PLC課程融合STEAM教育的教學模式探究

龔愛平，張海銀

（1.深圳信息職業技術學院 智能制造與裝備學院，廣東 深圳 518001；2.深圳市坪山新區教育科學院，廣東 深圳 518122）

2016 年6 月，教育部印發的《教育信息化“十三五”規劃》中首次明確提出“STEAM”教育是有別于傳統的單學科、重書本知識的教育模式，是由科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art）與數學（Mathematics）等學科共同構成的跨學科教育理念。STEAM 教育強調問題生成和知識跨界，既體現出課程綜合化、實踐化、活動化的諸多特征，又反映課程回歸生活、回歸社會、回歸自然的本質訴求。

可編程邏輯控制器（PLC）是西門子、三菱、匯川等國內外工業控制器品牌競爭的核心產品，PLC 技術應用課程是大、中專院校制造類專業的核心課程，是一門理論性和實踐性都很強的專業課程，其知識構成可分為理論知識和實踐應用兩個部分。在智能制造體系中，PLC不僅是機械裝備和生產線的操控器，而且是現代工業控制信息的收集器和轉發器，是“中國制造2025”和工業4.0 的助力器，已逐步形成一門相對獨立的新興技術。

如何利用現有條件，通過教學方法和實踐環節提高PLC 技術應用課程的教學質量，從而提高學生分析和解決工程實際問題的綜合能力，培養滿足“中國制造2025”所需求的創新型人才，已成為工業大數據時代各制造類專業關注和重視的問題。STEAM 教育作為“一種重實踐的跨學科政策的教育理念和教育模式”，具有開放性、趣味性、體驗性、實證性與發展性等特征，從一開始產生就順應了我國課程改革的發展態勢，探究制造類專業理實一體化課程開展STEAM 教育，勢必有助于推動我國技能型人才培養教育的發展與成熟。本文以PLC 技術應用課程為例，探究STEAM教育的教學模式。

一、PLC 技術應用課程教學存在的普遍問題

PLC 技術應用課程的特點是綜合性強，理論上需要具備電氣控制、數字電路和計算機三個方面的基礎知識，應用上要求學生有一定的工程實踐基礎。PLC 技術應用教學改革一直是制造類專業課程改革研究的熱點，目前有關PLC 技術應用課程的教學改革基本上都是基于項目化教學。但總體來說，還是傳統的單學科為了滿足教學改革需求而設計的。圖1 的“基于PLC 十字路口交通燈的控制”是大部分院校PLC 課程必含的項目之一。本節以該項目為例，指出當前PLC 課程項目化教學的過程中普遍存在的幾個問題。

圖1 基于PLC 十字路口交通燈的控制實驗臺

（一）缺乏項目的科學內涵

交通信號燈是維護交通秩序、保障交通安全和暢通的重要智能設備，可是為什么信號燈要選擇紅綠黃這三種顏色？紅綠黃三種顏色如何有條不紊地工作？電氣元件、線材的參數怎樣選擇？為啥不用傳統的繼電器控制？學生做該項目的過程中，因不知道其中的科學原理，很難提出創新的思維。

（二）匱乏技術和工程內涵

在大多數開設PLC 技術應用課程的院校中，“基于PLC 十字路口交通燈的控制”的實驗設備大體均如圖1所示，指示燈、接線端口及PLC 都已固定在實驗臺上，學員不能更改這些實驗模塊的位置，在他們做該任務時，只要簡單的對著接線孔插線和編寫相應PLC 程序。除了編寫PLC 程序含有技術外，其他工作所含技術匱乏，更缺乏工程內涵，這和國家教育部貫徹落實卓越工程師教育培養計劃是矛盾的。

（三）藝術性乏味

上文提到，“基于PLC 十字路口交通燈的控制”的實驗設備上的指示燈、接線端口及PLC 均已固定在實驗臺上，學員不能更改這些實驗模塊的位置，在他們做該任務時，只要簡單的接線和編寫PLC 程序。因實驗室已備好了不同長度的連接線，學生接線時可隨意選擇連接線的長短，一般在連接線充足的情況下，為了省事，大多數學生均選最長的連接線。但因實驗臺上無線槽或固定連接線的裝置，導致學生接線非常混亂，存在多線交叉的現象，做出的產品凌亂不堪，缺乏美觀。

（四）數學貧乏

該項目中，電氣元件、線材、PLC 及實驗板等材料的各種參數是需要根據項目要求進行數學計算的，但大多數院校利用該類型實驗板上課時，均忽略了這塊知識點。紅綠燈的亮和滅的時間集在編寫程序時，可以是一個周期數列，但同學們最終提交的程序，大多數是單流程編程法或基于狀態轉移的編程法，編程思想比較局限。整個項目忽略了數學知識的應用。

