“以赛促教、赛教融合”实践教学模式改革——以《电气控制技术与PLC》为例

段金英，张晓娟

(西京学院理学院，陕西西安,710123)

0 引言

《电气控制技术与PLC》是一门实用性很强的专业课，是自动化类、电气类专业的核心课程之一，该课程综合了继电器-接触器控制、计算机技术、自动控制技术和通信技术以及组态技术，主要包括由传统电气控制和PLC应用两个部分组成。在智能制造系统中，PLC不仅仅是智能装备和生产线的大脑，而且还负责制造信息的采集和转发。PLC作为设备的控制器，不仅可以完成传统的逻辑控制、顺序控制、运动控制，还承担着工业4.0和智能制造赋予的新任务，对学生来说了解和学习新的技术必不可少。而传统PLC实践教学主要是课堂实验教学，多采用插拔式接线方式的教学设备，缺少综合型和设计型实验，实验效果不佳，与当前应用型人才的市场的需求是不一致，不能满足企业对PLC控制方面人才的需求[1]。

本文针对当前《电气控制技术与PLC》实践课的现状，结合PLC控制技术的发展和学科竞赛重构了该课程教学内容，运用混合式教学模式，通过实施以学生为中心教学方法和多元化评价使学生迅速掌握理论知识，提高实践教学效率和学习效果。

1 学科竞赛与大学生综合能力的培养

大学生学科竞赛是培养和提高学生创新能力和实践能力的重要载体。“西门子杯”中国智能制造挑战赛是在教育部与西门子（中国）有限公司签订战略合作框架下共同举办的。大赛主要设有智能制造工程设计与应用类赛项，企业命题方向和智能制造创新研发类3大类赛项。竞赛内容着眼于智能制造领域中的技术创新、产品研发、工程项目设计和智能应用等，大赛赛题主要来自企业真实的工程项目和科研项目作，使学生亲身体会真实的工业设备和工业环境，考核评分指标采用工业企业的工程标准，通过比赛学生解决复杂工程问题的综合能力、系统思维均得到了很好的训练。“西门子杯”中国智能制造挑战赛的竞赛宗旨和竞赛模式旨在培养自动化类专业、电气类专业学生工程创新能力培养，学科竞赛能够显著提高大学生的综合能力，激发学生理论联系实际和团队协作的能力，增强学生的学习和工作自信心，是应用型本科院校提高学生应用能力的有效途径。

2 “以赛促教、赛教融合”实践教学模式改革

《电气控制技术与PLC》课程主要包括传统的电气控制系统和面向工业自动化的PLC控制系统，后者的学习离不开前者。该课程内容包括继电器-接触器控制系统和PLC在逻辑控制、运动控制、过程控制的应用等，其实践教学效果在培养学生解决实际工程问题过程中起着重要的作用。因此通过将“西门子杯”中国智能制造挑战赛的赛项逐一分解后与《电气控制技术与PLC》实践教学进行深度融合，对原有的实验项目和竞赛项目统一规划进行教学内容重构，应用混合式教学方法，分步实施，多元化考核，在学科竞赛引领和促进下实现《电气控制技术与PLC》实践教学的改革。

2.1 教学内容重构，打造多层次实践教学模式

实践教学和理论教学有一个不同点就是理论教学偏向于个人研究，而实践教学注重团队合作。在依托学科竞赛的实践教学中，学生最终需要会面对一个综合性强、系统复杂、应用性强的问题。为了循序渐进的实现这一目标，《电气控技术与PLC》实践教学摒弃了传统的实验教学方法，以竞赛项目为依托，改进了传统的《电气控制技术与PLC》实践项目，根据不同的实验教学类型采用不同的教学方法，重构了多层次的实践教学内容[2]，具体如图1所示，并且学生的“做”贯穿始终整个实验过程中。

图1 多层次实践教学设计

（1）基础实验项目。采用自行开发实验教学平台，以西门子PLC S7-1200为控制器，配合模拟被控制对象挂件，可以实现理论教学中的基本实验。

（2）进阶实验项目借助电梯仿真对象（学习版）软件和虚拟仿真教学平台，开展基础实验项目的进阶训练，学生课上使用虚拟仿真教学平台，课下借助电梯仿真对象（学习版）软件平台，可以随时测评PLC控制程序的功能效果。

（3）提高实验项目，主要分为两个实验方向电梯集群控制和工厂数据采集与监视系统实训。其中工厂数据采集与监视，以西门子S7-1200PLC为控制器为控制核心，综合触摸屏、以太网通信、远程I/O、运动控制等方面的知识。

通过竞赛项目分解，建立的多层次实践教学平台，通过循序渐进实验项目的设计激发了学生动手实践的积极性，锻炼和提高了学生的个人能力，丰富了理论教学内容。

2.2 赛教融合教学模式的实施

为了培养具备扎实理论、技术基础的工程应用型人才，需要训练学生系统化思维方式以及严谨、熟练实施过程，这个过程是循序渐进的，在实施以赛促教的教学过程中以学生的主体性，激发了学生的积极性和创新性，《电气控制技术与PLC》实践课赛教融合教学的实施过程主要分为以下三个阶段。

