比较教学法在远洋渔船自动化教学改革中的应用

陈甜

[摘 要]远洋渔业船员机舱部高级船员自动化课程的培训难点主要在自动控制部分，本文介绍了单片机和可编程逻辑控制器的区别和联系，对两门渔船自动化的先导课程进行了比较和剖析，详细阐述了教学过程中采用比较教学法对提高渔船船员的学习效率和技术水平方面的优势，并通过具体数据验证了相关结论。

[关键词]电气自动化;单片机;可编程逻辑控制器;比较教学

[中图分类号]G641 [文献标识码]A

前言

比较教学法是指将内容相近的知识点经过提取和编排，组成比较式教学内容，引导学员通过比较、比照、类比等积极的比较思维，概括总结出知识点之间的异同，深刻理解所学的知识，进而形成比较式思辨能力的教学方法。

早期的远洋渔业船员轮机长或大管轮的培训，主要偏重热工和机械方向，电子电气居于次要地位。单片机目前国际上比较通用的名称是微控制器简称MCU，它是现代检测和控制领域不可或缺的组件。可编程逻辑控制器国际简称PLC，它是由传统接触器、继电器控制系统结合计算机技术发展而来。单片机和PLC技术实际上是船舶电气自动化的先导课程，它们衔接了传统模拟控制技术和新时代的数字控制技术，对海洋和渔业工程人员的知识更新起着举足轻重的作用。2015年1月1日实行的《中华人民共和国远洋渔业船员管理办法》远洋渔业船员需配备电机员。对远洋渔业船员电气自动化知识的培训程度越来越不容易把握，如何合理分配、衔接和掌握这两门相互联系的课程，一直是渔业船舶机舱部高级船员人员培训的难点。

1 单片机和可编程逻辑控制器的区别和联系

《中华人民共和国远洋渔业船员管理办法》于2015年实施后，远洋渔业船员知识评估体系发生了很大改变，例如《渔船轮机基础》理论考核取消，减少了考核科目，但把相应知识点分散到相应的主干课程中，如《船舶辅机》和《主动力推进装置》。《船舶自动化》从大管轮和轮机长起也开始纳入评估范围，它和原《船舶电气》合并，以《船舶电气自动化》的形式出现。改革之后，知识和实践联系更为紧密，减轻了学员盲目学习的负担，提高了学习效率和技术水平。计算机控制技术是《船舶电气自动化》的专业基础，在对远洋渔业船员的培训教学中，可编程逻辑控制器是以少学时的课程出现，但同时在《船舶电气》课程里又以电气控制技术的形式重复学习。两个重复性学习的课程尽管起源不同，但它们之间又有着千丝万缕的联系。以下是单片机（微控制器）和PLC（可编程逻辑控制器）的异同：

单片机和PLC在实际的测控领域充满着高度重叠。随着PLC成本的降低、高速化和小型化，两者的应用界限逐渐变得十分模糊。单片机目前的主要优势在于超低功耗，PLC的主要优势在于抗干扰。

2 传统教学模式的课程配置和管理

浙江海洋大学的海洋和渔业工程专业是专门培训远洋渔业船员机舱部开设的航海类专业，开设课程的主体内容主要涉及船舶和海洋工程的动力部分和电气工程的强电部分。传统船舶电气自动化教学模式的课程配置，以浙江海洋大学海洋和渔业工程专业为例，单片机课程设置在第二学年的第三学期，理论和实践学时为24+8，培训计划安排必修大学物理和电工电子学课程之后;PLC課程设置在第三学年的第四学期，理论和实践学时总和为24+8。两门课程授课在培训计划的时段和形式上相对完全独立。两门课程的实践项目分别是八项和四项。实际可编程逻辑控制器的四项实验项目和单片机课程的实践项目相近。初级PLC的应用，均能用单片机替代。单片机和可编程逻辑控制器是电气自动化的核心器件，它们是连接基础理论和技术应用的纽带，起着承上启下的作用。两门课的总学时量为64课时，时间跨度长，而且授课内容相互重叠的部分很多。例如在内部结构上单片机与可编程逻辑器件均由相应的中央处理器、存储器和输入输出接口构成;在技术实用技术方面，单片机和PLC应用技术均应用于船舶机舱自动控制领域，但在培训机构的模拟机舱实践环境下，两者培训所需的实践学习项目区别很小。

很多渔船船员由于两门课彼此分立，授课教师又极少将两门课作比较学习，而两种用作数据采集和系统控制的技术的很多应用领域重叠，导致即便是经过重复学习，依然不能分清两者的区别和联系。很多学员分甚至分不清弱电和强电系统分别会优先采用哪一种控制器。另一方面，因为缺乏比较对比，船员的实际应用会出现明显混淆。例如，两种控制器的运行方式和输入输出模式：单片机为逐行运行，逐行输出;PLC为集中扫描，集中输出。若孤立讲授PLC集中扫描和输出的运行方式，缺乏比较举例，大多数学员不容易理解。