在建設高質量教育體系努力實現教育強國的今天，高等教育如何體現教育的“高等性”與“職業性”？本文從我國國情出發，立足我國的課程改革，以PLC 技術應用課程為例，研究、探索基于STEAM 教育理念的制造類專業理實一體化課程的一個解決方案。

二、基于STEAM 教育理念的PLC 課程教學模式構建

教學模式是指在某種教學思想或教學理論指導下建立起來的一種較為穩定的教學活動結構框架和活動程序，通常包括五個因素：理論依據、教學目標、操作程序、實現條件和教學評價，這五個因素之間的有規律聯系就是教學模式的結構。

（一）理論依據

STEAM 教育理念鼓勵學生在科學、技術、工程和數學領域的發展和提高，培養學生的綜合素養，從而提升其全球競爭力。該理論的教學思想遵循新工科的建設內涵和特征，也遵循卓越工程師教育培養計劃。

PLC 的知識體系由理論知識體系和實踐應用體系構成。理論知識體系包含PLC 構成原理、軟硬件結構、編程指令；實踐應用體系包含PLC 控制系統的設計及電氣設備的安裝和調試。因此，PLC 技術應用課程和STEAM 教育理念之間存在隱含規律，它們之間互相成就，STEAM 教育理念為PLC 課程構建提供夯實的理論依據。

（二）教學目標

任何教學模式的核心都是教學目標，教學目標對構成教學模式的其他因素起著指向和制約作用，它影響著教學模式的操作程序和師生在教學活動中的配合關系，也是制定教學評價指標的依據和尺度。基于STEAM 教育的制造類專業理實一體化課程教學模式需要在學習過程中注重學生的科學認知，注重體驗教學，培養學生的創新能力，技術、工程、藝術和數學互相結合，打破常規學科界限。

因此，基于STEAM 教育的PLC 課程教學目標要求學生能夠利用科學、技術、工程、藝術和數學五元素中的全部或兩項以上對項目進行分解，并對項目進行探究，提高學生學習的能力，養成良好的思維和學習習慣。發展好奇心和求知欲，培養堅持真理、勇于創新、實事求是的科學態度與科學精神，形成科學的價值觀，培養學生的團隊合作精神。表1 描述了STEAM 元素與PLC 技術應用課程的內容融合關系。PLC 知識體系是基于現代工業控制系統的知識和技能體系，教學要借鑒項目開發建設的思想指導教學過程，融合STEAM 教育理念，從項目開發實際角度出發，通過對本課程的學習和訓練，使學生熟悉PLC 的基礎知識，掌握PLC 的指令系統和編程方法，培養學生分析、解決生產實際問題的能力，能夠應用PLC 完成實際控制系統的設計、安裝及調試，達到與從業相關的職業技能要求，成為真正意義上的技術應用型人才為教學最終目標。

表1 STEAM 元素與PLC 技術應用課程的內容融合關系

（三）操作程序

操作程序制定了在教學活動中教師和學生在不同階段應該完成的任務，即規定了師生應該先做什么、后做什么。每一種教學模式都有與其融合的邏輯步驟和操作程序。STEAM 教育理念的教學模式是一種建立在建構主義教學理論基礎上的探究式教學模式，它適用于各類理實一體化課程的教學，尤其是實踐性和操作性較強的課程，有利于教師按本校實訓室現有設備，構建自己的教學策略開展教學。教師能比較準確掌握學生在不同任務階段的知識與技能掌握情況，然后開展因材施教，滿足不同學習能力的學生需求，充分體現“以學生為本”的教學理念。

以“基于PLC 十字路口交通燈的控制”為例，這是一項具體的日常可見的工程項目，適合采用STEAM 教育理念的項目教學模式開展教學。首先，老師應該讓學生清楚該項目的硬件系統由哪些部分構成？指示燈、傳感器、PLC 模塊、電源模塊及按鈕等構成足夠嗎？怎樣讓學生可以懂得程序編寫思路、編程方法技巧，并應用到編程學習中，提高編程能力，轉化成自己的知識和技能。因而，在基于STEAM 教育理念的PLC 課程教學模式的教學活動中，教師的角色應體現如下幾點。

