新工科建設背景下電氣工程應用型人才培養探究
——以電器與PLC控制技術課程教學創新改革為例

李慧

（贛南科技學院 機電工程系，江西 贛州 341000）

隨著新一輪全球科技革命和產業變革進程加速深化推進，新的突破性技術不斷涌現并與先進制造產業加速融合。作為搶占全球制造業新一輪競爭制高點的主要突破口，工控自動化發展水平關系我國未來制造業全球地位。PLC 是在制造行業諸多領域被廣泛應用的主流工控技術，在工業與信息技術深度融合發展的過程中，已成為未來制造業智能化演進的核心關鍵之一。作為一門應用型本科院校電氣類專業開設的面向工控領域的主要課程，電器與PLC 控制技術在工業自動化領域專業技術人才培養中占據十分重要的地位。新工科背景下，如何培養面向未來智能制造領域所需的具有創新理念、創業能力、創造精神的高素質復合型工程技術人才，是當前電器與PLC 控制技術課程面臨的一項重大挑戰。

一、未來高端制造業人才專業能力需求與課程人才培養現狀分析

伴隨國內工業控制自動化水平的不斷提升與工業4.0 的到來，PLC 應用領域從傳統的冶金、機械、電力、電子行業等逐步擴大到新能源、新材料、新基建等新興產業領域。傳統制造技術與AI、VR/AR、大數據、物聯網、5G 等信息技術手段深度交叉融合，粗放式、單一化的人力資源能力已無法滿足互聯、智能、數據、創新的產業發展模式需求，這種變革對行業工程技術人員在職業能力、科學素養、工程技能和發展潛力等方面都提出了更高的要求。

作為電氣類專業學習工業控制自動化技術的重要課程，電器與PLC 控制技術具有實踐性強、應用性突出的特點，課程學習需要具備電路理論、電工技術、電機原理、自動控制原理以及計算機網絡、嵌入式技術和軟件編程開發等基礎，理論知識點繁雜，加之不同廠家PLC 產品特點不盡相同，課程的理論教學與實踐教學環節設計實施受到方法、教材、學時、設備、場地及成本等條件因素影響，學生的理論知識掌握水平和應用能力培養成效有限，主要表現在：

1.灌輸式的教學模式下，學生被動參與學習，教學內容及擴展性受限于空間、時間以及以課堂PPT 展示教學內容為主的教學手段，缺乏互動和引導，學生課堂積極性調動不充分，導致不同接受能力的學生個體在課堂學習知識的認知、理解程度上存在較大差異，學習成效無法達到課程培養大綱的要求。

2.教學資源較為匱乏、陳舊，教材課程體系在內容和形式上沒有緊跟PLC 應用于智能工業控制領域的技術發展與實踐前沿。學生對PLC 技術的應用理解停留在課本概念層面，無法形成感性認識和激發學習興趣，并且大量枯燥無味的設備指令代碼及復雜的電氣控制線路進一步降低了學生的學習熱情，導致學生知識內化動力不足，后續實踐應用能力較弱。

3.隨著5G 的普及，大數據時代下的工業互聯網應用環境推動PLC 控制技術的應用領域不斷向新興產業擴展。但其實踐教學還局限于單一實驗室環境中在某個廠家平臺下開展有限的固化驗證性、演示性實驗，缺乏開環實踐實訓環境創設條件，無法引入新的實訓理念和實踐手段，亦無法開展基于行業實際工程問題的應用型、研究型、探索型實踐訓練，導致課程實踐教學與行業發展需求背離，學生實踐創新能力培養效果不佳。

4.課程考核方式和評價方式原始單一，普遍采用以學生期末考試成績為主的學生學習成效和教師教學成效一次性評價標準，缺乏針對知識積累和能力獲得的過程性評價和考核。課程教學質量的跟蹤、反饋、評價、激勵機制不夠完善，無法為持續改進課程教學效果、提升人才培養質量提供借鑒依據。

綜上，電器與PLC 控制技術現有理論與實踐教學體系無法滿足新工科建設對復合型工程技術卓越人才的培養要求，亦與智能制造行業人才專業能力需求存在較大偏差。為此，本研究基于新工科建設對工科專業創新型人才培養的目標要求，從學生知識積累、能力鍛煉和素質培養三個維度出發，以工程教育領域CDIO 理念為核心，以信息技術支撐下的翻轉課堂教學模式為切入點，以培養適應新產業需求和新技術發展工程技術人才為目標導向，深入研究了電器與PLC控制技術課程教學創新改革的方向和路徑，并進行了有益的實踐探索。

