工程教育专业认证背景下可编程序控制器课程改革探索

2023-01-24刘忠超范灵燕盖晓华张洗玉

现代农机 2023年1期

刘忠超，范灵燕，盖晓华，张洗玉

（1 南阳理工学院智能制造学院，473004，河南南阳；2 广西科技师范学院数学与计算机科学学院，546199，广西来宾）

我国2006 年开始实施国际实质等效的工程教育专业认证制度，目前已经成为《华盛顿协议》的正式成员国，工程教育认证质量得到了国际的认可[1]。工程教育认证，促进了专业建设和发展，激发了相关课程的教学改革，提升了人才培养质量。

可编程序控制器课程是南阳理工学院自动化专业平台必修课。该课程是学生今后从事控制系统工程、自动化等领域工作必须掌握的一门重要的专业应用技术课程，其内容是自动化多种技术的综合应用，集传统继电器控制技术、现代PLC 控制技术为一体[2]。该课程理论和实践结合非常紧密，经过课程组多年的建设和课程改革，2019 年该课程被认定为河南省首批线下一流本科课程，也是南阳理工学院校级一流课程建设项目[3]。

可编程序控制器课程传统教学模式重理论轻实践，以“教”为中心，学生的学习脱离工程实际应用，遇到实际工程项目问题时无法解决。针对传统课程教学存在的问题，以南阳理工学院自动化专业工程教育认证为契机，为了更好地发挥可编程序控制器课程在人才培养体系中的作用，适应应用型人才培养目标需求[4]，本文探索构建了以学生为中心，项目引领、任务驱动、理实一体的课程教学模式，为课程目标的较好实现奠定基础。

1 可编程序控制器课程传统教学模式分析

根据工程教育认证的OBE 理念，课程教学内容要围绕着课程目标，课程的教学组织和质量评价围绕着课程目标达成而开展实施[5]。可编程序控制器课程传统的教学模式主要存在以下几方面问题。

（1）可编程序控制器课程与实际结合紧密，但教学内容偏向理论，离应用还有一定的距离。大部分教师实践经验不足，导致在讲授该课程时采用传统的按照知识递进、章节式的方式来进行理论知识的组织与传授。虽然保证了该课程知识的完整性、系统性和学生的可接受性，但是该课程的性质是提高学生的动手能力，学生虽然掌握了一定的理论知识，但是如何在实际生产生活中应用则掌握得较弱。

（2）可编程序控制器课程旧版教学大纲中所制定的教学目标基于传统知识的掌握度和完整性，体现不了学生能力的达成，也不能完全支撑该课程所对应的毕业要求。传统的教学内容不能完全有效支撑工程教育专业认证背景下该课程的教学目标。

（3）可编程序控制器课程传统的课堂教学以教师为中心，学生围绕教师的教学进度转，课堂上以教师理论知识灌输为主，学生主动性较差，只是作为知识的被动接受者，缺乏对教学活动的深度参与，造成课堂出现学生玩手机、抬头率低、课堂注意力不集中的现象，使学生的学习停留在知识认知的表面层次，影响了课程的学习效果，未能实现以学生为中心的工程教育认证理念，对学生能力达成的作用较弱。

2 可编程序控制器课程目标

根据“反向设计、正向实施”的工程教育专业认证思想，首先根据南阳理工学院自动化专业的2021 版人才培养方案，紧扣“以学生为中心、以产出为导向、持续改进”的理念，立足专业课程体系，根据专业的毕业要求及课程与毕业要求的对应矩阵，去设计可编程序控制器课程目标[6]。本课程所对应的毕业要求是工程知识、设计/开发解决方案和工程与社会，该课程的教学目标，应与学生毕业要求能力达成形成支撑。2021 版新修订的可编程序控制器课程大纲将课程目标细化为3 个：课程目标1 是了解PLC 技术发展历程、掌握常用低压电器的使用、PLC 系统的构成、工作原理及编程方法，并能够将上述理论、方法用于自动化工程中的PLC 系统解决方案的比较与综合；课程目标2 是能够分析控制系统技术需求，设计系统的软硬件方案，掌握PLC 的程序设计及仿真和调试方法，并能在设计中体现创新意识；课程目标3 是通过课程学习，了解相应的标准和行业规范，在控制系统设计中规范使用电气元件的图形符号和文字，遵守统一的国家标准、行业标准及相关的法律、法规等。3 个课程目标既包含了知识目标，又涵盖了工程实践能力目标，课程目标对毕业要求的支撑说明如表1 所示。

