双元制高等教育背景下的“控制技术”实验教学改革初探*——以合肥学院为例

张春鹏，王锡明，白 琨，谷 曼，钟 华

(合肥学院 先进制造工程学院，安徽 合肥 230601)

随着《中国制造2025》的出台，对中国制造业的转型升级提出了更高的要求，进而对中国制造业人才的培养规模、规格与质量等也提出了新的诉求。面对制造业的转型升级，制造业对人才的需求出现了以下几个问题。一是制造业就业人员中，接受本科教育的人员占比较低。如表1所示，根据2016-2019年出版的《中国人口和就业统计年鉴》中的统计数据，近5年我国制造业从业人员中接受大学本科教育的从业人员占比逐年升高，但最高仅为5.9%，而高等职业教育的占比却是逐年降低，远远不能满足我国制造业转型升级的要求。二是本科人才培养模式与制造业发展实际相脱节，人才培养体系缺乏开放性。企业对岗位能力的要求在不同的经济形势下会有较大的不同。而学校对市场变化的需求则反应迟钝，使得人才供给与制造业发展人才需求之间缺乏良性互动。目前传统人才培养模式下的本科毕业生岗位胜任力还不能满足企业的实际需求。三是培养出来的本科大学生有文凭、无技能，动手实践能力比较薄弱，不能与企业需求无缝对接，这是由于目前我国高等教育中长期以来一直存在着重理论、轻实践的倾向所造成的。

在2016年6月教育部下发《关于中央部门所属高校深化教育教学改革的指导意见》中指出，高校仍存在教育教学理念相对滞后、机制不够完善、内容方法陈旧单一、实践教学比较薄弱等问题，深化教育教学改革，提高高校教学水平、创新能力和人才培养质量是高等教育的核心任务，深化教育教学改革是新时期高等教育发展的强大动力。[1]而高校实践教学对大学生的理论理解能力、动手能力、操作能力、协调能力、应用能力、组织能力等，具有重要的促进作用；对完成培养热爱专业所学、敢于承担社会责任、综合素质全面发展的应用型、创新型专业人才的目标，具有重要的支撑作用[2-3]。同年12月，由教育部、人力资源和社会保障部、工业和信息化部等部门共同编制的《制造业人才发展规划指南》中明确指出：“有关高等学校、职业学校要创新人才培养模式，完善校企协同育人机制，对接职业标准和岗位规范，加快专业教学标准体系建设，强化学生实际操作能力培养。”“通过完善相关法规制度和政策措施，鼓励行业企业参与人才培养。”

表1 2015-2018年全国制造业就业人员受教育程度构成

无论是制造业的转型升级，还是区域经济的快速发展无一不需要大批高层次应用型人才做支撑[9]。而德国的“双元制”教育体系闻名于世，为德国经济的高速发展奠定了良好的基础[10]。借鉴德国双元制教育的经验，可以很好的解决以上问题。合肥学院以应用型本科教育为核心，以多年模块化教改为基础，引入德国办学资源和人才培养模式，联合埃姆登应用科学大学、德国大陆马牌轮胎有限公司(以下简称大陆公司)，依托中德教育合作示范基地，举办国内首个中德双元制高等教育合作专业——机械设计制造及其自动化专业(双元制)。通过双元制高等教育，依据校企间的充分合作，协同确定培养目标、培养方案、教学内容，满足企业对人才能力的要求，培养具有国际化的视野、较强的工程实践能力及创新意识、能在现代制造及相关领域从事工程技术应用及管理等工作的高级国际化工程人才。不仅实现人才与相关企业的无缝对接，还最大限度缩短学生进入职场的适应期，提高人才的就业竞争力，满足中国制造业转型升级对人才的需求。

