新工科背景下應用型本科院校電氣控制與PLC技術課程實驗教學改革探索

李睿智 武志偉 程晟

摘? 要? 新工科背景下，面向智能制造行業蓬勃發展對學生工程實踐能力和創新能力提出的新需求，目前電氣控制與PLC技術課程實驗教學環節存在著實驗教學平臺不完善、教學內容與行業發展需求脫節、教學組織形式陳舊、考核評價方式單一等一系列問題。針對上述問題，從構建多層次實驗教學平臺、更新實驗教學內容、改進實驗教學組織方法、優化考核評價方式四方面進行教學改革。教學實踐表明，該實驗教學改革可以有效激發學生的學習積極性，對學生的工程實踐能力和創新能力培養具有明顯的促進作用。

關鍵詞? 新工科；實驗教學；電氣控制與PLC技術；教學改革

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）10-0142-05

Exploration on Experiment Teaching Reform of?Electrical Control and PLC Technology in App-lication-Oriented Undergraduate Colleges Under Background of New Engineering： Taking Shanxi Institute of Energy as Example//LI Ruizhi， WU Zhiwei， CHENG Sheng

Abstract? Under the background of New Engineering， facing the new demand for the cultivation of stu-dents engineering practice ability and innovation ability due to the vigorous development of intelli-gent manufacturing industry， the existing experimen-tal teaching links of the course of Electrical Con-trol and PLC Technology have problems such as imper-fect experimental teaching platform， disconnection between teaching content and development needs of?the industry， outdated teaching organization form，?and single assessment method. In view of the above?problems， this paper carries out teaching reform?from four aspects： constructing multi-level experi-mental teaching platform， updating experimental tea-ching content， improving experimental teaching orga-nization method and optimizing evaluation method. The teaching practice shows that the experimental teaching reform effectively stimulates students learning enthusiasm， and plays an obvious role in promoting the cultivation of students engineering practice ability and innovation ability.

Key words? new engineering; experimental teaching; elec-trical control and PLC technology; teaching reform

Authors address? Shanxi Institute of Energy， Jinzhong， Shanxi， China， 030600

0? 引言

隨著云計算、大數據、人工智能等新一代信息通信技術與先進制造技術不斷融合，我國制造業正在邁入智能制造時代。在此時代背景下，制造業對機電類專業畢業生的能力提出了更高的要求[1-3]。需要特別指出的是，在畢業生的眾多能力指標中，工程實踐能力和創新能力被提到了前所未有的高度。為積極應對這一人才培養過程中的嶄新課題，2017年教育部啟動了“新工科研究與實踐”項目，旨在培養科學基礎厚、工程實踐能力強、綜合素質高的應用型、技術型創新人才，著力解決高等工程教育中的實踐性和創新性問題[4-5]。

電氣控制與PLC技術是機電類專業的一門重要專業核心課程，其內容涵蓋電工電子技術、控制技術和計算機技術等多方面的綜合知識，具有理論知識涉及范圍廣、邏輯性強、實踐教學與工程實際結合緊密的課程特點[6]。通過本課程的學習，畢業生可以從事自動化系統設計與調試等相關工作，在智能制造領域具備較強的核心競爭力。相比于其他專業課程，該課程實踐性強的特點尤為突出，因此，實驗教學質量直接關系著該門課程教學效果的好壞。符合人才培養規律的實驗教學安排可以極大地激發學生的學習興趣，更好地鞏固理論知識，培養學生的實踐動手能力和創新能力；反之，不夠合理的實驗教學安排則會導致學生理論知識體系混亂，只會機械記憶實驗步驟，缺乏主動思考能力，進而產生厭學、怕學情緒。因此，針對電氣控制與PLC技術課程開展實驗教學改革探索，對于加快推進智能制造相關領域新工科建設，持續深化工程教育改革，加快培養適應和引領新一輪科技革命和產業變革的卓越工程科技人才具有十分重要的意義[7-9]。