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系

同时，为了实现全方位育人的培养目标，新修订的该课程大纲还制定了课程的德育目标，其德育目标是理解“中国制造2025”和“工业4.0”的内涵，能够正确认识可编程序控制器在工业生产和其他生产领域中的重要作用，提高学生对专业学习的兴趣，将思政元素融入专业课堂教学，养成正确的学习态度，激发学生勇于创新、科技报国的家国情怀和使命担当。培养学生具有主动参与、积极进取、崇尚科学、探究科学的学习态度和思想意识，养成理论联系实际、科学严谨、认真细致、实事求是的科学态度和职业道德。

3 可编程序控制器课程教学改革

3.1 对照课程目标，优化教学内容

可编程序控制器课程作为南阳理工学院自动化专业核心课程，在有限的48 学时中，如何让学生构建可编程序控制器的知识体系，并获得相应的工程实践能力，对该课程的教学内容组织提出了较高的要求。

可编程序控制器课程教学团队针对该门课程的教学目标和过往实际教学中存在的问题，打破传统的循序渐进式章节教学内容组织方式，优选精简典型工程项目案例设计教学项目，设计了12 个工程教学项目和相应的项目设计任务，项目按照学生认知和接受规律，科学合理地覆盖了课程教学内容，通过实际工程项目，实现了知识学习与实际工程的接轨，提高了学生解决复杂工程问题的能力。每个教学项目均有一定的教学目标任务，工程教学项目及项目训练任务如下。

（1）三相异步电动机星-三角降压启动控制：①了解接触器、时间继电器等低压电器元件结构、工作原理及使用方法；②掌握异步电动机星-三角降压启动控制电路的工作原理及接线方法；③熟悉控制电路的故障分析与排除方法。

（2）查阅资料，调研PLC 市场及应用现状：①了解PLC 的应用及最新的技术发展，充分认识精益求精的品质精神和不断推动产品升级换代的创新精神；②了解我国PLC 的相关企业及主流产品，通过与欧美日等国家先进的可编程控制器技术比较，培养以“技”报国的社会责任感和爱国主义精神；③了解社会对PLC 编程、PLC 调试等PLC 工程师岗位的要求，了解职业规划。

（3）S7-1500 的硬件配置、安装与接线：①认识S7-1500 PLC 的相关硬件模块；②学会对S7-1500 PLC 系统进行基本的配置；③学会安装和拆卸S7-1500 PLC 相关模块。

（4）电机启保停项目的建立、程序下载与调试：①学会西门子TIA Portal 软件的安装、配置和卸载；②熟练掌握西门子TIA Portal 软件的基本操作；③掌握项目建立的方法与步骤；④熟练掌握程序的下载与调试方法。

（5）振荡电路的设计：①熟练掌握西门子TIA Portal软件的基本操作；②掌握项目的建立方法与步骤；③熟悉TIA 软件的基本使用方法，学会运用一些基本指令进行编程；④熟练掌握S7-1500 定时器指令的使用方法。

（6）计数器指令综合应用：①熟练掌握西门子TIA Portal 软件的基本操作；②掌握项目的建立方法与步骤；③熟练掌握S7-1500 计数器指令的类型及使用方法；④训练合理应用计数器指令实现相应控制功能的能力。

（7）多功能流水灯控制系统设计：①熟练掌握西门子TIA Portal 软件的基本操作；②掌握项目的建立方法与步骤；③熟练掌握S7-1500 基本指令的使用方法；④具有应用S7-1500 指令实现相应控制功能的能力。

（8）多级分频器系统设计：①熟练掌握西门子TIA Portal 软件的操作；②学会S7-1500 的结构化程序设计；③熟练掌握S7-1500 函数的使用方法；④具有综合应用S7-1500 指令完成控制任务的能力。

（9）加热炉温度模拟量控制系统设计：①熟悉模拟量信号与数字量信号的区别；②掌握S7-1500 PLC 模拟量模块的接线和参数设置；③熟练掌握S7-1500 PLC 模拟量处理技术；④掌握PID 控制、组态和调试的要点。

