電氣控制與PLC原理課程立體化教學模式探索

李建寧

(杭州電子科技大學自動化學院，浙江杭州，310018)

一、引言

教育部“金課”建設計劃和一流課程“雙萬計劃”的提出和實施[1]，不僅對傳統課程實施的高質量提出了要求，而且體現了對人才培養結果的高質量關注。電氣控制與PLC原理是一門同時具有理論性和實踐性的自動化及其相關專業的專業基礎課程，其將各類以電動機為動力裝置的系統視為被控對象，采用PLC控制技術實現相應的生產過程，在電力、石油、化工等相關領域中都得到了廣泛的應用。[2]然而，現有的PLC課程教學更側重于理論概念的灌輸、梯形圖畫法講解和專業術語的描述，忽略了學生動手實踐操作能力的培養，導致在復雜概念的影響下學生的主動學習積極性不高，進而負面影響教學效果和學生實踐能力培養的實效。[3-5]同時，傳統的期末考試對檢驗學生是否掌握所學知識點尚且不夠。[6]因此，高校迫切需要改革電氣控制與PLC原理課程的教學體系與考核方式，可以引入自動控制系統中的“反饋”及“優化”理念，建立起方式多樣化、內容多元化的立體化教學模式。

二、傳統電氣控制與PLC原理課程教學模式及考核方式存在的不足

電氣控制與PLC原理課程是高校自動化專業培養學生綜合應用能力的一門核心專業課，是提升學生工程應用實踐能力的主干課程，其為學生今后走上工作崗位打下堅實的專業技能基礎。下文將從教學現狀、考核方式和學生特征三個方面分析當前電氣控制與PLC原理課程教學模式及考核方式存在的問題。

(一)教學現狀

一直以來，教師在講授電氣控制與PLC原理課程過程中，過分重視對機理概念的講解，而忽視了實驗的重要作用。教師往往采用傳統的“填鴨式”灌輸模式對學生進行教學，使學生把學習的重心放在背誦知識點上。這造成學生對電氣控制與PLC原理課程的實踐教學環節認識不到位，動手能力不夠強等問題。同時，傳統的實驗教學僅限于幾個簡單的模擬驗證性實驗。在實驗過程中，學生無須獨立思考，只需按部就班地輸入程序，不能充分進行獨立自主探索并參與到探討式學習中。這既不利于學生形成工程意識、掌握工程知識，又不利于培養學生分析問題及設計開發解決方案和獨立研究的能力。雖然在教學中也有與實際控制過程相結合的案例，但基本知識和案例融合的緊密程度仍然不足。很多學生對實驗設備和工程應用等實際應用問題是保有興趣的，教師可以充分利用現有PLC實驗教學平臺進一步開展更為復雜的PLC實驗教學，實現理論與實踐在真正意義上的統一，加深學生對電氣控制與PLC原理課程的理解。

(二)考核方式

傳統的課程教學評價體系通常由平時成績、考試成績和實驗成績三部分組成，三者被賦予相應的系數，這三部分與系數的線性組合形成學生的最終成績。由于傳統實驗操作過于簡單且賦值較低，一些學生為了提升最終成績而過度重視試卷所考的理論內容，弱化了實際操作能力。學生對電氣控制與PLC原理課程實際掌握的綜合能力不能真正有效地從最終成績中反映出來。因此，高校需要引入新的考核方式，這不僅能夠反過來促進教學方法的優化，又能通過及時的反饋實現閉環系統的最終穩定，從而達到課程的教學目的。

(三)學生特征

一些自動化專業學生存在學習目標不明確、基礎不扎實等問題，其在課堂上的效率有時也難以保證。如果教師對學生的教育引導不到位，就會加劇學生學習動力不足的問題，最終難以實現預期教學效果，不能達成教學目標。專業基礎不扎實的問題甚至會影響學生今后的就業。

立體化教學模式是一種新興教學理念，它結合新技術手段和新教學方法，將教師和學生、理論教學與實踐教學、教學方式與考核方法緊密結合起來。同時，立體化教學模式引入了自動控制理論中的“反饋”和“優化”理念，構建起一個完整的、豐富的、互動的課程系統的教學模式，使課堂教學的廣度和深度得到進一步擴展，可以從整體上提高課程的教學質量、提升學生的綜合能力。因此，構建電氣控制與PLC原理課程的立體化教學模式對提高學生的學習興趣、提升學生的實際動手能力、培養學生運用所學知識解決復雜實際問題的能力有重要意義。