一、“控制技术”实验存在的问题

可编程序控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。随着工业4.0和《中国制造2025》的提出，对自动化技术的应用需求会越来越广泛，PLC的应用范围也会越来越广，对精通PLC技术的人才需求也会随之增加。在传统的机械类专业中，有关PLC的课程实践性强，但大部分学校的授课形式基本上都是：先理论，后实验，且受限于实验课时、实验设备条件以及学生的动手能力及编程能力，实验的内容也只是单纯的验证梯形图，学生兴趣寥寥。另外，实践教学部分的内容往往脱离行业与企业的实际需求，停留于验证理论的层面，没有构建实际的工作场景，与生产实践需要脱节。[11]针对以上问题，合肥学院机械设计制造及其自动化专业(双元制)“控制技术”授课教师，以双元制为背景，初步探索了如何在较少的实验课时里让学生掌握PLC的使用方法、锻炼学生的编程水平、提高学生解决实际问题的能力、提升学生的职业素养。

二、“控制技术”双元制实验教学改革总体思路

实验教学是培养学生创新能力和动手能力的重要环节，如能很好地发挥这一环节的作用，将对学生综合能力的培养起到至关重要的作用[12]，实验教学是提升学生知识、能力、素质的重要途径和手段，是学生岗位职业能力形成的关键环节。[13]以双元制高等教育为背景，借鉴国内院校实验教学改革的经验，以合肥学院多年模块化教改为核心，密切结合大陆公司对人才的企业需求，针对学生循序渐进的认知规律，以学生为中心，对“控制技术”实验的教学内容、教材、教法、教学手段和学生成绩评价体系进行改革。在实验教学内容设计上，结合企业需求，注重综合性与应用性；在学生能力培养中，借鉴德国双元制中“Workload”经验，培养学生的自学能力、应用研究能力以及创新能力。

三、“控制技术”实验教学改革内容

(一)结合企业需求，确定实验内容，自编实验教材

教材是传授知识的载体，是学生获取知识的重要工具。校企共同开发教材是“双元制”教学课程体系实施的重要载体。[14]与传统的“双元制”高职教材偏重于实际操作、甚至就是为了某企业量身定制的教材不同，“双元制”高等教育的教材一定要在本科教学的基础上具有一定的理论广度及深度，以满足本科生的后续深造需求，同时要结合企业实际，以面向不同行业、但同类岗位的需求为原则，在校企双方协商下，共同设计教材内容并确定编排顺序。同时，高质量的实验教材是保障实践教学质量的重要载体，需要综合考虑技能操作、生产实践、项目开发和校企合作等环节[11]。

1.实验任务分层。针对企业生产实际情况，以及对相关知识点、技术能力的掌握要求，设计了PLC认知、基本指令、典型电动机控制、SCR顺控指令、数码显示控制、十字路口交通灯控制、水塔水位控制、天塔之光控制、四节传送带控制、自控成型机等实验任务作为主要的实验教学内容，包含了从PLC的硬件使用及外部接线、到软件编程，以及常用的基本指令和功能指令，侧重于学生实际操作能力的培养，以及发散思维的形成。同时把以上的实验任务根据实践层次的逐步提升，分成以下三个层次：基础实践、综合实践、拓展实践，可以根据企业的需求、理论课教师的授课内容以及学生的素质水平，组合不同的实验任务来进行实验教学。既可以满足普通本科专业的教学要求，也能开出满足企业要求的实验内容，如图1所示。

(1)基础实践层。基础实践层的主要实验任务都是一些基础的实验任务，例如PLC的认知，基本指令应用等。通过该层次的训练，学生能够熟练掌握最基本的PLC软硬件操作，为后续的实验奠定基础。

(2)综合实践层。综合实践层的实验任务主要是解决一些常见的实际问题，偏重于电气控制工程中的一些典型应用。学生在熟练掌握基础实践层的条件下，组建任务协作小组，以各种方式进行资料收集、调研等，从开始设计第一张程序流程图，到最终的程序验证，从而设计出符合任务要求的解决方案，以此来达到提高学生的自学能力和团队协作能力。

(3)拓展实践层。拓展实践层的任务来源于企业生产。主要根据企业的实际设备，以及企业工程师提出的技术问题并结合学校实验室现有硬件条件而开发的。通过该层次的训练，学生可以对相关企业的设备进行初步的掌握，缩短学生的入职培训时间，降低企业的培训成本。同时，开发出来的实验任务也可以用于普通专业的实验教学，使学生更加贴近行业，使实验内容更加符合实际。也可以在此基础上与别的企业进行合作，开发新的实验任务，提高教学设备的使用效率，有利于节约教学成本。对教师而言，也是一次学习提升的过程，使得教师能够更加的贴近实际、贴近生产，跟上行业技术的发展速度。