1? 電氣控制與PLC技術課程實驗教學現狀

電氣控制與PLC技術是山西能源學院機械電子工程專業在第七學期開設的一門核心專業課，該課程以西門子的S7-1200系列PLC為主講控制器，重點講授PLC工作原理、指令系統、編程方法、通信與網絡等相關知識，使學生能夠掌握產品選型、工控系統設計、設備調試等智能制造領域工程技術。該課程總學時為40學時，其中，實驗學時有4個，依托THSMS-C型網絡型可編程控制器實驗臺，從十字路口交通燈控制系統、四層電梯控制系統、天塔之光模擬控制、機械手模擬控制等16個數字量實驗模塊中選取兩個進行實驗教學。本文以該課程近幾年的實驗教學實踐為研究基礎，結合在校生結課座談反饋，參考畢業生工作調研情況，發現電氣控制與PLC技術課程實驗教學中存在以下幾個關鍵問題。

1.1? 實驗教學平臺構建不完善，難以支撐新工科人才能力培養指標

山西能源學院電氣控制與PLC技術實驗教學主要依托THSMS-C型網絡型可編程控制器實驗臺（圖1）進行。從實驗臺數量來看，筆者所在系共有該實驗臺8個，以兩人為一組，一次可同時滿足16名學生進行實驗，這與教學班70人的學生數量相差較遠，從而出現多人共用一臺實驗設備的情況，導致許多學生無法親自動手實驗，只能觀看，學習效果不理想。從實驗臺結構來看，該實驗臺只能采用插孔方式進行接線，所有電器元件全部封裝在實驗臺內部，這就導致學生無法直觀地觀察電器元件，對知識的理解仍然停留在書本上的圖片層面，實驗教學相比于理論教學的真實性優勢蕩然無存。從實驗臺功能來看，該實驗臺僅能完成一些數字量控制實驗，模擬量控制、運動控制、觸摸屏等內容難以完成，實驗臺功能與產業需求脫節嚴重，學生的工程實踐能力和創新能力難以得到真正的培養和鍛煉。綜上所述，該專業目前的實驗教學平臺構建不夠完善，對于新工科人才的培養過程難以起到較好的支撐作用。

1.2? 實驗教學內容缺乏綜合性和設計性，與產業發展需求嚴重脫節

在實驗教學內容方面，該課程目前所做實驗為交通燈控制等基礎性實驗，這些實驗對學生在加強基本指令知識理解、熟悉編程軟件操作等方面具有一定的幫助作用，但難以涉及模擬量控制、運動控制以及通信與網絡技術等PLC核心技術，無法培養學生模塊化的編程思維和綜合性的項目設計實踐能力。另外，目前所開設實驗大多數為驗證性實驗，實驗內容缺乏自主設計性，難以培養學生的創新能力。所以，缺乏綜合性和設計性的實驗教學內容會導致學生的能力培養與產業發展需求嚴重脫節。

1.3? 實驗教學組織方式缺乏科學性，與學習認知規律不符

在傳統的實驗教學組織過程中，實驗學時為四個學時，只占課程總學時的十分之一，僅夠完成兩個基礎性實驗，學生的動手能力很難得到充分鍛煉，這與該課程實踐性強的特點背道而馳。另外，傳統的實驗教學往往安排在課程最后階段，即理論教學授課結束之后，這會使理論知識教學與實驗教學人為地割裂，導致學生在進行理論知識學習時，無法通過實驗教學進一步加深印象；在進行實驗驗證時，失去理論知識的指導，變成為了做實驗而做實驗，難以達到實驗教學的真正目的。總之，傳統的實驗教學組織方式缺乏科學合理的安排，與學生的學習認知規律不符。

1.4? 實驗教學考核方式缺乏客觀公正性，難以起到檢驗、反饋與督促的作用

相比于理論知識教學采用一張期末試卷進行考核的方式，實驗教學更加注重實驗過程中學生的實際動手表現，僅憑實驗報告無法客觀公正地對學生的實驗能力進行評價。在傳統的實驗教學中，由于實驗條件受限，在做實驗時經常是一個學生做、多個學生看，實驗結果多人共享， 實驗報告相互抄襲。教師在進行實驗成績評定時，無法準確判斷學生實驗掌握程度，往往只是通過實驗報告書寫認真與否給出相應成績，存在極大的隨意性和無差別性，實驗評價流于形式。對于學生來說，這種實驗教學考核方式無法對自己的實踐動手能力和創新能力起到檢驗與反饋的作用，還會助長學習懶惰性，產生“混”的思想，無法對學習起到積極的督促作用。

