新工科背景下应用型本科院校电气控制与PLC技术课程实验教学改革探索

2023-09-20李睿智武志伟程晟

中国教育技术装备 2023年10期

李睿智武志伟程晟

摘要新工科背景下，面向智能制造行业蓬勃发展对学生工程实践能力和创新能力提出的新需求，目前电气控制与PLC技术课程实验教学环节存在着实验教学平台不完善、教学内容与行业发展需求脱节、教学组织形式陈旧、考核评价方式单一等一系列问题。针对上述问题，从构建多层次实验教学平台、更新实验教学内容、改进实验教学组织方法、优化考核评价方式四方面进行教学改革。教学实践表明，该实验教学改革可以有效激发学生的学习积极性，对学生的工程实践能力和创新能力培养具有明显的促进作用。

关键词新工科；实验教学；电气控制与PLC技术；教学改革

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）10-0142-05

Exploration on Experiment Teaching Reform of Electrical Control and PLC Technology in App-lication-Oriented Undergraduate Colleges Under Background of New Engineering： Taking Shanxi Institute of Energy as Example//LI Ruizhi， WU Zhiwei， CHENG Sheng

Abstract Under the background of New Engineering， facing the new demand for the cultivation of stu-dents engineering practice ability and innovation ability due to the vigorous development of intelli-gent manufacturing industry， the existing experimen-tal teaching links of the course of Electrical Con-trol and PLC Technology have problems such as imper-fect experimental teaching platform， disconnection between teaching content and development needs of the industry， outdated teaching organization form， and single assessment method. In view of the above problems， this paper carries out teaching reform from four aspects： constructing multi-level experi-mental teaching platform， updating experimental tea-ching content， improving experimental teaching orga-nization method and optimizing evaluation method. The teaching practice shows that the experimental teaching reform effectively stimulates students learning enthusiasm， and plays an obvious role in promoting the cultivation of students engineering practice ability and innovation ability.

Key words new engineering; experimental teaching; elec-trical control and PLC technology; teaching reform

Authors address Shanxi Institute of Energy， Jinzhong， Shanxi， China， 030600

0 引言

随着云计算、大数据、人工智能等新一代信息通信技术与先进制造技术不断融合，我国制造业正在迈入智能制造时代。在此时代背景下，制造业对机电类专业毕业生的能力提出了更高的要求[1-3]。需要特别指出的是，在毕业生的众多能力指标中，工程实践能力和创新能力被提到了前所未有的高度。为积极应对这一人才培养过程中的崭新课题，2017年教育部启动了“新工科研究与实践”项目，旨在培养科学基础厚、工程实践能力强、综合素质高的应用型、技術型创新人才，着力解决高等工程教育中的实践性和创新性问题[4-5]。

电气控制与PLC技术是机电类专业的一门重要专业核心课程，其内容涵盖电工电子技术、控制技术和计算机技术等多方面的综合知识，具有理论知识涉及范围广、逻辑性强、实践教学与工程实际结合紧密的课程特点[6]。通过本课程的学习，毕业生可以从事自动化系统设计与调试等相关工作，在智能制造领域具备较强的核心竞争力。相比于其他专业课程，该课程实践性强的特点尤为突出，因此，实验教学质量直接关系着该门课程教学效果的好坏。符合人才培养规律的实验教学安排可以极大地激发学生的学习兴趣，更好地巩固理论知识，培养学生的实践动手能力和创新能力；反之，不够合理的实验教学安排则会导致学生理论知识体系混乱，只会机械记忆实验步骤，缺乏主动思考能力，进而产生厌学、怕学情绪。因此，针对电气控制与PLC技术课程开展实验教学改革探索，对于加快推进智能制造相关领域新工科建设，持续深化工程教育改革，加快培养适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才具有十分重要的意义[7-9]。