图1 实验任务分层

2.实验内容整合

在前期确定的实验内容的基础上，以启迪学生的创新意识、开拓学生的科学思维为目标，按照循序渐进的原则，[15]系统编写了适用于“控制技术”课程的实验教材。在该实验教材中，针对学生循序渐进的认知规律，对实验内容进行了系统的整合，逐步达到培养目标。

以“PLC基础实验”为例，本实验主要由PLC认知和基本指令两个实验任务组成，任务内容及培养目标如图2所示。在每个实验任务下面又分别安排了三个任务内容，学生通过完成相关的任务，从而达到培养目标。例如：在“PLC认知”实验任务中，通过“S7-200硬件连线”这个实验内容，学生的实践技能要达到3个培养目标：

(1)掌握PLC与PC的通讯设置。学生要掌握PLC通信电缆与PC的硬件通讯连接，并进行相关的驱动安装及软件设置，最终成功实现PLC与PC的数据通讯。

(2)掌握S7-200的使用方法。例如：输入、输出端子的接法，公共端子的使用方法，外部电源或PLC内部电源的使用注意事项等，从而对PLC的使用有初步的了解。

(3)初步解决一般硬件故障及软件编程问题。通过解决在硬件连线及软件编程中遇到的问题，如：编译错误导致的程序无法运行或无法下载等，从而让学生学会如何排查故障、解决故障。

同时，针对学生循序渐进的认知规律，特别设计了一些有代表性的小的实际应用项目。例如,在图2中的“PLC基础实验”，给学生设计了一个实际应用项目——“二层楼走廊灯的控制”，把该项目分为两个连续的小问题来解决：第1个问题，开灯、关灯完全手动控制；第2个问题，开灯是采用手动，关灯采用自动控制。在前后两问的对比下，引导学生自己选择合适的定时器指令、自锁电路、互锁电路来解决该问题。同时，根据学生所选电路的不同，扩展讲解按钮和开关的物理区别以及使用要求，强化学生的实践能力。在此基础上，又根据企业成型工序中使用的成型设备的技术要求，结合学校的实验设备，与企业工程师共同开发了图1中的自控成型机实验任务，让学生对定时器指令、自锁电路、互锁电路的实际应用，有了更加深刻的认识。

图2 PLC基础实验内容及安排

(二)实验教学方法和教学手段

1.利用Workload，提高学生自学能力

在德国应用型大学里，一般采用学习负荷(Workload)去描述一个大学生在学习上的时间花费。Workload包括课堂学习、自主学习以及准备考试和考试本身所花费的时间三大块。在合肥学院中，1学分所对应的Workload为14学时。如能更好、更充分的利用Workload，则可以在学生自学能力的提高上起到更好的作用。

例如,在“PLC基础实验”中，课前布置的Workload内容主要包括以下几点：PLC的概念及历史，PLC控制系统与继电器接触器控制系统的区别，S7-200PLC与PC的通讯设置，编程软件STEP7-Micro/Win的基本使用简介，PLC在制造业中的“柔性”体现等。在上课的时候，让学生站到讲台上，讲解自己所做的Workload的内容。不需面面俱到，可以根据自己的兴趣选择一到两个点来讲解。教师在旁边点评，别的学生也可以提问。同样的，在Workload中，也可以对“PLC基础实验”中的实际应用项目进行思考，初步设计出解决方案，然后在课堂上进行实际的编程验证，在前后对比中找出解决实际问题的最简方案，提高学生的自学能力。

2.加强设计性实验教学

加大综合性、设计性实验的比例，让学生带着问题去实验，培养学生解决问题、思考问题的能力。例如，在“SCR顺控指令实验”中，首先让学生在Workload中自学什么是SFC编程方式，使用时需要注意哪些问题，实现顺序控制的4种方式等。再以“双灯自动闪烁信号生成”为例，要求学生选择合适的控制方式，自主设计完成。在完成此例基础上，要求学生设计完成三灯、四灯等多灯自动闪烁信号生成，以上都可以算作是Workload的工作内容。同时还要求学生思考：若用定时器指令，如何实现上述功能；如果用特殊继电器，能否实现上述功能？以上几种方法，哪种简单或者学生自己喜欢用哪种方法；是不是自己喜欢的方法就能解决类似的问题。以此类推，通过一系列的问题，加强学生的分析、思考、总结能力, 以学生为中心，教学生“乐学”“会学”“学会”[16]。