2? 電氣控制與PLC技術課程實驗教學改革措施

針對該課程實驗教學目前存在的問題，本文主要從構建多層次實驗教學平臺、更新實驗教學內容、改進實驗教學組織方式、優化實驗教學考核方式四方面進行教學改革與探索。

2.1? 構建多層次實驗教學平臺：新工科人才工程實踐能力和創新能力培養的基礎保障

實驗教學平臺是開展實驗教學的基礎保障和硬件支撐，因此，進行實驗教學平臺升級是進行電氣控制與PLC技術課程實驗教學改革的先決條件。針對目前該課程實驗教學設備數量少、實驗臺功能陳舊等突出問題，本著“基礎模塊+綜合設計、線上仿真+線下實踐”的建設思路，構建基礎實驗平臺+虛擬仿真實驗平臺+智能制造實驗平臺的多層次立體實驗教學平臺[10]。

2.1.1? 基礎實驗平臺

該平臺主要用來完成基本指令練習、交通燈控制、天塔之光等驗證性實驗。通過該平臺，一方面可以使學生加深對理論知識的理解；另一方面可以使學生熟悉程序編寫、下載以及接線調試等基本操作，使學生具備基本的工程實踐意識和工程實踐能力。

2.1.2? 虛擬仿真實驗平臺

該平臺主要用來完成全自動洗衣機控制、自動門控制、電梯模擬控制等設計性實驗。由于虛擬仿真實驗平臺具有電器元件不怕損壞且種類豐富多樣、可以做到人手一臺以及電器元件內部結構方便查看等獨特優點，通過該平臺可以讓學生自主完成一些中等難度的設計性實驗，鍛煉學生的編程能力和設計思維，逐步培養學生的創新能力。

2.1.3? 智能制造實驗平臺

該平臺主要用來完成物料自動分揀系統、桁架機械手控制系統、立體倉庫控制系統等綜合性實驗。該平臺包含步進電機、S7-1214C型號的PLC控制器、傳感器、氣缸等眾多工程實踐所用的電氣元件，能夠為學生提供接近工程實踐的實驗環境。通過該平臺的實驗，可以使學生基本具備完成小型智能制造工程項目的設計經驗和工程實踐能力。

2.2? 更新實驗教學內容：新工科人才工程實踐能力和創新能力培養的主體承載

實驗教學內容是實驗教學環節的主體承載部分，對學生的工程實踐能力和創新能力培養起著決定性作用。在傳統的實驗教學過程中，由于“重理論、輕實踐”教學觀念的存在，導致實驗學時少，且實驗內容的選擇大多是與當前行業發展脫節的基礎性實驗，學生在做實驗時挑戰性很小，工程實踐能力和創新能力無法得到真正的培養。因此，該課程在進行實驗教學內容改革時，以對接智能制造行業發展需求為中心思想，從課內課外兩個方面更新和擴充實驗教學內容[11]，電氣控制與PLC技術課程實驗教學內容如表1所示。

在課內教學方面，首先，針對每一模塊的理論知識配備相應的實驗教學內容，理論聯系實踐，實踐檢驗理論，從而加深學生對知識的理解。將實驗課時由4個增加到16個，為學生提供充足的時間。其次，著重增加當前行業發展所需的模擬量控制、運動控制以及小型控制系統綜合設計三方面的實驗內容，確保學生在電氣自動化領域的工程實踐能力能夠得到全方位的鍛煉，為今后從事該行業的工作打好基礎，努力做到無縫銜接。

在課外拓展方面，針對學生所提的實驗時間短、項目少，能力難以得到充分提升的問題，本次實驗教學改革在每個實驗教學內容的課后配備一到兩個課外拓展實驗，方便學生進行自我鞏固練習，以達到加深知識理解、提升實踐能力的目的。