第一个阶段是PLC编程基础，主要以S7-1200为教学载体，指导学生使用TIA博图软件进行编程，完成电动机的正反转控制、抢答器控制、交通灯控制、饮料混合控制等实验，利用TIA博图软件的在线调试功能，使学生熟练掌握基本的工程创建、硬件组态、基本指令编程以及通信设置的方法，而且初步具备了一定的分析能力，为后续的综合设计项目打下基础。

第二个阶段是利用电梯仿真系统（EET）教学平台，这一阶段的培养目标是创新性知识的积累以及对综合性问题的解决，例如电梯内呼和外呼。在教学设计的时候，要求学生先在虚拟仿真平台上实现控制算法，验证其可行后，再在实物平台上调试。电梯仿真系统（EET）具有两大部分别是控制器与被控对象。其中，控制器采用西门子S7-1200PLC，被控对象为电梯三维立体仿真模型。被控对象运行在工控机中，通信方式有两种，分别为Profibus-DP与以太网通信，如图2所示。学生通过编程在TIA博图中完成不同通信方式的调试，学生在不同环境下的编程能力得到进一步锻炼。通过PLC实现编程控制虚拟电梯模型时，同时利用WINCC完成上位机对虚拟电梯系统监控设计，这个阶段的实践项目锻炼了学生的设备通信、程序编写、监控画面绘制和仿真实现能力，提高了学生工程项目解决实际问题的能力。

图2 虚拟仿真平台网络拓扑结构

第三个阶段综合设计项目的实践教学，电梯集群控制和工厂数据采集与监视系统实训。此阶段分为工程项目书的编写、实际操作两个步骤。工程项目书要求学生以实际生产项目为背景，在对综合性问题分析后进行设计，并将设计方案以论文的方式提交。指导老师对工程项目方案审核通过后，学生才可以进行后续的实际操作。在实际操作中，学生将编写好的程序和设计监控界面先通过PLCSIM软件进行仿真，仿真通过后，再选择一种通信方式连接硬件进行联机调试。通过撰写工程项目书，学生对基础知识融会贯通能力得到了提升，实际操作能提高其动手能力和综合能力也相应得到了锻炼。

2.3 以学为中心的混合式教学方法的实施与评价

教师通过集体备课分析《电气控制技术与PLC》课程的特点，推进以翻转课堂、探究式教学等多样化的教学方法[3]，采用灵活多变的教学组织方式，活跃课堂气氛。课堂教学注重师生交流，方式灵活多变，以活跃课堂气氛。例如引导启发教学方法，在实施实践教学任务的过程中，教师不再沿用传统的讲解、指导的教法，而是采用引导、启发的方法，通过给学生提供参考教材和PLC以及各种控制电器的具体产品说明书或参考具体工程案例，指出与完成任务相关的重点学习内容，确定完成任务的主要参数、电路连接方法，并启发学生举一反三，拓展到其他的应用情况[4]。教学的过程中，引入智慧课程技术-雨课堂，在师生互动环节设计上下功夫，课堂气氛活跃了，学生能够自主思考提出问题，解答问题，激发学生潜能。《电气控制技术与PLC》实践考核体系改进了传统的考核方式，着重于多元化的过程评估，将学生的线上学习、项目设计方案、团队协作和工程素养纳入了考核内容，同时，考核体系将项目团队总体成绩与个人成绩相联系，激发学生的学习内动力。

3 “以赛促教、赛教融合”实践教学模式改革的成效

（1）学生在PLC相关的竞赛中成绩显著，自2015年开始，将“西门子杯”中国智能制造挑战赛列为重点赛事，建立了竞赛领导小组，形成了良好的竞赛保障机制。近五年的研究实践表明，将“西门子杯”中国智能制造挑战赛融入到《电气控制技术与PLC》实践教学中，促进了第一课堂和第二课堂的有效结合，实现了以赛促学、以赛促教、赛教融合的实践教学模式改革，极大地调动了学生学习的积极性，有效提升了教学质量。学生每年参加“西门子杯”中国智能制造挑战赛，西北赛区特等奖、一等奖、二等奖、三等奖均斩获多项。国家级奖项中，过程控制获全国二等奖1项、协作机器人控制获全国二等奖1项，逻辑控制获全国二等奖1 项。在“三菱电机杯”全国大学生电气与自动化大赛中，学生获全国二等奖1项，三等奖3项。

（2）人才培养质量得到进一步提升，“西门子杯”中国智能制造挑战赛和电气控制技术与PLC实践教学的深度融合为学科竞赛的开展提供知识保障，学生通过参加竞赛，使我校学生能够与国内一流大学的学生同台竞技，学生的自信得到提升，工程设计能力得到了训练，通过电气控制技术与PLC实践教学模式的改革，形成学科竞赛与实验教学相互促进的良性发展模式，进而为社会培养综合能力强的PLC工程技术人才。

4 结语

根据《电气控制技术与PLC》实践学中存在的问题，对实践教学的教学内容和教学方法进行改革研究，将学科竞赛和PLC实践教学深度融合，构建了《电气控制与PLC》赛教融合的多层次实践教学平台，形成一套“以赛促教、赛教融合”实践教学体系。研究结果证明，实践教学的改革激发了学生的学习积极性，提高了学生的自信心，培养了学生的综合能力，提高了电气控制技术与PLC实践教学的质量，同时也为学生将来从事与电气控制相关的工作打下了基础。