用方法，如數字網絡攝像機、NVR網絡硬盤錄像機、S7-200SMART等。

1.2 教學情況

教學目的是幫助學生掌握三個系統各個組件的功能和使用方法，搭建并完成三個系統的設計、接線和功能調試，進一步加深對相關理論知識的理解和吸收，使學生具備初步的工程意識和良好的動手能力。

教學模式采用教師示范、學生模仿，這種教學模式的教學弊端比較多。首先，教師需要精心設計教學內容，課前要試驗所有的實踐教學內容，還要調試好所有的教學器材，做好所有的應急預案，確保教學過程的順利有序。其次，學生始終處于被動接受知識，缺乏主動思考、發現問題、解決問題的訓練，也無法鍛煉學生的團隊協作能力[8]。

學生學習積極性和參與度不高，對所學的知識，學生無法形成永久性記憶，課程結束后，學生所學知識就已經忘了一大半了，效果較差。

2 課程改革的目的

2.1 激發學習興趣

學習興趣是學生自主學習的內在動力，是教學效果極大提升的催化劑。采取不同的教學手段提高學生的學習興趣和加深學生對知識的掌握程度是教學改革的首要目的。學生有了學習興趣，學習就由被動變為主動，學習的積極性、自主性、創新性就被激發出來，學習情緒才能高漲，克服困難的意志才能增強，從而提高學習效率。當一個學生對學習產生興趣時，總是積極主動而且心情愉快地去學習，不認為學習是一種沉重的負擔。有興趣的學習不僅在課堂上使學生全神貫注，積極思考，課后也會使學生主動學習，甚至可以達到廢寢忘食的地步。

2.2 培養工程意識

實踐課教學的最終目的是使學生加深理解理論知識或掌握自主完成各種工程項目的設計、施工、維護管理等的能力，為學生今后從事相關工作打下堅實的基礎，最終達到實現個人價值、服務社會的愿景。如何在課程中樹立學生的工程意識是教學改革的重要目的。所謂“工程”意識，不僅僅是課堂上的宣貫，更多的是經過親自體驗認識問題，學習思路，嘗試不同方法，解決實際問題，進而總結規律，形成特定認識[9]。工程項目是以工程建設為載體的項目，是為達到一定目的的一次性工程建設任務，需要按照一定的程序、在一定時間內完成，并應符合質量要求。在課程教學中，要體現工程建設過程的程序、重要節點、施工要求等等，使學生樹立正確客觀的工程意識。

3 課程改革的內容

3.1 教學內容

為達到課程改革育人的這些目的，而按照人才培養方案，課程的課時是無法調整的，只能在教學內容、教學模式上進行改革。針對本實踐課所對應理論知識部分在先修課程的教學內容的詳略程度以及“突出重點，舉一反三”的教學理念，取消火災自動報警及聯動系統的實踐課目，簡化視頻監控系統的實踐課目，重點訓練自動控制系統。視頻監控系統和火災自動報警及聯動控制系統實踐內容主要在于各種前端和硬盤錄像機（或報警控制器）的安裝以及通信與電源線路的敷設和接線，編程內容較少且簡單。只要掌握了工程資料的查詢和閱讀方法、自主學習能力和工程技能知識，工作中只要按照使用說明書就可以完成相關工作。在先修課程中對火災自動報警及聯動控制系統的前端和報警控制器以及系統的架構進行了詳細講解，因此取消其相關實踐課目。視頻監控系統在先修課程中雖無詳細講解理論知識，但學生已經掌握了計算機網絡系統，其實踐訓練內容就是通過專用的設備網絡（與計算機網絡系統類似）連通數字網絡攝像機和數字網絡硬盤錄像機以及對數字網絡硬盤錄像機的參數設置。一般在6學時內，學生即可完成視頻監控系統的相關實踐內容。在看到自己的圖像顯示在屏幕上時，其喜悅的心情和訓練的信心將激增，就為后續自動控制系統的學習奠定了堅實的基礎。短時間內完成視頻監控系統的實踐內容，能夠有效激發學生的學習積極性、主動性，尤其是在深化視頻監控系統的程序后，例如設置帶云臺的攝像機自動巡檢路徑、設置警戒范圍等，會使學生探索新知識、新領域的信心極大增強。

自動控制系統的實踐課目訓練，可以使學生了解工程建設流程，了解系統資料收集途徑，掌握如何根據需求查找設備資料以及如何閱讀資料，掌握利用軟件的幫助文本，理解在工程中如何學習新設備、新知識的自學方法，從而達到授之以漁的作用。