（1）將和項目有關的科學原理告訴學生，讓學生去探索項目中所隱含的科學規律；如本文所提及的十字路口交通燈，教師可以提出如下問題進行探討：交通燈的控制經歷了什么樣的過程？為什么選紅黃綠這三種顏色作為信號燈顏色？低壓電器工作怎樣實現閉合與斷開？高、低電平是什么？為什么要用PLC 來實現交通燈的控制？等等科學問題，以提升學生科學精神。

（2）提出技術要求，即項目的任務書，提出本項目學生要完成的目標。如項目硬件的搭建要求，紅黃綠燈的控制要求等。提升學生的工程素養。

（3）PLC 十字路口交通燈的控制可以是一個完整的項目，因而可以引入工程的概念。在第（2）點中教師提出了技術要求，接下來教師應該提出工程的要求，要求學生提交項目申請書，教師審核過申請書后，才允許學生組裝實驗板，教師還需定時檢查學生的工程進展情況。提升學生的技術素養。

（4）提出驗收要求，項目除了達到功能要求外，還要求提交的作品布局合理、走線牢固、扎帶線頭長短合理、臺面整潔等人文要求，強調好的產品必須有吸引人的外觀。培養學生一絲不茍的工作態度。

（5）要求有數學計算。比如根據功率要求，計算連接線的線徑、選擇低壓電器的類型等。使學生加強對科學理論進一步的認知，培養學生科學嚴謹的態度。

學生應該按老師提出的（1）—（5）的要求，按步驟完成訓練項目，最后提交作品和項目結題書參與考核評價。

（四）實現條件

實現條件是指能使教學模式發揮效力的各種條件因素，如教學內容、教學手段、教學環境與教學時間等。

本文的前提條件是學生具備電工基礎的基本知識，能安全使用三相交流電，懂得電壓、電流和功率的計算。基于STEAM 教育理念的PLC 技術應用課程教學要求實訓室有實訓要求的所有材料，如“基于PLC 十字路口交通燈的控制”為例，實訓室應具備工具箱、PLC、電工實訓網孔板、線材、接線端子、線槽、螺絲、螺母、紅綠黃燈、空氣開關及斷路器等，如果條件允許，還可以安排沖床和銑床用于機加工。實訓室中間部分擺放課桌和電腦，四周擺放工作臺和材料柜，為了有效利用實訓室的材料，建議基于STEAM 教育理念的PLC 應用技術課程連續2 周無間斷學習完成。教學內容、教學手段、教學環境和教學時間見表2。

表2 PLC 課程58 學時教學內容

通過模擬典型而與生活接近的實際項目，引導學生學習、分析、討論，完成項目的設計、安裝及調試，在短時間內高效率的掌握理論知識與實踐技能，養成良好的思維和學習習慣，總結經驗，吸取教訓，順其自然觸類旁通地應用到其他項目中。

（五）教學評價

教學評價是指具體教學模式中完成教學任務，達到教學目標的評價方法和標準等。基于STEAM 教育的教學模式將學習內容按照企業項目開發的過程進行安排，對項目的設計過程和設計要素有一個完整的概念，培養學生分析、解決生產實際問題的能力，提高學生的職業技能和專業素質。

整個教學過程中，以實踐能力為主，課程考核分數設置為100 分，考核可參照表3 的五個部分，其中每個部分的成績必須達到該項成績所占的60%以上，如筆試成績占整個課程的20%，但卷面成績100 分，則筆試成績必須達到卷面的60 分以上。

表3 考核評分標準

從基于STEAM 教育的PLC 應用技術課程教學模式構建角度來看，理實一體化課程的有效教學關鍵在于理論教學與實踐教學的關聯程度，二者互相配合，互相補充，缺一不可。對理實一體化課程教學而言，若把理論教學和實踐教學剝離，則該課程的教學意義將大打折扣。基于STEAM 教育的理實一體化課程教學模式構建過程實際上是培養學生在體驗、探究、合作的框架下，綜合運用理論知識和自身技能，實現知識和技能提升的過程。因此，基于STEAM 教育的探究式教學模式適用于PLC 應用技術的教學實際。

三、結束語

如何轉變基于知識供給與消費的傳統教育模式的問題，關鍵在于課程改革。通過STEAM 教育在理實一體化課程中的應用，采用合適的課程教學模式，選用與課程吻合的教學內容，引導學生完成教學設計任務，在教學過程中，潛移默化提高學生的科學、技術、工程、藝術及數學素養，加強學生對理實一體化課程的認知，可使高等職業教育課程的“職業性”與“高等性”有機融合。同時，可提高應用型、技術技能型和復合型人才的培養比重，為促進產教融合、校企合作和學習就業做好銜接工作。