二、工程教育視角下以學生為中心的課程教學體系設計

未來工業互聯網進程下的智能制造產業發展將使工業控制自動化技術不斷與大數據、云計算、5G、人工智能等信息技術跨界交叉融合。課程作為專業人才培養的基本組成單元，教學體系必須超前感知產業發展趨勢并適應行業企業對人才專業能力的實際需要，同時重視對新技術基礎理論的工程應用認知和實踐。國內外大量研究表明，相比傳統工科教學模式，工程教育理念更符合社會和企業對工程技術人才培養的預期要求。課程教學改革充分借鑒發揮了工程教育模式在培養復合型工程技術創新人才中的重要作用，針對電器與PLC 控制技術課程教學中存在的資源、模式、手段、成效等短板，結合新工科建設要求，以智能時代工程教育視角構建學生競爭力與創造力培養為核心的PLC 技術課程教學體系如圖1 所示。

圖1 課程教學體系改革創新路徑

課程教學體系以新工科建設對人才能力培養的綜合要求為驅動，以為學生提供面向未來發展核心競爭力與價值創造力為目標，探索開辟適應PLC 課程教學特點的全新工程教育路徑，將工程教育模式精準內嵌于課程教學全過程，以行業發展為引領重構教學內容、增強教學手段；以工程實踐為導向設計教學案例、建設數字資源；以信息技術為支撐翻轉傳統課堂、激發學習效能；以實踐應用為挑戰檢驗學習成效、升維工程素養；以學生全面發展為依歸，建立多元立體的課程評價與目標達成閉環反饋機制，持續評估、改進、提升、鞏固課程教學效果。

三、課程教學改革實踐探索

傳統教學多以知識傳導為主，教學過程枯燥、單一，且受時間、空間、手段限制，缺乏教學活力與教學創新。本研究從電器與PLC 控制技術課程教學的三大支撐點出發，探索并研究工程教育理念與PLC 課程教學創新改革的全方位、系統性、全過程融合實踐。

（一）以工程應用重塑課程內容體系

現有課程內容體系重理論輕應用、重課堂輕實踐、重考試輕過程，學生普遍存在為考而學、學無所用的學習體驗。因此，課程教學內容改革以解決復雜工業流程的實際應用場景為出發點，根據工業控制生產的真實項目對課程內容進行整體重塑，將PLC 技術及其工控應用涉及的核心知識點及基礎能力要求作為各授課單元的基本要點和目標組織課程內容體系，設計以項目驅動教學、理論支撐實踐的涵蓋思政、通識、數理、工具、器件、原理、方法、設備、計算機、設計、應用等面向行業知識技術、思維創新、工程應用、職業素養等共性培養需求的課程內容體系架構，如表1 所示。

表1 電器與PLC 控制技術課程內容體系架構

課程內容注重夯實計算機數理通識及電氣控制等工程基礎，按項目漸進式過程將課程內容凝練規劃為學習工具、常規低壓電器、電氣控制線路、PLC 技術、綜合設計及課程思政六個教學目標模塊。橫向整合各模塊細分教學內容的連貫性，形成由通識到專業、由理論到實踐、由器件到設備、由設計到應用的全覆蓋、立體化、多層次教學內容體系。

（二）以翻轉課堂改變教學呈現形式

隨著高性能移動數字終端設備的大量普及和以5G 為核心的信息技術的推廣應用，不同形式的“互聯網+”教學手段不斷涌現。課程使用超星學習通平臺，充分借助數字化、信息化技術，設計了線上線下深度融合的遞歸式多維協同翻轉教學模式如圖2 所示。

圖2 遞歸式多維協同翻轉課堂教學模式

該模式針對課內理論教學設計了課前導學、課中研討、課后提升三個教學環節，學生作為教學主體在教師引導下全程互動式參與、體驗、完成各環節線上和線下學習與訓練任務。

課前：教師根據課程教學目標選取工程案例，設計具有啟發性、引導性和連貫性且難易適中的學習任務，利用現代信息技術制作課程導學資源并通過線上平臺發布；學生通過閱讀分享、視頻自學、互動交流、挑戰答題等方式完成導學任務，形成對下一階段課堂學習知識點及其應用的初步理解，反饋存在問題及學習體會；教師通過線上平臺獲取學生學習反饋并進行問題分類、記錄個體差異，對下一階段課堂學習的內容、重難點、形式進行設計調整。

課中：通過案例引入激發學生學習興趣與工程認知，綜合采用課堂討論、個人分享、分組交流等靈活多樣的方式進行案例分析和答疑解惑；利用視頻動畫、虛擬仿真軟件對課堂講授知識點的應用開展可視化教學，引導學生進一步加深對所學技術理論及其工程應用的直觀理解，消除學生對所學課程“學無可用”的困惑感；最后，通過課堂隨測，對學生參與課堂互動教學的效果以及對知識點的掌握程度進行評估。

課后：系統性梳理前述教學環節存在問題，通過線上、線下混合方式指導答疑、資源分享、專題作業鞏固提升學生學習成效。按項目模式開展分組進階任務訓練，通過分組講解、分組討論、分組問答培養學生分析能力、表達能力、協作能力和實踐應用能力，充分實現學以致用，切實破除學習個體“打醬油”現象。

