混合式教学模式在“PLC课程”中的教学实践

刘 俊， 袁训锋， 郭 琳， 柯希彪

(商洛学院 电子信息与电气工程学院， 商洛 726000)

“PLC课程”是面向自动化、电气工程等专业开设的一门重要专业课，是培养应用型电气技术技能型人才的最重要的课程之一。该课程既有理论又有实践，既有工作原理又有编程方法，理论性和实用性均很强。针对这些课程特点，很多教师做了深入的改革研究和实践操作。一种是应用经典教学方法实施教学改革，比如案例教学法、PBL教学法、项目式教学法、研讨式教学法等[1-4]。此类方法都是打破传统单一的知识传授模式，鼓励学生通过完成任务、解决问题、思考质疑等方式来提升知识获取的高效性。另一种是应用新兴教学模式实施教学改革，比如使用MOOC平台、翻转课堂、混合式教学模式等[5-7]。此类方法利用现代化教学手段提升学生的参与度，有助于培养学生独立思考学习的能力。根据理论研究和实际教学效果来看，单一方法仍存在诸多缺点。

目前高校的“PLC课程”教学仍存在一些不可忽视的问题，主要表现在①课堂以教师讲授为主，学生被动接受，缺乏独立思考的过程，参与度较低。②教学案例陈旧，不能有效助力新知识内容学习。③教师不便全面监督学生的学习行为和效果，容易导致“差生”在课堂讨论和课外学习时“浑水摸鱼”。④传统共享课堂教学拓展知识的媒介效率低下，操作复杂，不便于课内使用，影响教学效率。⑤单一讨论式教学对教师的课堂管理能力要求非常高，且学生学习知识容易出现碎片化，只为了围绕一个知识点或案例讨论而讨论，不易把握完整的知识体系结构和知识之间的内在关联。

针对这些问题，本文引用“对分课堂”教学模式，并将大量教学案例引入到“对分课堂”中，同时依托“雨课堂”教学平台，将这些举措贯穿于课前、课中、课后、评价整个教学过程中，形成基于信息化技术的混合式教学模式，并应用于“PLC课程”教学中。

1 构建思路

混合式教学模式通过线下的案例教学法+“对分课堂”和线上的“雨课堂”教学平台共同实现。前者是以案例问题的提出、发现和解决为主线，以知识讲授和案例讨论的方式融会贯通各章节知识点；后者是“雨课堂”教学平台的使用覆盖师生课内、课外所有教学环节，推动“案例+对分”教学模式在“PLC课程”中高效、可持续地开展。本文提出的混合式教学模式能够形成一个线上、线下闭环式教学生态系统，如图1所示。

图1 混合式教学模式的闭环式教学生态系统

1.1 将案例教学法融入到“对分课堂”中

“对分课堂”是将一半课堂时间分配给教师进行讲授，另一半课堂时间分配给学生以讨论的形式进行交互式学习[8]。教师讲授部分强调“精讲留白”，讲知识框架、学习目标，点出内容意义与价值，理出攻克难点的办法和关键点，预留简单知识去讨论。

案例教学法强调学生通过独立思考研究或小组讨论等方式，利用理论知识或认知常识分析典型案例，提出案例问题，给出解决思路、过程和结果，提高学生发现、分析以及解决实际问题能力的教学方法[9]。

将“对分课堂”中课内的讲授讨论、课后的内化吸收等教学环节以案例教学为主轴贯通教学知识，可以保障知识传输的系统性和准确性，也提高了学生的主体地位。学生在发表意见、陈述案例的过程中，也可提高表达能力和质疑精神。

1.2 将“雨课堂”教学平台应用于教学全过程

“雨课堂”是一个主要面向高等教育领域的教学工具，具有高效便捷、互动性强、全周期数据采集等特点，适合所有学科理论性知识教学使用[10]。在“案例+对分”教学中，教师通过“雨课堂”教学平台将教学案例描述及结果要求、微课视频、语音讲解、在线测试等教学资料下发给学生，供学生查看、学习。教师实时查看学生在“雨课堂”的教学行为和反馈信息，根据这些实时数据调整自己教学计划或帮助学生解决知识学习或案例实施过程中的问题。“雨课堂”在各教学环节中所起的主要作用，如图2所示。

图2 “雨课堂”在各教学环节中的主要作用

2 实施方法

“对分课堂”教学模式已被许多高校教师实践于不同类型课程中[11-12]。从教学实践经验发现，不是所有教学内容都适合课堂讨论，比如章节内容理论性强、难度大，同时学生课外内化的时间偏少等情况就不理想；也不是所有的教学内容，教师能够在一小节课的时间内做到精炼、适度的“精讲、留白”，比如前后知识点关联性强、难度偏大，同时教师对该门课程的驾驭能力偏弱，或对核心内容的理解程度较浅等情况[13]。所以，针对“PLC课程”的教学内容需灵活开展“对分课堂”模式，包括灵活分配课堂讲授与分组讨论的时间，灵活应用当堂对分、隔堂对分等手段。