1 电气控制与PLC技术课程实验教学现状

电气控制与PLC技术是山西能源学院机械电子工程专业在第七学期开设的一门核心专业课，该课程以西门子的S7-1200系列PLC为主讲控制器，重点讲授PLC工作原理、指令系统、编程方法、通信与网络等相关知识，使学生能够掌握产品选型、工控系统设计、设备调试等智能制造领域工程技术。该课程总学时为40学时，其中，实验学时有4个，依托THSMS-C型网络型可编程控制器实验台，从十字路口交通灯控制系统、四层电梯控制系统、天塔之光模拟控制、机械手模拟控制等16个数字量实验模块中选取两个进行实验教学。本文以该课程近几年的实验教学实践为研究基础，结合在校生结课座谈反馈，参考毕业生工作调研情况，发现电气控制与PLC技术课程实验教学中存在以下几个关键问题。

1.1 实验教学平台构建不完善，难以支撑新工科人才能力培养指标

山西能源学院电气控制与PLC技术实验教学主要依托THSMS-C型网络型可编程控制器实验台（图1）进行。从实验台数量来看，笔者所在系共有该实验台8个，以两人为一组，一次可同时满足16名学生进行实验，这与教学班70人的学生数量相差较远，从而出现多人共用一台实验设备的情况，导致许多学生无法亲自动手实验，只能观看，学习效果不理想。从实验台结构来看，该实验台只能采用插孔方式进行接线，所有电器元件全部封装在实验台内部，这就导致学生无法直观地观察电器元件，对知识的理解仍然停留在书本上的图片层面，实验教学相比于理论教学的真实性优势荡然无存。从实验台功能来看，该实验台仅能完成一些数字量控制实验，模拟量控制、运动控制、触摸屏等内容难以完成，实验台功能与产业需求脱节严重，学生的工程实践能力和创新能力难以得到真正的培养和锻炼。综上所述，该专业目前的实验教学平台构建不够完善，对于新工科人才的培养过程难以起到较好的支撑作用。

1.2 实验教学内容缺乏综合性和设计性，与产业发展需求严重脱节

在实验教学内容方面，该课程目前所做实验为交通灯控制等基础性实验，这些实验对学生在加强基本指令知识理解、熟悉编程软件操作等方面具有一定的帮助作用，但难以涉及模拟量控制、运动控制以及通信与网络技术等PLC核心技术，无法培养学生模块化的编程思维和综合性的项目设计实践能力。另外，目前所开设实验大多数为验证性实验，实验内容缺乏自主设计性，难以培养学生的创新能力。所以，缺乏综合性和设计性的实验教学内容会导致学生的能力培养与产业发展需求严重脱节。

1.3 实验教学组织方式缺乏科学性，与学习认知规律不符

在传统的实验教学组织过程中，实验学时为四个学时，只占课程总学时的十分之一，仅够完成两个基础性实验，学生的动手能力很难得到充分锻炼，这与该课程实践性强的特点背道而驰。另外，传统的实验教学往往安排在课程最后阶段，即理论教学授课结束之后，这会使理论知识教学与实验教学人为地割裂，导致学生在进行理论知识学习时，无法通过实验教学进一步加深印象；在进行实验验证时，失去理论知识的指导，变成为了做实验而做实验，难以达到实验教学的真正目的。总之，传统的实验教学组织方式缺乏科学合理的安排，与学生的学习认知规律不符。

1.4 实验教学考核方式缺乏客观公正性，难以起到检验、反馈与督促的作用

相比于理论知识教学采用一张期末试卷进行考核的方式，实验教学更加注重实验过程中学生的实际动手表现，仅凭实验报告无法客观公正地对学生的实验能力进行评价。在传统的实验教学中，由于实验条件受限，在做实验时经常是一个学生做、多个学生看，实验结果多人共享，实验报告相互抄袭。教师在进行实验成绩评定时，无法准确判断学生实验掌握程度，往往只是通过实验报告书写认真与否给出相应成绩，存在极大的随意性和无差别性，实验评价流于形式。对于学生来说，这种实验教学考核方式无法对自己的实践动手能力和创新能力起到检验与反馈的作用，还会助长学习懒惰性，产生“混”的思想，无法对学习起到积极的督促作用。

