自動化專業工程實訓類課程的改革與實踐探究

王艷芳 李智強 王莉 李童童

關鍵詞：實訓類課程改革；電氣控制與PLC；教學設計；學為中心

國家于2016年提出“中國制造2025”戰略方針，要求提高國家制造業創新能力，推進信息化與工業化深度融合，強化工業基礎能力。教育部也于2017 年正式推出“新工科”計劃[1]，并針對此制定了一系列的政策鼓勵校企之間進行合作。新工科建設需要加強研究和實踐，圍繞工程教育的新理念、學科專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量、分類發展的新體系等內容開展研究和實踐，是新工科提出的高要求。

怎樣讓學生高效地掌握實訓類課程是師生們要共同面對的問題。本文以電氣控制與PLC綜合設計與實訓課程為例，將現代信息技術與傳統教學有機結合，夯實基礎理論知識，重構電氣控制系統實驗平臺，系統設計實訓項目，整體規劃課程，以培養學生的綜合應用知識解決復雜問題的能力為目標，將卓越工程師教育培養標準融入自動化專業課程教學之中，構建新的教學模式和體系，滿足新工科對人才培養的需求，更好地實現工程教育培養目標。

1 電氣控制與PLC 課程實踐教學現狀分析

1.1 實驗設備與機型落后，難以滿足日益增長的社會需求

原來的實驗設備是實驗箱，搬運方便，但封裝太好，學生在做實驗時無法看到接口電路的連接方法，造成本該軟硬件結合的實驗只能調試軟件，無法完成硬件電路的實踐。實驗機型相對落后，只能進行簡單的邏輯控制，許多高級算法無法實現，沒有配備被控對象，更不用說與企業接軌，實現后期強大的云控制功能。造成學生進入崗位工作時感覺所學無用，缺乏對專業的認同感。

1.2 實踐教學內容不夠連貫，教學目標不明確

我國本科自動化專業的實踐教學，大多是以課程實驗、課程設計和實習三大塊來運行的。其中實驗與課程設計均是基于某門課程。這種模式的最大弊端在于造成實踐環節依附于課程，無法形成統一的體系。

實踐教學的內容設計過于單一，不能形成以項目為導向的工程教育理念的構思、設計、實現和運作的訓練體系，難以達到培養卓越工程師訓練目標。由于實踐教學從屬于理論課程，造成在實驗內容安排上既可能相互脫節，也可能互相重復。實驗項目大多為驗證性質實驗，對各種理論和技術的工程應用欠缺，較少考慮到綜合設計能力的培養要求，不利于學生工程教育能力的培養。

1.3 考核方式單一，不能體現課程目標

由于實踐教學環節從屬于理論課程，實驗安排又存在著一定的隨意性，造成實踐課程考核過于隨意，實踐課的考核基本都是實驗報告定終分。而實驗報告雷同率較高，無法區分學生的學習能力，無法體現對課程目標的考核要求，也無法滿足新工科工程師培養的需求。

1.4 課程教學模式未能跟現代的信息技術結合在一起

“復旦共識，天大行動，北京指南”都提出多學科融合的專業需求，自動化專業與信息技術的聯系尤為緊密，在OBE的培養模式下，有效地與大數據、信息技術等新型技術進行學科交叉融合，構建上升互補式的一體化課程體系[2]和實踐教學體系，探索教學科研協同、校企合作的教學模式。協同育人，強化實踐環境，將是工程類專業培養模式改革的一個方向。

2 以畢業要求為導向，設計課程目標

課程目標是以滿足專業畢業要求的培養目標進行設計的，按照電氣控制與PLC課程在專業課程體系中的定位，從基礎知識、解決復雜工程問題能力和專業工程素質三個方面，設計本綜合實訓的課程目標，適時融入思政元素[3]，發揮課程思政的協同功能。

培養學生學會項目的資料收集、整理和分析方法，并具有工程計算和繪圖的基本能力；培養學生綜合運用課程知識進行系統方案設計的能力；訓練學生對電氣控制系統的設計與實施的能力；訓練團隊合作能力以及與同學老師溝通、撰寫科技報告的能力；同時培養學生嚴謹、專業的工程素質以及勇于創新、攻堅克難的專業精神。