三、立體化教學模式下電氣控制與

PLC原理課程建設探索

針對電氣控制與PLC原理課程教學過程中存在的問題，結合新時代對工科專業學生應具備的素質和能力要求，基于課程特點和學生特征，下文將圍繞教學目標優化、課程內容和教學設計、多元化教學方法、輔助教學手段及考核方法五個方面進行立體化教學模式下課程建設探索，總體課程建設思路如圖1所示。

圖1 立體化教學模式下電氣控制與PLC原理課程建設探索思路

(一)教學目標優化

根據電氣控制與PLC原理的課程所具備的特性，教師首先要優化教學目標。第一，幫助學生樹立正確的系統設計思想，培養學生基本的設計能力、開發創造性思維和創新能力；讓學生了解現代電氣控制技術的發展趨勢以及電氣工程自動化系統的總體布局、設計步驟。第二，學生應掌握電氣控制系統設計應具有的基礎知識，初步具備一般電氣系統設計和分析的能力。第三，學生應掌握PLC系統設計的硬件選型與配置方法，掌握典型PLC的使用及軟件編程方法，初步具備PLC控制系統的設計能力。教師要將教學目標的重心放在學生基本實驗技能上，注重培養學生制訂實驗方案并有效開展實驗的能力，讓學生在實驗分析和調試過程中積累工程經驗。

(二)課程內容和教學設計

電氣控制與PLC原理課程內容包含電氣的基本知識、電氣控制線路基礎、S7-200基礎知識、PLC的基本指令及順序控制基本指令等。其內容量大而教學學時不足，教師可根據上一階段終結性評價指標的反饋情況，將個別章節部分進行刪減，調整教學內容的重點。教師可以將授課內容分為教師精講和教師輔助學生討論探究，使課堂教學有所側重，既保證知識的系統性，又避免面面俱到。第一，在教師精講部分，教師可以通過案例講解，引入PLC梯形圖的動態演示，將各基本概念、原理及方法等知識點進行簡單化、實用化、具體化、形象化的操作；進一步將工程實際的案例融入教學內容，利用視頻實驗或掌上PLC現場演示實驗可以讓學生體會到PLC在實際生活過程中的具體應用，培養學生的綜合分析能力和創新思維。除了介紹基本理論內容，教師還應補充介紹當前PLC技術發展的前沿課題，讓學生在有限的課堂教學學時內盡可能擴展知識面。第二，在學生討論研究部分，課前，教師提出問題范圍，讓學生通過圖書館、網絡查閱資料，并通過直播引導、微信實時在線解答等多種方式實現輔助教學，培養學生獨立思考、解決問題的能力。在課上，教師根據問題范圍，實行闖關測試，讓學生自由分組，在互動中討論并解決問題，進一步培養學生的團結合作意識及協作能力。

(三)多元化教學方法

教師應改變傳統“教師—電子教案—學生”的課堂教學培養模式為“學生案例討論—教師講授—學生案例討論”的課堂教學，針對不同的教學內容，選擇多種教學方法進行學生的創新思維訓練和培養，如五步(連接、呈現、體驗、反思、應用)優化教學法、討論教學法、任務驅動法、案例教學法、啟發式教學法等。教師將五步優化教學法應用于電氣控制與PLC原理課程教學，通過小班式的教學方式，明確所采用的教學方法對課程質量提升的效度。同時，教師可以依托“互聯網+”，結合MOOC和SPOC形成線上線下混合教學方法，通過“課前+課中+課后”三個階段激發學生的學習熱情[7]，并與課程設計相呼應。在課前階段，教師提出任務要求，讓學生提前準備，并輔以師生討論；在課中階段，教師利用教室、SPOC平臺和實驗進行課程精講，同時鍛煉學生的實際動手能力；在課后階段，教師通過考察報告、作業等形式來初步判斷學生對知識點的掌握情況。