3.2 教學模式

以自動控制系統的實踐教學為例，采用基于OBE理念的教學模式，學生要在規定的時限內完成人防工程三防控制系統中一鍵轉換三防功能的自動控制系統。自動控制系統的構成有監控層、控制層、設備層。監控層采用組態王，控制層采用S7-200SMART可編程邏輯控制器，設備層有5個閥門、2臺風機、1個溫濕度傳感器（4～20mA），通信網絡采用工業以太網。

3.2.1 繪制設計圖紙并完成接線

指導學生在西門子技術支持網站下載S7-200SMART系統手冊，并快速閱讀手冊目錄，利用書簽找到實訓中所使用型號CPU的接線圖。根據自己的理解，學生提出接線圖中令自己感到困惑的地方，由教師逐一進行解答。直到所有學生無疑問時，教師開始針對實踐中用到的接線圖進行提問，直到所有學生都弄清楚PLC是如何采集和輸出開關量和模擬量的。再以同樣的方法指導學生理解閥門、水泵、溫濕度傳感器的接線圖。在此基礎上，采用提問、討論等形式，指導學生掌握PLC與閥門、水泵控制箱之間的連接方法。學生在理解的基礎上繪制PLC自控箱的設計圖紙。在此期間，一定要讓學生明白在實際工程中控制箱和自控箱可能是不同廠家生產，也可能是同一廠家生產的，設計圖紙時一定要多溝通，深入理解控制箱的控制原理圖，多思考控制箱與自控箱之間的連接方式，樹立良好的工程意識。

繪制好圖紙后，學生按圖完成PLC的接線工作。教師檢查無誤后方可通電試驗。

3.2.2 軟件編程并調試

通電正常后，用網線將計算機和PLC連通。指導學生利用編程軟件的幫助文本建立編程軟件與PLC的通信。利用幫助文本，教師逐步講解如何利用系統位和移位指令編寫一個跑馬燈程序，使PLC的輸出Q0.0至Q0.7間隔0.5秒循環接通，學生同步完成程序的編寫和下載。在PLC的輸出點及所連接的中間繼電器循環吸合的聲光刺激下，學生會產生極大的學習興趣。學生通過模仿教師的程序可編寫使PLC的輸出Q0.0至Q1.2間隔0.5秒循環接通的跑馬燈程序，并在自己試驗臺的PLC實現此功能，再要求學生借助幫助文本采用定時器指令編寫跑馬燈程序。經過這樣的反復訓練，學生基本就掌握了常用指令的使用方法。然后按照電機點動控制、持續控制、正反轉控制的順序編寫相應的程序。每段程序編好后，立即下載并在線調試，讓學生看到設備和程序的對應變化情況。就這樣將三防控制功能程序拆分成簡短的子程序，讓學生在編程過程中不斷的體驗成功的喜悅，激勵學生去探究更多的未知。

3.3 對教師的要求

學生在編程和調試過程中會遇到很多不可預見的問題，因此教師要具有扎實的理論功底、豐富的實踐經驗、多年的教學經歷。首先，教學內容涉及范圍廣、知識層面寬。硬件設計涉及繪圖軟件、電氣知識、接線和設計規范標準等。軟件設計涉及網絡知識、計算機知識、美術知識、編程知識等。學生在實踐過程中，會遇到很多不能預見的問題，甚至有些問題的解決方法在資料上也查不到，需要采用不同的手段去不斷的調試。其次，有的學生會提前完成規定的學習任務，還會主動學習教學內容外其他知識，也會問很多教學內容之外的問題。最后，根據學生完成任務的情況，需要不斷調整教學進度，以滿足不同水平學生的進度。

4 結論

經過幾年的教學改革，本課程的教學內容和教學模式已逐漸成熟，經過調研畢業后的學生，有以下幾點優缺點：（1）增加了就業面。在找工作時，有些企業要求懂PLC的學生優先。學生可以拿出自己做的自動控制系統的視頻和照片，就會引起用人單位的興趣。（2）鍛煉了能力。由于自動控制系統是自己一步一步摸索，一點一滴調試出來的，對知識的了解和記憶就比較深刻，入職后，接觸到相關設備時，心里就有底。但是，也有需要改進的地方，學生反映學習的內容比較少，而工作遇到的情況較多，雖然自己通過查資料、試驗，也可以解決問題，但效率較低。因而基于OBE理念的技術應用類實踐課程改革需要聚焦教學內容、革新教學模式、激發學生的探索興趣，必將對教學目的起到事半功倍的效果。