科学、合理、有效的案例在教学中能够激发学生学习兴趣，锻炼学生知识的综合应用能力，提高学生对知识应用价值的理解。在实际教学中，可将教学案例设置为课堂导课案例、课堂讨论案例和课外实践案例。根据教学目的和教学内容，将案例按教学顺序合理归档；在确保基本教学内容的前提下，通过简化或复杂化原始案例，将各章节单元案例细分为简单、一般、复杂等难度等级，以满足不同学习能力和知识水平的班级或学生，如“三校生”班级可使用简单难度案例，“普高生”班级可使用一般难度案例，优秀学生可根据兴趣在课外自主尝试完成复杂难度的案例。

PLC课程理论教学共48课时，部分授课内容及实施办法设置如表1所示。根据教学大纲的要求，教学内容实施办法设置的基本思路是知识点简单的内容，选择“当堂对分+课堂讨论”案例；知识点综合性强的重点内容，选择“隔堂对分+课外实践”案例；知识点较难的非重点内容，选择“传统讲授+课堂导课”案例。

表1 “PLC课程”部分授课内容及实施手段设置

3 教学实践

在正式授课前，将学生前一学年全科的期末考试综合平均成绩排名，由高到低分为优、良、中、差等四个等级，在各级中随机选取1位学生进入1组，该组成员由3～4人组成，组内成员轮流担任组长。在每4次课后，小组重新组队，以提高更大范围的认知和观点冲突，形成思维碰撞。在每次讨论过程中，教师通过“雨课堂”随机点名，被点到者作为该小组代表进行汇报，每组汇报时间控制在5-10 min，也允许学生自荐汇报。每个小组汇报后，其余小组可质疑汇报结果或提出改进意见，最后教师评价、总结、答疑。全部汇报后，通过“雨课堂”投票功能，结合教师意见，选出本次课的最佳汇报小组，最佳汇报小组可以获得更高的平时成绩。

3.1 案例汇报和评价讨论

本次授课对象为2017级电气工程及其自动化专业1、2班共67人，每周两次课，每次两课时，每课时50 min。下面以“PLC课程”中功能指令章节中的两个课时内容为例，主要采用“隔堂对分+课外实践案例”的实施办法介绍各阶段的实施细节。在上节课后，已通过“雨课堂”平台布置学生课外需要解决的实践案例，案例见文献[14]。此部分内容在课堂第一小节完成，共50 min。

阶段一：小组1汇报。从输入/输出地址分配、PLC硬件接线图绘制、PLC控制程序编写等三个方面逐步汇报：“需要1个PLC输入点，外接音乐喷泉启停开关，需要8个PLC输出点，依次外接编号1～8的LED灯或者控制该灯的继电器。PLC硬件接线图见“雨课堂”中已提交的作业。PLC控制程序考虑的是使用传送指令和定时器指令来完成，具体程序及其运行过程讲解如下。”

阶段二：他组质疑。例如提到网络1中定时器常开触点使用错误；网络7中传送指令的数据类型选择有问题，等等。

阶段三：教师评价总结。“汇报很好，其他小组的质疑也正确。建议在程序编写完成后，再通过仿真软件进行仿真测试，以验证程序是否严格按照自己思维运行。是否还有其他方法呢？”

阶段四：小组2汇报：“输入/输出地址分配、PLC硬件接线图与汇报小组1一致，但是本小组PLC控制程序使用的是移位与循环移位指令和定时器指令来实现的，具体程序及其运行过程讲解如下。同时，接线方法和程序已在实验室利用实验台上的指示灯模块进行了验证，验证视频如下。”

阶段五：他组质疑。“LED指示灯一周期循环结束后是如何重新开始下一周期的，需要重新重点解释一下”。

阶段六：教师评价总结。“小组2不仅设计思路正确、有创意，还将编写的程序通过实际的模块进行了验证，非常完整，很好，但是讲解思路稍微有点混乱。此方法的关键是灵活应用寄存器移位指令。我们开启“雨课堂”匿名投票功能，开始表决最佳汇报小组。”

阶段七：教师对知识点补充讲解：“课前在‘雨课堂’中进行了知识点测试，根据测试结果和刚才小组2在汇报过程中大家的反映，大家对寄存器移位指令的理解还不够深入，现补充讲解一下。”