（10）恒压供水控制系统设计：①熟悉模拟量信号与数字量信号的区别；②掌握S7-1500 PLC 模拟量模块的接线和参数设置；③熟练掌握S7-1500 PLC 模拟量处理技术；④掌握PID 控制、组态和调试的要点；⑤掌握变频器的使用方法。

（11）十字路口交通灯控制人机界面设计：①掌握西门子触摸屏的接线和参数设置；②熟练掌握HMI 的画面组态设计方法；③掌握触摸屏与PLC 之间通信和调试的方法；④熟悉西门子PLC 编程软件及触摸屏的使用，能够熟练运用PLC 编程软件编写一些简单程序并用触摸屏控制。

（12）物流线仓库库存控制系统设计：①了解PLC控制系统典型的应用设计；②熟练掌握HMI 的组态设计方法；③掌握PLC 与触摸屏联合实现人机交互现场控制的设计方法；④掌握系统的调试和诊断方法，能够解决控制系统设计中的问题。

3.2 以学生为中心，理实一体实施教学

工程教育专业认证要求以学生为中心，因此可编程序控制器课程在教学项目实施前明确项目设计任务和目标，摒弃传统“满堂灌”的课堂教学模式，基于“任务驱动+翻转课堂”，以学生为中心，引导学生积极主动去深度参与课堂教学活动[7]。理论知识学习与实践动手相互融合，同步进行，互相渗透，教师和学生实时沟通交流，实时解决问题，打破了教师和学生的界限，避免了课堂教师纯粹的理论讲解而使学生出现听觉疲劳的现象，真正做到了做中学、学中思、思中升，提高了学生学习的主动性和有效性。

同时，项目组内同学之间也可以互相探讨、优点共学、共同进步，在项目实施完成后，让项目小组自主汇报项目完成情况，给予学生充分的自由权，锻炼学生的沟通能力、口头表达能力、查阅文献能力及团队协作能力等，促进学生的主观能动性和学习自主性的发挥，使课堂真正成为学生受益的“沃土”。

通过实施理实一体化课程教学改革，改变传统课堂以教师为中心、知识传授为本的教学模式，真正激发学生内在的对知识的探寻动力，实现贯彻OBE 教学理念，以学生为中心、能力和素质提升为本的教学模式。

3.3 以赛引领，提升动手创新能力

为了激发学生的学习兴趣，提升学生的创新和工程实践动手能力，学院每年举办全体学生参与的“PLC控制系统设计”专业技能大赛，并开放PLC 实验室，让学生在课余时间充分利用实验室资源，在动手实践中提高课程学习的自主性和兴趣，锻炼创新能力。

同时，以“西门子杯”中国智能制造挑战赛为引领，通过竞赛激励学生积极参与，进一步提高学生的实践动手能力和创新能力。近年来，学院自动化专业学生参加了中国智能制造挑战赛的相关赛项，取得了较好的成绩。

通过围绕可编程序控制器课程的专业技能竞赛和中国智能制造挑战赛，以赛促教、以赛促学、以赛促练，获得了较好的教学效果[8]。

3.4 持续改进，完善课程评价方法

工程教育专业认证要求建立较好的课程质量评价和持续改进机制。针对可编程序控制器课程，形成了“评价-反馈-持续改进”的闭环教学改进流程[9]，课程采用定性和定量评价相结合的方式。定性评价主要依据学生达成度问卷调查来实施，根据毕业要求指标点和课程目标设计问卷，问卷主要反映的是学生自我达成情况的主观反馈，不计入学生达成度，仅仅作为持续改进的参考[10]。

定量评价主要依据课程目标的达成度，传统的可编程序控制器课程教学评价主要以期末考试成绩为主，主要考查学生理论知识的掌握达成情况，未能对学生的动手和解决问题的能力进行考核。因此，改革后的可编程序控制器课程评价注重过程性考核，基于平时作业、项目考核和期末考试成绩来进行。本课程的综合成绩评定由平时作业成绩（20%）、项目考核成绩（40%）和期末考试成绩（40%）构成，这种多元化的考核方式能够实现对课程目标的全面考核，重视了学生的学习过程，能够充分反映学生的学习效果，为课程目标的达成评价奠定基础[11]。各考核方式与课程目标的对应关系如表2 所示，同时对每个课程目标的不同考核方式，制定了易操作、好评价的考核内容和评价标准。