地方院校《电气控制与PLC》课程实验教学改革实践——以河西学院为例

张 静 李 成 虎 盛 海 龙 石 玉 军

（河西学院物理与机电工程学院，甘肃 张掖 734000）

当前创新创业已经成为世界经济发展的重要原动力，我国将创新创业教育作为高等教育的核心环节.在高校工科人才培养的过程中，实践教学是激发学生学习兴趣，培养学生实践动手能力和创新创业能力的重要载体，实践教学在“双创”人才培养中发挥着重要的作用［1-2］.

《电气控制与PLC》是河西学院电气工程及其自动化、自动化、机械设计制造及其自动化等工科专业的一门核心课程.该课程理论和实践结合紧密，要求学生不仅要掌握理论知识，同时还需具备较强的实践动手能力和解决工程实际问题的能力，其理论学时为48，实验学时为16.随着控制技术的不断发展，该课程原有的实验教学已不能满足社会对PLC技术人才的新需求.本文结合多年的教学实践，在分析该课程实验教学现状的基础上，以学生为主体，教师为主导，从实践教学平台、教学内容、教学方法、考核评价4个方面进行了实验教学改革，以改善实验教学效果，最终提高工科专业的人才培养质量和学生就业的核心竞争力.

1 《电气控制与PLC》实验教学中存在的问题

1.1 实验设备陈旧

河西学院《电气控制与PLC》实验以往采用的是天煌教仪THNXZ-1型现代工业综合自动化控制实验平台，如图1所示.该实验设备相对陈旧，台套数不足.主要采用模块式、组合式、插孔式的结构，生产厂家出于学生实验安全方面的考虑，将所有的控制电器元件及其内部连线全部封闭在控制台或挂箱内.学生在实验过程中，只能通过控制台或挂箱表面的插线孔，实现控制线路的连接.因此，学生在完成PLC实验之后，对电气控制线路中的接触器、继电器、熔断器、S7-200PLC（CPU224）等电器元件的结构组成、工作原理及外部连线，仍然不清楚.这就导致学生将来面对真实的低压电器时，还是无从下手，人才培养结果与行业企业的岗位素质要求相差甚远，不利于实现学校和企业的无缝对接.

图1 教改前使用的实验台及挂箱

1.2 实验内容缺乏层次性

之前开设的实验项目中，验证性实验偏多，综合性实验偏少.实验内容与理论教学的衔接不够紧密. 部分学生较难理解的重点理论知识，在实验中没有涉及. 实验内容的层次性不强，如关于S7-200PLC控制部分，1个实验项目中只有1项实验内容，有些较难的实验项目反而安排在课程前面，这不利于初学者对基础编程的熟练掌握和循序渐进地学习，也不利于区分学生的实验成绩.部分实验内容使用的指令不丰富，虽然程序较长，但只是简单的逻辑重复，对培养学生的创新思维意义不大.

1.3 教学方法单一，教学手段落后

实验教学中“互联网+”的信息技术应用较少，“以学生为中心”的教学理念体现不足.传统的实验教学模式是：课前，教师布置实验项目，让学生根据教材撰写实验预习报告；课中，教师讲解实验目的、原理、操作步骤，演示仪器操作，强调注意事项，学生按实验步骤操作、记录实验现象和数据，教师巡视指导；课后，学生撰写实验报告，教师批改.实验期间由于实验条件所限，部分学生无法在现场完整清晰地观看教师的操作演示过程，使教师在学生实际操作期间，不断地重复解答学生提出的相同问题，耗时耗力，学生的学习效率降低.另外，由于实验设备台套数不足，实验分组多为2人或3人一组，同组同学往往相互依赖，投机取巧，主动性和自觉性差的同学，其实践动手能力根本得不到锻炼与提高.

1.4 考核评价方式单一片面

《电气控制与PLC》实验成绩主要通过实验报告（50%）+实际操作（50%）进行评定.一方面，由于设备数量少，学生不能单人单组操作，在有限的时间内，教师无法对学生在实验过程中的表现进行详细的考察；另一方面，由于实验内容单一，学生相互抄袭实验报告，老师给出的实验成绩往往缺乏客观公正性.这样的评价方式容易造成评定成绩的随意性和无差异性，也不利于调动学生学习的积极性和主动性.

2 《电气控制与PLC实验》教学改革实践

2.1 设计制作低压电气控制实训台

由于原有的实验教学平台过于程式化、缺少灵活性和适应性，为此课程组设计制作了20个HXUDDK-1型低压电气控制实训台.该实训台主要由网孔板、实训桌和元件储存柜组成，其结构如图2所示，开设的实验项目详见表1所示.借助该实训台，学生可结合电气控制原理图，自主选择独立的真实电器元件，在网孔板上进行电气元件的布局、安装、走线.通过组装实验，学生既可以熟悉各种电器元件（接触器、继电器、热继电器、熔断器、断路器、各种传感器、三相异步电机、S7-200PLC SMART、变频器、触摸屏、步进电机等）的结构组成、工作原理、外部接线和正确选择，又有助于理解巩固《电气控制与PLC》课程的理论知识，使学生的实践动手能力、创新思维和解决实际工程问题的能力得到了锻炼和提高.此外，该实训平台还可供电气类、自动化类、机械类等工科相关专业学生用于课程设计、毕业设计和学生课外创新实践.