3.2 教师讲授

1)简单知识——四则运算和数据类型转换指令

布置导课案例。在实际工程中，模拟量应用非常广泛。现有一个压力检测系统，压力传感器的量程为0～25 MPa，输出电信号为4～20 mA。PLC模拟输入模块的量程为4～20 mA，转换后对应PLC的数字量范围0～32000。计算，当PLC数字量为X时，对应的外部输入压力Y为多少kPa？

阶段一：学生思考。列式为：

阶段二：教师讲授。从公式可以看到，解决此案例，需要使用PLC的四则运算指令和数据类型转换指令。四则运算指令重点关注指令对输入、输出点数据类型的规定。数据类型转换指令包括字节、整数、双整数、实数之间的两两转换，转换过程中尽量避免“溢出”现象发生。这两类指令功能及应用比较简单，学生通过自学教材和雨课堂平台发布的课件自行消化吸收内容。最后小组讨论、交流完成此导课案例的程序编写。

阶段三：学生自学。学生自学教材或课件，不懂的课件可在雨课堂中标记。针对导课案例，思考并编写程序。

阶段四：小组讨论与交流。小组成员间或跨组间交流案例解决思路、编程方法、检查程序正误等。

阶段五：小组汇报、教师补充。教师通过雨课堂随机点名进行案例解决方案汇报，并进行适当的知识或方法补充。

2)难点知识——编码指令和译码指令

布置导课案例。通过七段数码管显示八层电梯轿厢所在的楼层位置。设楼层位置开关为SB1～SB8。

布置导课案例。现模拟一自动投币洗衣机，按下A、B、C三个按钮分别代表投币1元、2元、3元，金额累加值通过数码管显示。当投入硬币总金额大于8元时，洗衣机开始进入洗衣模式，同时，数码管显示余额值。请问如何通过数码管显示投币金额。

教师精讲知识难点。案例题意简单，都可以使用学过的基本指令来实现，但是需要编写的指令代码非常之多，如何采用更简单的方法实现呢？编码指令和译码指令可解决。该指令理解和应用较难，所以需要教师重点讲解，最后再对导课案例的参考程序做适当分析解释，以加强学生对该知识的理解深度。在讲授过程中，将通过“雨课堂”弹幕、测试、红包激励等功能进行师生互动。

3.3 课后解决实践案例

课后通过“雨课堂”平台发布实践案例，要求学生按时提交案例解决报告。学生在解决案例的过程中，重新梳理所学课本知识，适当进行文献检索，以加深对知识的理解，培养问题解决的能力。在此过程，教师通过“雨课堂”推送微课、课外资料供学生学习，也可实时查看学生的学习情况。

3.4 课前完成测试和预习

在下一次正式上课之前，通过“雨课堂”发布知识点测试题和推送预习资料。根据测试题的正确率，分析学生对知识点的掌握情况，可以有针对性地调整课中的教学内容，进一步优化教学设计。学生课前通过适度预习，可有效推进在课堂自学、讨论环节的进度和深度。

4 教学效果和反馈

根据学生在本门课程所有教学环节中的综合表现，包括定量数据和定性数据，以此反映教学效果。定量值包括“雨课堂”中的课堂测试、课后作业、单元测试等成绩数据，还包括课堂中各小组的案例汇报得分，期末考试成绩等。定性数据包括“雨课堂”中的签到率、弹幕人均数量等，还包括课堂中案例汇报的学生积极性、学生参与知识或案例讨论的热情度等，以及课程学习后的无记名在线问卷调查结果等。

综合统计、分析、对比目前已使用混合式教学模式与曾经未完全使用该教学模式的授课班级的各项数据，使用混合式教学模式的授课班级的整体表现更好，尤其是在①对知识的理解能力和实际应用能力显著增强。②课堂注意力、活跃度得到较大提升。③自我学习能力、独立思考和团队合作能力有了明显进步。

5 结语

混合式教学模式可以整合课内、课外教学资源，开展课内、课外线上、线下教学互动，实现课内讲授、讨论和课后内化、吸收等所有教学活动围绕一个或多个案例开展，激发学生的学习兴趣，培养学生独立思考能力和团队合作意识，提升学生学习的计划性和目的性，同时能够保证教学管理数据的实时性、科学性和完整性。将该教学模式应用到PLC课程教学中，经过一个学期的实践，绝大多数的学生反映良好，在一定程度上，增强了编程实践能力，激发了创新思维，提升了学习自信心，锻炼了语言表达力。笔者将继续深入挖掘“雨课堂”提供的大量教学数据，并结合实际教学效果，不断从案例库构建、雨课堂平台应用、成绩评价办法、小组讨论方式等方面完善和细化该教学模式，切实提高教学质量，落实“以学生为主体，以教师为主导”的教育理念。