3.创新教学方法的使用

转变教学观念，从以教师为中心，变成以学生为中心，从知识输入转向能力输出。采用多媒体等方式，自制课件，边讲边做，由浅入深，在实验台上充分锻炼学生的动手实践能力。设计相关实验的脚本，制作微视频，使得学生能在课后碎片化的时间里学会一到两个知识点。

针对不同的实验内容采用不同的教学法。例如在“十字路口交通灯控制实验”中，采用项目教学法，项目实施方案如下图3所示。首先向学生发布项目任务。然后指导学生做项目计划，利用Workload时间，对十字路口交通灯的实际工作情况进行实地观察，也可以通过网络进行调研，最后根据实验设备的实际情况结合实际的观察或调研结果来编制程序流程图。允许提前编写程序，在实验设备上完成硬件连线、程序修改及最终的成果展示。

图3 十字路口交通灯控制实验项目实施方案

4.改革学生实验成绩评价体系

经过多年的实践，结合我校模块化改革的基础，初步摸索出了一套适合本实验的考核体系，采用加权平均法，在安全操作S、实验预习M1、实验方案设计M2、实验程序设计M3、思考题M4，这五个方面相应得分的基础上，依照权重得出每位学生的实验综合评价成绩M。为了培养学生的安全意识、按章操作的职业素养，借鉴德国双元制教育的经验，把安全操作S的权重设计为最大，把学生安全意识的培养贯穿于整个实验教学过程当中。即：实验综合评价成绩M=S×0.3+M1×0.1+M2×0.25+M3×0.25+M4×0.1。

要求学生在Workload中按照教师的要求进行实验预习，强化学生在实验预习中独立自主的设计实验方案，分析实验过程中有可能遇到的问题，并如何去解决。提倡学生在Workload中学习查找别的品牌的PLC的使用方法或相关资料，与实验所用的PLC进行对比，加深PLC特有的梯形图编程的概念及使用方法，提高学生的自主学习能力。为了防止学生相互间的抄袭，要求“方案不唯一，程序不唯一，结果唯一”，即对学生设计的实验方案不唯一，编写的程序不做唯一要求，只对程序运行结果有唯一要求。既克服了抄袭现象，又加强了学生发散思维能力的培养。

四、结语

引导一部分地方本科高校向应用型转变是国家重大决策部署，其内涵是推动高校把办学思路转到服务于地方经济社会发展上，把办学模式转到产教融合、校企合作上来，将人才培养的重心转到应用技能型人才上，转到增强学生的就业创业能力上来[17]，培养的是具有一定管理能力和解决复杂问题的现场工程师。同时，由于现代企业管理结构的扁平化及工作组织去中心化的趋势，对员工的工作要求变得更加复杂，对员工个体或团队的自学能力、创新能力及管理能力有了更高的要求。而对“双元制”高等教育中“控制技术”的实验进行教学改革，主要目的是培养学生的自学能力、综合实践能力和创新意识，并不过度强调对应某个岗位的操作熟练程度，这就要求学生具备更强的自我管理能力和自我责任感。这正是随着现代企业的发展，对人才一贯以来的素能要求。

教育部贯彻落实的重大教育改革项目“卓越工程师教育培养计划”也是旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，两者培养目标也高度重合，几乎一致，所以在中国应该赋予双元制专业其应有的地位，将这种潜在需求变成真正的市场需求。[18]合肥学院作为中德务实合作的成功典范及中德教育合作示范基地，将中德不同文化的教育理念相结合，把德国成功的“双元制”高等教育在中国进行推广，加快了“双元制”高等教育在中国的本土化进程，实现了企业、学校、学生三方共赢。而我国目前也正处于这样的教育改革时期，相信借鉴德国成功的“双元制”经验，对我国的高等教育改革会有所帮助。