基于实践能力培养的“电气控制与PLC”教学改革

2019-02-21田粒卜

石家庄学院学报 2019年6期

田粒卜，陈鹏

（1.石家庄学院机电学院，河北石家庄 050035；2.河北鲲能电力工程咨询有限公司，河北石家庄 050000）

0 引言

“电气控制与PLC”是石家庄学院工科机械电子类、电气工程及其自动化、机器人工程等专业学生必修或选修的一门专业基础课.该课程具有实践与理论紧密结合、强弱电交叉应用、软硬件同时使用等特点[1]，同时该课程也是电类专业学生知识结构的重要组成部分，在人才培养中起着十分重要的作用，因而学好本课程对今后的学习与工作具有非常重要的意义.而随着“十三五规划”与“制造业2025”的提出，针对产业发展需求和人才需求，对于学生创造思维和创新能力的培养已然成为当前大学工程教育的首要任务[2]，对高等教育进行深化改革也势在必行.

1 “电气控制与PLC”课程教学现状

本课程2009年开始在石家庄学院电气专业本科学生中开设，最初使用的是《可编程原理控制器》教材，所授内容主要是PLC部分，后来引入了电气控制部分.自2012年开始，在理论教学和实践环节体系中便进行了一系列的改革与创新，进一步优化了教学计划，完善了实验设备，增加了课程设计部分，在实训和实习方面也得到了加强.本课程每年开设1次，理论课时54学时，实验课时18学时，另有2周的课程设计.

目前课程的讲授仍然是以课堂教学为主，虽然在教学设计上已经大大增加了实例性的部分，但是学生对知识体系的掌握还是有很大的局限性，通过近几年教学效果的反馈，主要发现存在着以下3个方面的问题.

1）主讲课程的老师普遍缺少工程实践经验.从事PLC课程教学的老师基本都是硕士研究生毕业以后直接来学校任教，没有在相关工厂企业中工作过，有的甚至从来没有见过或者动手操作过电气设备，这就使得课程讲授中很难融入先进、准确的实例教学.

2）PLC产品更新换代快，在市场上存在着不同国家不同型号的设备，培养方案中课时的安排以及实验室中实验设备类型的局限使得教学中只能选择入门级的产品让学生们进行学习，当学生走向工作岗位后，往往接触的是更为复杂和更为高级的产品，“举一反三”能力弱的学生在开始阶段会感到非常吃力.

3）虽然在授课过程中，教师也着意引入了大量的实物图片甚至是视频动画来帮助学生理解，但这与工程实际应用仍然有很大的脱离，学生在课堂上能够接受的有应用价值的内容还是偏少.实验以及课程设计环节的选题也存在同样的问题.

2 教学改革方案

针对课程目前存在的问题，本研究在教学内容、教学方法、实验实践环节、考核内容、双师型队伍建设等方面，就如何提高学生的实践能力、如何与工程实际相接轨进行了探索与实践.

2.1 优化整合教学内容

2.1.1 上好第1节课，激发学生学习欲望

第1节课是学生对于课程的初印象，印象的好坏关乎到学生之后学习本课程的积极性，因此上好第1节课至关重要.在第1次课要开门见山地给学生展示大量实际工程应用案例以及往届学生所参加的和PLC有关的设计、比赛作品及成果[3]，让同学们在这些实例中找到今后学习的动力和方向，激发学生的学习欲望.

2.1.2 整合教学内容，合理运用项目驱动

教学内容的设计好坏直接决定了学生在之后的学习过程中是否能够最大程度地接受所学知识，是否能够一直保持良好的学习态度，因此教学内容必须实现优化整合，保证先易后难、先简后繁的顺序.在开始简单的、小的知识点的学习时，引入生活中常见的易于理解的项目作为分析案例；随着知识点学习的增多，后续的项目案例要越来越复杂，最好能够循序渐进地把之前的知识点逐渐包含进来，这时候的项目选择就要偏向于工业化；当学习接近尾声时，要选取生产线上的综合性的实例项目，锻炼学生对工业项目整体分析甚至是设计的综合能力.