3 電氣控制與PLC 實踐教學內容設計

根據專業實踐教學要達成的培養目標，多次研討實現這些課程目標的途徑，確定實訓項目、實訓條件，整合優化教學內容，制定了“基礎實驗項目→綜合性設計性項目→學科競賽”的逐層遞進[2，4]知識體系。

在實訓內容設計時，重新整合優化實訓內容，融入思政要素，每個實訓均采取小項目的形式開展。每個小項目都有明確的基本訓練內容、能力訓練、專業綜合等不同層次課程教學內容的設計，訓練學生工程思維、分析設計、綜合考慮問題等不能層次的能力，同時融入工程項目管理、課程思政、個人與團隊、溝通等非技術能力的內容，強化學生非技術能力的培養，培養學生不同階段的能力。

課程組專門針對電氣控制與PLC綜合設計與實訓課程設計了以S7-1200機型為控制器的實訓設備。包括5個基礎實驗，進行課程編程軟件與基本指令等基礎訓練；4個綜合性實訓項目，進行多學科相互交叉融合，內容更豐富，更全面，進行復雜工程能力的訓練；最后依托教育部組織的中國智能制造挑戰賽，在專業課程訓練時，引導學生進行專業知識的提升，做到以賽促學、以學促賽、以賽育人。

其中4個綜合性實踐項目，融合了電路、電機拖動、自動控制理論、傳感器技術等相關課程，完成專業知識整合，設計了邏輯控制單元、模擬量控制、伺服驅動、交流變頻控制、步進電機控制等工業控制常見領域的控制模塊，建立了專業的知識體系，進行了專業能力、團隊合作、溝通與查閱資料等能力的培養。綜合實訓時間安排每個項目8個學時，采取全天排課，不間斷完成一個項目，課程采取邊講課邊實訓，每個項目學生可以深入鉆研學會控制領域的一個應用方面。2019年下半年開始投入使用，運行良好。實訓項目、教學目標與知識體系的關系見表1。

4 課程教學設計與實施

電氣控制與PLC綜合設計與實訓課程的開展、與理論課程統籌安排、統一規劃，采取穿插形式進行，理論課開課一定時間之后開展實訓課，并且理論課教師與實訓課教師定期進行溝通教學進度，對于遇到的問題，商討解決方法。總體上以培養學生解決復雜工程問題能力和主動學習能力為目標，強化預習與實操環節，結合線上線下混合式教學[4]的特點，重新設計教學環節，為企業培養卓越工程師。做到課前目標明確，課中任務明確，課后及時總結反思。

4.1 課前預習環節設計

在開課之前，將每個實訓項目的實訓內容按照知識點進行分解，確定知識點的難易程度，完成線上與線下學生要完成的任務劃分。老師利用云課平臺提前推送每次實訓的任務。實訓任務中有明確的課程學習目標、要掌握的知識點、每個項目學生要完成的預習內容，實訓實操中的需要學生完成的部分，以及學生最關心的考核方式、打分依據，包括實訓基本要求、高層次要求都詳細地列于其中。簡單的基礎知識應用采取預習形式完成，要求學生通過微課查找資料，完成每次實訓的預習任務，實訓時備查。

每次在推送課前預習任務時，同時推送與課程或專業相關的資源。學生可以根據任務需求，了解行業動態、專業前沿，拓展自己視野，完善自我知識體系。實訓課程云課的優勢在于老師可以隨時將與實訓相關的材料發送給學生，學生可以找到自己不懂的知識點，反復觀看微課，也可以在討論區與其他同學一起討論完成預習任務，這給學生營造了一個開放的學習環境。在無人指導的情況下，還可以通過觀看微課和資源加強自身的專業素養。預習任務的完成度，在實訓前要求形成文字性的報告，通過現場問答判斷學生實訓預習任務的情況。老師根據預習的效果及時調整教學的難點與重點，形成一個及時的學情反饋。

4.2 實操教學環節設計

實操教學環節的組織主要是老師講授、重點問題討論、學生組隊開展實訓、實時檢查實訓效果幾個環節。

老師講授以學生預習報告的學情反饋為基礎數據，重點強調實訓中需要注意的難點與重點。遇到新的問題啟發學生利用網絡平臺、團隊成員協同解決問題。訓練學生查找資料、溝通解決問題的能力。