3 比较教学法的应用

3.1 比较教学的组织架构

单片机（微控制器）和PLC（可编程逻辑控制器）在应用过程中虽然同为自动控制系统单元，但长期作为两门课程独立教学，必然有其历史的客观的必要性。传统的培训模式往往是多年经验累积的结果，教学计划相对成熟和严密，贸然采用不成熟的教学改革方案，易给学员的专业实习带来严重的不良影响。新的教学改革方案必须要经过严格的科学论证之后，才能付诸实施。作者在担任浙江海洋大学远洋船舶机舱部培训《单片机原理及应用》课程和《PLC技术》课程的任课教师期间，只是建议将相应培训计划中原本并行的两门少学时的课程分别安排在同一学期的前4周和后4周。在完成教学大纲基本要求的理论和实践教学后，更注重将基础理论应用于实际机舱环境的能力。所有时间项目都与当前自动化机舱各种前沿技术密切相关，并且重视将单片机技术和PLC技术可以重叠的应用实例作比较学习。

实践项目的控制系统方案可以用单片机或PLC迭代实现。实践项目的冗余设置，一方面可以强化两者在实践应用中的相似点，另一方面又在不断的比较中，获得对两种控制器件更加深刻的认识。虽然在大多数机舱环境中，单片机和PLC（可编程逻辑控制器）可以互相替换，但是两者在应用细节上有巨大差别：单片机的工作电压一般较低，信号易受干扰，通常需要采用光电耦合的方式，隔离输入输出;单片机的驱动能力较弱，控制输出时需要借助功率放大设备和外接驱动电源。尽管可编程逻辑控制器件首次配置的成本较高，但它具备不可忽视的优点：可靠性高、操作简单、驱动能力强、硬件组合易于实现和扩展。通常在要求较高和系统较复杂的状况下，采用单片机为核心的控制系统最终的性价比反而会低于PLC。

通过以上教学组织和教学内容的调整，将单片机和比较学习，学员通常对单片机和PLC技术的理解会相对加深，同时也能锻炼学员将知识应用于实践的能力。在电气控制系统的控制模块的选择上，将会形成初步的认识。

3.2 整体教学的优势和所需注意的问题

将两门课程在培训计划的教学顺序调整后，还需在具体教学过程中注意相关细节：

（1）单片机在弱电系统中应用比较广泛，可编程逻辑控制器主要用于弱点与强电的衔接，在制定教学计划时需要特别强调它们之间的异同点。例如需要重点突出单片机控制强点设备，必须通过功率放大器件推动继电器，以完成控制动作。

（2）教学课时的缩减。传统独立教学的总课时量为64课时，若将两门课程衔接整合到比较教学的过程中，很多相互重叠的内容就可以得到删减，节省教学成本，也提高了学员学习的效率，同时也可以调整基础理论的重复教学，适当增加实践应用内容的占比。

4 教学改革效果的验证

浙江海洋大学远洋渔业船员培训中心，在2016年，2017年，2018年远洋渔业船员培训的自动化课程的培训计划中，均设置有单片机原理及应用，PLC原理及应用的教学内容。2017年、2018年在采用教学改革措施的过程中，2016年依旧按照已有培训计划展开教学进程。《船舶电气自动化》课程在每期远洋渔业船员培训的初考合格率部分数据如表2所示。

从表中可以看出2016年未调整培训计划，远洋渔业船员的在交通部组织的高级远洋渔业船员《船舶电气自动化》课程的初考合格率在60%左右，但在2017年和2018年度实行比较教学的教学改革后，相对于2016年有了较大提高。

针对远洋渔业船员培训的特殊性，采用比较教学法后有如下优势：

（1）减少重复学习的资源浪费。前文中提到，单片机和PLC原理及其应用课程除单独开课之外，分别在《船舶自动化》、《船舶电气》课程中重复学习，很大部分原因在于多龙治水的弊病。远洋渔业船员机舱部高级船员的培训内容涉及热力学、机械、电气，知识较为庞杂，采用比较教学法，有利于改善教学计划的合理分配。

（2）使知识体系结构更为清晰。通过比较学习，可以使很多概念、性质和应用更为明确，提高教学效率。

（3）知識应用于实践的可操作性更强。在现在的自动化机舱控制系统中，往往应用PLC和单片机协同工作：单片机用于数据采集和传输;PLC用作系统控制。若两门课程隔离单独教学，将不利于课程理论和实践的联系。

5 总结和展望

比较教学的教学方式在教学内容相似或相近的课程中优势明显。但同时也需注意传统的教学模式往往是多年经验总结的结果，教学体系相对完善，采用新的教学改革方案必然有一些考虑不周的地方。尤其是当前MOOC在线教学平台日趋成熟，新的教学管理模式也在不断改进。如何最大化的利用最新的教学技术，最优教学管理方式，对于远洋渔业船员尤其是大管和轮机长等高级船员的培训，还需进一步在实践中验证。

[参考文献]

[1] 林正范.高等教育心理学[M].浙江大学出版社，2010.

[2] 王兰军.单片机和可编程控制器[M].山东科学技术出版社，2008.

[3] 郭朝有，常广晖，张超杰.舰船机械计算机控制技术[M].电子工业出版社，2018.