本着以上原则，在教学中，一共选取了27个项目内容.初级阶段的内容包含电动机点动与长动、正反转、降压启动等控制电路以及楼梯照明这种与生活密切相关的简单实例；中级阶段的内容包含电动机顺序起动、公交车乘客数量PLC监控、抢答器、交通灯[4]等诸如此类涵盖了诸多基本指令的实例应用；高级阶段的内容包含生产线上包装箱的PLC控制系统、基于PLC和变频器的恒压供水系统等，综合运用了电气控制中器件设备以及PLC的基本指令和功能指令.

知识点通过一个个独立项目进行驱动教学的同时，整个教学内容还贯穿了1个工程实例——简易的智能制造灌装生产线.这个项目依托于石家庄学院的智能制造基地，是从真实的生产线上拿过来的案例，整个案例在教学中分为8个部分，包含了电气控制部分设计、PLC控制系统设计、手动运行程序设计、自动运行程序设计、计数程序设计、统计程序设计、合格检验程序设计以及顺序控制程序设计[5].通过这个项目使学生对工业自动化项目的设计流程有了一定的了解，对生产线的运行过程有了一定的认识，将理论知识与工程实践实实在在地融合在一起.

2.1.3 及时掌握作业反馈，有的放矢

由于近几年电气专业的学生人数一直保持在100人左右，多的时候达到了140人，如果单凭老师来把控作业的完成度和质量在一定程度上很不理想，因此采用了分组形式，4～5人分为一组，每组设学习组长1名，每次作业由学习组长先负责检查，总结作业中存在的问题并按要求向老师进行反馈.教师根据实时反馈情况，对于共性问题在课堂上统一讲解，个别问题通过QQ、微信或者面对面进行解决.为了防止谎报瞒报情况出现，会不定时抽查作业，从而保证学生能够按时按质完成.

2.2 改进教学方法，丰富教学手段

课程的教学将教师讲授、学生讨论、直观演示、云班课线上视频讲解等多种手段融为一体，根据不同授课内容的特点选择最合适的授课方式.

多媒体用来展示大量的图片和动画视频，板书用来对重点难点进行分析或总结，有些需要学生重点掌握的知识点还会录制成短视频，放在云班课上，不受时间和地点的限制，学生只要需要的时候，便可以在线上进行反复学习.同时在线上还可以放入相关的学习资料、作业习题答案、课外学习的微视频二维码[6]，开展疑点讨论交流等活动，这些都对课堂教学进行了有益的补充.

2.3 注重实践拓展

2.3.1 实验环节

本课程总共开设了6个实验，实验内容涵盖了软件入门操作、基本指令简单应用、多种指令复合应用、不同指令分别实现同一个任务要求等，力求在实验阶段保证同学们都能够将学过的指令熟练掌握并准确应用.

为了切实提高学生的动手能力，每个实验两人一组，实验过程中教师对不同组学生进行随机提问，防止学生出现依赖或懈怠的情况，每次实验的结果需要教师检查验证后再当堂填写实验报告并上交.虽然”电气控制与PLC”实验不是一门独立的课程，但是仍然安排了实验的单人考试，考虑到学生们之间存在的差异，实验考试分为两个层次，低层次部分重点考核学生对实验设备和编程软件是否能够准确使用，是否能够完成相对比较简单的任务编程，这个层次属于基础考核，考核通过为合格；高层次部分重点考核学生对综合性任务的编程能力，是否能够将多种指令准确地融合在一起，在出现问题时，是否能够自己调试程序解决问题，这个层次属于能力考核，根据考核结果分为中等、良好、优秀3个档.学生在考核前可以依据自己的情况来选择参加哪个层次的实验考试.

实验考试能够提高学生对实验的重视程度，在实验中必须要自己亲自动手动脑去完成，才可能通过最后的实验测试，有效杜绝了以往实验中学生偷懒甚至最后只是抄写1份实验报告的现象.

2.3.2 引入参观环节

石家庄学院与北京华晟经世信息技术有限公司签订战略合作协议，投入价值近1 600万元的设备和软件，共建产教融合创新基地，机电学院智能制造产教融合创新中心项目是学校“十三五”发展规划重点打造的校企合作项目，也是学校转型发展工作中的样板工程.该智能制造基地拥有两条工业生产线、数台机械手操作台、PLC实训设计室等，包含了德国西门子和美国GE的多个型号的PLC控制器，是学生们学习了解PLC在实际工程中应用的极佳场所.