(四)輔助教學手段

課堂教學難免會存在外部干擾，尤其是在新媒體技術發達的當今社會，電子產品成為學生課堂學習專注力的主要干擾因素。同時，如果學生本身目標不明確、基礎不扎實，那么其在課堂學習中的效果會更差。對此，教師可以利用智慧樹、雨課堂等建設課程網絡平臺，采用現代教學手段解決課程教學內容的抽象性和過于理論化的難題，革新相關知識點的基本概念、難點及相應原理的教學手段。例如：利用智慧樹中的相關視頻實現學生的課前預習，讓學生帶著疑問來到課堂，優化課程教學過程；將雨課堂與PPT結合使用，針對學生的“低頭族”現象，穿插視頻演示提高學生的抬頭率，提高學生的學習注意力與興趣，并插入所講知識點的點評與評價，以了解學生對當前知識點的掌握情況。同時，教師還可以利用多媒體引入在線實驗演示，讓學生熟悉系統的控制原理及控制方式，幫助學生進一步了解電氣控制與PLC原理課程中的機理知識和實際控制系統的操作使用方法。

(五)考核方法

原有電氣控制與PLC原理課程的考核評價如表1所示。

表1 原有考核評價形式

應用性是電氣控制與PLC原理課程的主要特點，期末考試試卷不足以全面檢驗學生對所學知識的掌握程度。在原有考核方式中，期末卷面成績占比過大，這直接導致了學生重理論而輕實踐。同時，原有的實驗由于過于簡單，學生只需按照指導手冊按部就班操作即可，無法真正鍛煉學生的實際操作能力。為改革現有的教學評價與考核方式，建立方式多樣化、內容多元化的立體化考核體系；兼顧教學過程和結果，實時優化教學過程，筆者構建了“形成性評價”與“終結性評價”相結合的立體化評價考核體系，如表2所示。

表2 立體化教學評價體系

具體來說，第一，教師要對學生在網絡平臺中完成的學習、課后作業、課堂討論研究等形成性過程進行綜合評價考核，并結合督導建議進一步優化學期中的教學方法，對當前存在的不足進行實時動態調整。第二，學期末輔以綜合考試成績、擴展實驗成績檢驗教學成果，為下一學期的教學設計提供參考。因此，合理的考核方案實施，不僅可以有效檢查各個階段的教學效果，還能方便教師對學生的知識、能力及職業素質等進行判斷，進而有針對性地提高人才培養水平。

四、立體化教學模式的分析與思考

與傳統的教學模式相比，立體化教學模式除了嘗試“學生為主、教師為輔”的教學方式變革，還構建起形成性評價和終結性評價結合的立體化評價方法，效果顯著。

第一，在“互聯網+”導向的基礎上，利用智慧樹、雨課堂等網絡教學平臺，學生的自主學習參與程度明顯提升。同時，網上優質共享資源進一步拓展了教師在教學內容上的廣度與寬度。

第二，課堂討論環節充分體現了學生為中心的理念，讓學生自主提出問題、解決問題，通過合作培養了學生的團結合作能力以及思考分析問題的能力。

第三，立體化評價體系的構建，結合了“反饋”和“優化”理念，教師不僅可以根據形成性評價解決在教學過程中發現的問題，而且可以根據終結性評價判斷這一階段整體的教學效果，為下一階段教學設計打好基礎。

第四，教師自身的能力得到提升，其在提高課堂精講授課能力的同時，也鍛煉了多元化課堂的構建能力、課堂討論題目及擴展實驗的設計能力以及課堂的組織能力。

五、結語

本文為改善電氣控制與PLC原理課程現有教學模式的不足，針對現有學生特征，初步探索了立體化教學模式。根據課程的教學目標，將教學方法進一步設計為兩個獨立模塊，課內包括教師精講部分、學生討論探究部分和擴展實驗部分；課外主要包含分組討論、教師輔導答疑和課程擴展實踐活動。對教學效果采取立體化評價考核體系，主要有：利用學生反饋信息、網絡教學平臺考核、督導評估、學生作業等形成性評價指標優化學期中的教學方法；利用考試成績和擴展實驗成績等終結性評價指標對下次課程教學設計環節進行反饋修正。整個實施過程是一個多閉環系統，且是一個持續改進、不斷修正的過程，最終可以達到課程的實施效果與預先教學目標趨于一致，即閉環系統的穩定。