（三）以產教融合推動實踐體系創新

實踐教學作為工程教育理念的最后一環和課程培養體系的“最后一公里”，是銜接理論學習與工程實踐的關鍵環節。課程實踐教學體系建設緊緊圍繞PLC行業發展對工程技術能力的培養要求，以產教融合為引領打造課內實操、課外實訓、企業實踐三層銜接、能力遞進的“2+2”實踐教學體系：以教育部產學研實驗室建設項目為載體，聯合企業構建創新實踐平臺開展產學研合作；以教育部產學研師資培訓項目為依托，引入行業企業具有豐富項目經驗的工程技術人員參與實踐教學指導，扎實推進校企合作育人；以學科競賽為支撐牽引，大力培育學科賽事訓練平臺，以賽助研、以研輔教、以教促賽，充分發揮產教研賽在培育學生工程實踐及科研創新能力上的突出優勢。

課程以實際工業場景下的工程應用問題打造實戰化綜合工程實訓項目。項目實戰訓練以團隊分組形式參照實際工業項目流程開展。學生全程參與項目需求分析、技術選型和方案設計，嚴格按照工程規范分析設計方案的合理性、可行性，發現問題并提出解決思路，真正做到學以致用，充分培養學生團隊意識、創新意識、挑戰自我的進取精神以及鉆研問題的工匠精神。

四、多元評價視角下的教學評價機制改革及成效分析

教學評價是保障課程教學質量穩定和教學效果持續改進的有效手段，也是課程培養目標達成的重要依據。本課程學生綜合成績評價和課程教學效果評價，從多個維度、不同尺度進行了科學合理設計，多條線反饋并做到客觀、真實、準確地反映課程教學效果和學生綜合能力。其中，學生考核設計注重各教學環節的全過程、全方位考察，形成覆蓋線上、線下,包括課前學習準備、課堂測評、互動交流、分組研討、課后作業、項目考核等多元課程加權評分機制，綜合考評學生的自主學習能力、知識掌握能力、工程實踐能力、應用創新能力；教師評價設計注重考察教師能否將工程教育理念精準融于新工科建設要求中，以及教師自身的工程素養和專業能力，評價范圍從課前的項目選取、資源建設、任務設計、知識儲備，到課中的案例引導、課堂組織、技術手段、氛圍駕馭，再到課后的輔導答疑、作業設計、創賽指導、產教融合等，從多個角度設計評價指標，通過教學對象、教師個人、專業同行、工程人員、用人單位等不同評價主體進行分類評價，最終建立覆蓋“教與學”“過程與結果”“課內與課外”“學校與企業”的多元化立體式課程綜合評價反饋機制，充分保證電器與PLC 控制技術課程教學創新改革向縱深推進發展。

為檢驗教學創新改革方案實際成效，課程自2020年起選擇校內機電大類培養實驗班開展了三個批次的驗證性教學。學生學習效果綜合評價基于改進設計的多元化課程教學考核評價機制，分為課內評價和課外評價，評價權值各占50%，采取過程性評價與終結性評價相結合的方式，進一步強化過程評價對學生知識、技巧、思維、方法、創新能力養成的指標性作用。其中，理論教學過程評價覆蓋課前、課堂、課后三個階段，有針對性地選取了能夠反映學生學習過程、知識內化和應用能力的指標，按單次成績取加權平均，分別按課前15%、課中20%、課后15%賦權，綜合50%期末測試成績取得課內評價成績；實踐教學評價覆蓋課內實驗實訓、科研競賽、企業實踐及項目實戰四個環節，以項目挑戰作為課外終結性評價，考查學生學以致用的能力。通過對實驗班學生綜合成績以及學習目標達成度的分析表明，采用工程教育理念并通過信息技術支持下的翻轉課堂，對提升學生學習興趣、動力及熱情有明顯促進作用，學生對課程知識內化理解程度以及工程實踐素質和科技創新能力得到大幅提升，相比其他未開展驗證教學的專業班級，教學效果得到顯著改善。

五、結語

綜上所述，以工程理念驅動教學過程，將專業基礎理論與行業技術前沿以及工程實際應用聯系貫通，深度融合翻轉教學、虛擬仿真、項目實踐及產學競賽等教學手段的電器與PLC 控制技術課程改革創新實踐，實現了“以教師教學為中心”向“以學生學習為中心”的轉變，全面激發了學生學習熱情與發展潛能，實現了學生從學到做、從理論到實踐、從應用到創新、從個性發展到素質提升的層層遞進。這促進了教師教學水平、專業技能和產學研協同育人能力的提升，對新一輪科技革命和產業變革環境下電氣類專業核心課程教學體系的優化和卓越工程技術人才的培養提供了有益借鑒。