可以组织学生分组参观石家庄学院智能制造基地，通过对传感器、PLC、断路器、电机以及生产线机械手的实地学习，使学生们对相关课程有了直观认识，对学生实践能力方面的提升有很大帮助.参观结束后，要求学生按组完成参观报告，并根据参观内容延伸出后续课程设计的题目和流程，在教师审核后即开启课程设计环节.

2.3.3 课程设计环节

传统的课程设计部分都是在学期最后2周内开展，而这个时段学生的重心基本都放在了准备各科的期末考试上，往往使得课程设计过于仓促，起不到应有的提升学生能力的作用，因此将与本课程相关的两门课程设计进行了提前.

电工实训课程设计与电气控制部分的内容紧密相连，主要培养学生对电气低压设备的认知以及连线方面的动手能力，在理论课程学习完毕后，这部分的课程设计便立即展开，两者紧密衔接，有助于学生学以致用；电气控制系统课程设计与PLC部分的内容紧密相连，主要培养学生对复杂的工程实例进行编程设计的能力，这部分课程设计的开展从参观环节之后开始，基本上理论学习已经过半，学生们边学习边设计，学习接近尾声时设计完成，进行小组答辩.授课中期引入课程设计不仅能够避免期末的仓促，还能够有效引导学生，明确学习方向，改善学习效果.

2.3.4 以比赛促教学

通过前面一环扣一环的安排，绝大部分学生都能够很好地掌握知识内容，并拥有了一定的动手能力和实践应用能力，但应用型人才的培养绝不会止步于此，因材施教是教书育人的基本要求，为了选拔优秀的电气人才，也为了给有更高要求的学生提供机会，在教学的同时还引入了与PLC相关的比赛.

比如，本课题组协助学校教务处组织了2019年石家庄学院智能制造挑战赛，大赛共有来自计算机学院、机电学院的80余名同学报名参赛.竞赛项目主要以中国制造2025为背景，结合生产生活中的典型控制系统，以西门子1200系列或200系列PLC为核心，完成指定的控制要求与效果.比赛采取统一命题方式，要求学生以小组为单位，在规定时间内进行硬件设备连线以及编程完成任务要求，按照实际完成任务的功能性以及使用时间的长短进行评分排名.比赛不仅提高了学生们的学习兴趣，还为河北省“西门子杯”中国智能制造挑战赛储备了力量.

2.3.5 毕业设计环节

经过了之前的实验环节、参观环节、课程设计环节、比赛环节之后，学生对于“电气控制与PLC”课程已经有了比较深入的了解，对于硬件和指令的使用也更加熟练，因此在毕业设计时，有不少同学都选择了和PLC有关的题目，在这个阶段，题目的选择都是工业中的工程项目，设计中除了之前所涉及到的知识以外，加入了组态监控部分，使得整个项目更加完整和有实用性.

2.4 考核突出工程性

成绩考核包含了平时成绩、期中成绩、实验成绩和期末成绩4部分.平时成绩包括了出勤、作业、线上学习和参观报告4部分；期中考试侧重于电气控制部分的知识；实验成绩的得出由平时实验得分和最终的实验考试两部分组成；对期末考试试卷内容进行了全面调整，由之前的选择、填空、编程这些常规试题变成了综合试题，由之前的闭卷变成了开卷，教材作为唯一的参考资料，所有试题都围绕着一个工程实例展开，涵盖了电路设计、PLC的硬件接线以及软件编程，可以说是对学生的能力进行了综合的考核，学生需要真正学会学懂学通，真正明白工程实例的工作过程，才能够做对题目取得优异的成绩.

2.5 双师型队伍建设

教师队伍的建设是教学改革顺利实施的关键，确保教师自身工程素质的提高是重中之重.在课程改革过程中，鼓励教师到企业进行挂职锻炼学习，鼓励教师考取行业相关的资格证书，任课教师陆续走进工厂企业参观学习，与石家庄汇鑫华康电气设备有限公司、河北中恒环保科技有限公司、石家庄德润环保科技有限公司、河北鲲能电力工程咨询有限公司等取得联系，与企业高级工程人员进行交流研讨.目前，和课程相关的双师型教师已经达到了5人，为培养工程创新性人才奠定了坚实的基础.