在實操環節重難點講授過程中，融入節能環保、工匠精神、創新精神等思政要素。內容的設計上采取先簡單后復雜由淺入深的教學思路，項目內容主體一致，但細節分不同層次。每組同學按照自己預習的方案進行實操接線、軟件調試。同學們協同解決實操過程中碰到的問題，訓練學生碰到問題解決問題的能力。在實訓過程中老師及時提醒同學們實驗出現的共性問題，個性問題單獨輔導。當學生完成實訓的基本任務之后，老師根據實操結果現場打分。如果發現有些同學的基礎實驗完成度較高，提出較高層次的實驗任務，引導學生完成更高層次的教學目標，激發學生的學習熱情和創新能力，由點及面，發揮優秀學生的帶隊功能，帶動班級乃至整個專業的專業素養。

實操效果的考核也屬于實操教學環節的非常重要的一環。教師在實操效果考核環節對每個同學進行打分，同組學生通過是否完成實驗基本內容、回答問題等方面的考核。實操環節實時打分具有很強的真實性，能夠動態、真實地反映學生對知識掌握的程度。這種實時考核機制既可以激發學生學習的熱情，又訓練了學生的專業技能，為培養新工科專業的人才保駕護航。

4.3 課后教學環節的設計

實訓的最后一個教學環節是實訓總結，實訓總結是對實訓過程的一次全面復盤，實訓總結報告又是一次跟自己和老師進行文字溝通的機會，每一次的總結都是一次自我反思與知識結構提升過程。需要對實訓的目的、實訓方案、硬件原理圖設計、軟件結構劃分、程序文字敘述、實訓過程出現的問題以及解決辦法進行總結，形成文字性的報告。實訓能力的提升一是能在實驗室完成項目任務，二是能在實訓過程將實訓過程現場講給老師，三是實訓結束后能進行文字性的闡述。實訓任務的做、講、寫三個不同方面的能力訓練，實訓內容從多個維度完成，實現在專業實訓類課程中的解決復雜工程能力的培養。

學生根據實訓總結反思自己的實訓效果，并根據實訓效果及時調整自己的學習方法。老師根據報告評估結果及時調整教學方式，實現教與學雙向的調整[5]，達成課程目標，幫助學生更好地完成自我知識體系的建立。

4.4 考核方式的設計

實訓的考核是針對是否達成課程目標來設計的，不同的課程目標采取不同的考核方式。增大課前預習與實操環節的考核比例，強化預習與動手能力考核。考核內容包括課前預習環節的硬件原理圖的正確性、可實施性考核學生利用專業基礎知識、通過查閱文獻進行方案設計的能力、解決問題的能力；課內實操時硬件接線的正確性、是否考慮環保與節能等因素、軟件使用的熟悉程度、軟硬件的調試效果以及團隊合作溝通情況考核學生綜合運用課程知識對電氣控制系統的分析、設計與實施的能力，以及團隊合作與同學老師溝通的能力；課后總結內容的完整性與準確性以及文檔整理的規范性考核學生具備一定的繪圖能力和相應的軟件編程能力以及撰寫報告的能力。

5 結束語

電氣控制與PLC綜合設計與實訓課程實踐性強，需要一定工程經驗，是專業課程中第一門大型實訓類課程，課程難度較大。本文以學生發展為中心，以社會和專業需求為導向，設計符合專業需求的課程目標，根據課程特色，設計逐步遞進的實訓內容，結合云課平臺進行課程教學環節的實施，把控實訓的每一個環節，設計操作性強的評價體系，引導學生的學習習慣，激發學生的學習熱情，并且每屆會依托課程選拔出30人參與中國智能制造挑戰賽，培養具有社會責任感的工程師。從教學效果來看，學生學習目標明確，主動性提高，課前預習環節完成度很高，分層次的實訓任務激發了不同層次同學的個性化需求，2021年學科競賽也突破性獲得了國家級特等獎，以點帶面，起到良好的帶頭作用，達成了新工科卓越工程師培養要求。