2.3? 改進實驗教學組織方式：新工科人才工程實踐能力和創新能力培養的主要手段

好的教學組織方式可以使學生接受知識的過程更為順暢，因此，應該根據每一門課程的特點制定合適的教學組織方式。結合電氣控制與PLC技術課程實踐性強的突出特點，在實驗教學過程中應該牢牢抓住“培養學生工程實踐能力”這一教學目標，貫徹“以學生為主體”的教學理念，采用“學中做、做中學”的教學方式展開實驗教學[12]。

2.3.1? 實驗教學環節時間安排方面

摒棄傳統教學模式中將實驗教學放在課程最后的安排方式，將實驗教學緊跟對應的理論教學模塊之后進行，實現理論實踐一體化教學。這種實驗教學安排方式可以使學生在學完理論知識后，第一時間進行實驗鞏固，從而加深對理論知識的理解；同時，實驗過程中所出現的各種問題可以促使學生從廣度與深度進行知識的理解和延伸。此外，接近工程實踐情景的實驗教學還可以大大激發學生的學習積極性，克服長期理論知識學習過程中的枯燥性和懶惰性，形成學生主動學、教師引導教的良性循環。

2.3.2? 在實驗課堂教學方式方面

貫徹“學生為主體，教師為引導”的教學理念，利用“線上仿真平臺+線下實驗平臺”雙平臺支撐，采用“課前微視頻預習+課上實時指導”的教學方式完成實驗教學。將實驗任務、原理和設計關鍵點等內容通過錄制成微視頻的方式提前發給學生預習，學生可以利用虛擬仿真軟件進行初步思考與實驗設計。進入課堂教學之后，發揮學生的主體性作用，以小組為單元討論完成實驗任務，教師主要負責對學生進行錯誤操作糾正和思路引導。這樣的教學方式一方面可以為每個學生留出足夠的實踐鍛煉時間和思考時間，方便教師及時發現不同基礎學生的不同問題并為其提供個性化的實踐指導，另一方面還可以最大限度地培養學生的團隊協作意識，挖掘學生的創新潛力。

2.3.3? 在課后拓展方面

利用實驗思考題等方式引導學生進行實驗反思，并積極鼓勵學生利用課余時間進行自主設計性實驗、科研項目驗證實驗和學科競賽實驗，使學生進一步實現工程實踐能力和創新能力的提升。教師應該做好平臺支撐和技術指導，為學生實驗的順利完成保駕護航。

2.4? 優化實驗教學考核方式：新工科人才工程實踐能力和創新能力培養的重要反饋

在該課程以往的實驗教學考核中，教師主要依據學生的實驗操作表現和實驗報告給出成績，但由于學生眾多，教師很難記住每一個學生的課堂表現，學生只要寫好實驗報告就能得高分，評價方式缺乏客觀公正性，難以真實地反映學生的實踐能力水平的高低。另外，由于實驗成績在該課程的總成績中占比很少，只占10%，學生對實驗教學成績重視度不夠，久而久之導致學生缺乏學習積極性，忽視實驗教學過程，工程實踐能力無法得到真正的培養鍛煉。針對上述問題，結合該課程的課程特點和培養目標，建立基于多元化評價理念的實驗成績考核體系（圖2）[13]。將實驗成績在該課程中的總成績占比提高到30%，以提高學生對實驗教學的重視度。實驗成績（按100%記分制）包含簽到、實驗報告、實驗操作表現以及實驗期末考試成績四部分，其中簽到占10%，實驗報告、實驗操作表現以及實驗期末考試成績各占30%。實驗期末考試由教師命題，考試時間為1學時，考試方式為學生單獨操作完成，教師依據每個學生在操作規范、設計思路和完成程度等方面的考試表現給出相應的分數。

3? 結束語

本文基于新工科背景下智能制造行業要求和科技創新人才培養目標，以山西能源學院機電類專業課程電氣控制與PLC技術為例，對其實驗教學現狀進行詳細剖析。針對該課程實驗教學中存在的痛點問題，從實驗平臺建設、教學內容更新、教學組織方式改進、考核評價方式優化等方面進行教學改革與探索。教學實踐表明，改革后的實驗教學效果明顯，學生學習積極性顯著提高，理論知識掌握與工程實踐能力提升均有明顯改善，對實現應用型本科人才培養目標有較好的促進作用。

4? 參考文獻

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