图2 HXUDDK-I型低压电气实训台

表1 HXUDDK-I型低压电气实训台实验项目表

2.2 优化实验内容

针对原有实验内容少，设计缺乏层次性，学生对基础知识理解不透，灵活应用性差等问题，课程组紧密结合《电气控制与PLC》课程的理论教学，对实验内容重新设计，教学改革前后的实验项目对比情况详见表2.从表2可以看出：（1）对原有部分实验内容进行整合或删除，如将原有“定时器/计数器功能模拟”融合到了“S7-200基本指令编程练习”中.（2）按照由易到难、由简单到复杂的规律调整实验顺序，如将“装配流水线控制的模拟”实验调换到了“十字口交通灯控制的模拟”的前面.（3）注重实验内容的多样化和编程基础的练习，如将原有的“基本指令编程练习”和“定时器/计数器功能模拟”2 个实验项目，增加为“S7-200 基本指令编程练习1”“S7-200 基本指令编程练习2”“S7-200 功能指令练习1”和“S7-200功能指令练习2”4 个实验项目，且每个实验项目中又包含4～6 项实验内容.（4）学生在理论学习过程中，对继电接触器控制系统和PLC控制系统的区别与联系总是理解不透，特增加了“基于S7-200PLC的三相异步电机Y/△换接起动控制”.教改后的实验教学内容更加符合学习规律，有效地加强了学生对理论知识的理解、融会与贯通，学生成绩评定的区分度明显增加.

表2 教学改革前后实验项目对比表

2.3 转变教学模式

“互联网+”信息技术在教学方面应用日渐成熟，课程组针对实验教学中存在的问题和教学目标，在PLC实验教学中采用了基于微视频的线上线下混合式教学模式.

2.3.1 制作微视频，加强线上资源建设

在传统实验教学中，教师对实验设备的操作说明，常常会占用较多的课堂时间，使学生实际操作的时间减少.为优化学时分配，给学生提供更多的实践锻炼机会，课程组加强了线上学习资源的建设，录制了关于实验设备规范操作的微视频（10min）.该视频可使学生清晰、直观地看到接线、调试等操作全过程，对部分关键操作、危险操作、常见错误和注意事项重点强调.课前，教师将学习任务、目标要求、实验微视频、课件讲义、练习测试等资料发布至雨课堂，要求学生课前完成，并进行测试，检测学习效果［3-5］.线上教学资源可供学生随时反复观看，既有利于不同层次的学生进行个性化学习，又有效解决了实践操作时间不足的问题.

2.3.2 以“学生为主体、教师为主导”的实验课堂

实验课堂贯穿以“学生为主体、教师为主导”的教学理念，首先通过指定的实验小组讲解实验目的、原理、仪器装置和操作步骤，教师点评，教师对课前预习情况进行督促和检查.实际操作期间教师指导学生观察现象、做好记录、认真思考，当发现操作错误时，引导同组同学纠正错误.实际操作结束后，为巩固实验教学效果，教师针对实验教学内容，借助雨课堂进行5min的小测试.教师评阅完实验报告后，要进行点评与总结，将存在的问题及时向学生反馈，对学生的疑问进行在线交流答疑.

2.3.3 课后拓展

为激发学生参与综合性与创新性实验的热情，进一步提升学生的创新能力和解决复杂工程问题的能力.在课程内涵提升的同时，积极拓展课程外延，对部分学有余力的学生，通过课后自主实践的方式继续深入学习，其实施过程为：设计实验方案—教师审核—实验预约—线上交流—现场调试，在此基础上，教师可鼓励这部分学生积极申报大创项目、科技立项或参加学科竞赛.

2.3.4 考核评定

传统的PLC实验课程考核主要基于实验报告和现场操作，成绩更多由教师基于主观判断进行评定.采用混合式教学后，学生整个学习过程（学生课前预习、实验操作、报告提交、课后答疑交流、过程测试），可以通过量化的形式记录下来，为过程性评价与总结性评价相结合的多元考核方式，提供了依据［6］.目前采用的具体评价方式如图3所示.其中实验报告成绩包括教师评阅成绩和学生互评成绩两部分；期末考试主要依据开设的实验项目命题，其中既包括理论知识的笔试，又包括现场操作，考试时长约为1小时.这种多元化的考核评价方式，使学生成为了学习的主人，既能充分调动学生的热情和学习主动性，较好地实现了实验课程教学目标，又在一定程度上保证了评价的客观性和公正性.

图3 实验成绩评价方式图

3 实验教学改革的效果

通过对《电气控制与PLC 实验》从实验平台、教学内容、教学方式及考核评价四个方面进行的改革，在教学实践中收到了良好的效果：（1）实验环境更加贴近工程实际，学生对《电气控制与PLC》理论知识了解的更直观、更全面、更深入.（2）加强了师生互动和生生互动，提高了实验课堂的学习效率，有效地调动了学生的学习兴趣及主观能动性.

（3）培养了学生的独立思考、创新思维，提高了学生的实践创新能力和解决工程问题的能力.

4 结语

本文结合河西学院工科专业《电气控制与PLC》实验教学的现状，对其进行了教学改革，虽然取得了较好的教学效果，但在很多方面依然不够完善，对教师和学生也提出了一些新挑战，希望能为开设该实验课程的高校提供有益的借鉴，使得此类实验教学改革更上一个台阶.