2 电气控制与PLC技术课程实验教学改革措施

针对该课程实验教学目前存在的问题，本文主要从构建多层次实验教学平台、更新实验教学内容、改进实验教学组织方式、优化实验教学考核方式四方面进行教学改革与探索。

2.1 构建多层次实验教学平台：新工科人才工程实践能力和创新能力培养的基础保障

实验教学平台是开展实验教学的基础保障和硬件支撑，因此，进行实验教学平台升级是进行电气控制与PLC技术课程实验教学改革的先决条件。针对目前该课程实验教学设备数量少、实验台功能陈旧等突出问题，本着“基础模块+综合设计、线上仿真+线下实践”的建设思路，构建基础实验平台+虚拟仿真实验平台+智能制造实验平台的多层次立体实验教学平台[10]。

2.1.1 基础实验平台

该平台主要用来完成基本指令练习、交通灯控制、天塔之光等驗证性实验。通过该平台，一方面可以使学生加深对理论知识的理解；另一方面可以使学生熟悉程序编写、下载以及接线调试等基本操作，使学生具备基本的工程实践意识和工程实践能力。

2.1.2 虚拟仿真实验平台

该平台主要用来完成全自动洗衣机控制、自动门控制、电梯模拟控制等设计性实验。由于虚拟仿真实验平台具有电器元件不怕损坏且种类丰富多样、可以做到人手一台以及电器元件内部结构方便查看等独特优点，通过该平台可以让学生自主完成一些中等难度的设计性实验，锻炼学生的编程能力和设计思维，逐步培养学生的创新能力。

2.1.3 智能制造实验平台

该平台主要用来完成物料自动分拣系统、桁架机械手控制系统、立体仓库控制系统等综合性实验。该平台包含步进电机、S7-1214C型号的PLC控制器、传感器、气缸等众多工程实践所用的电气元件，能够为学生提供接近工程实践的实验环境。通过该平台的实验，可以使学生基本具备完成小型智能制造工程项目的设计经验和工程实践能力。

2.2 更新实验教学内容：新工科人才工程实践能力和创新能力培养的主体承载

实验教学内容是实验教学环节的主体承载部分，对学生的工程实践能力和创新能力培养起着决定性作用。在传统的实验教学过程中，由于“重理论、轻实践”教学观念的存在，导致实验学时少，且实验内容的选择大多是与当前行业发展脱节的基础性实验，学生在做实验时挑战性很小，工程实践能力和创新能力无法得到真正的培养。因此，该课程在进行实验教学内容改革时，以对接智能制造行业发展需求为中心思想，从课内课外两个方面更新和扩充实验教学内容[11]，电气控制与PLC技术课程实验教学内容如表1所示。

在课内教学方面，首先，针对每一模块的理论知识配备相应的实验教学内容，理论联系实践，实践检验理论，从而加深学生对知识的理解。将实验课时由4个增加到16个，为学生提供充足的时间。其次，着重增加当前行业发展所需的模拟量控制、运动控制以及小型控制系统综合设计三方面的实验内容，确保学生在电气自动化领域的工程实践能力能够得到全方位的锻炼，为今后从事该行业的工作打好基础，努力做到无缝衔接。

在课外拓展方面，针对学生所提的实验时间短、项目少，能力难以得到充分提升的问题，本次实验教学改革在每个实验教学内容的课后配备一到两个课外拓展实验，方便学生进行自我巩固练习，以达到加深知识理解、提升实践能力的目的。

2.3 改進实验教学组织方式：新工科人才工程实践能力和创新能力培养的主要手段

好的教学组织方式可以使学生接受知识的过程更为顺畅，因此，应该根据每一门课程的特点制定合适的教学组织方式。结合电气控制与PLC技术课程实践性强的突出特点，在实验教学过程中应该牢牢抓住“培养学生工程实践能力”这一教学目标，贯彻“以学生为主体”的教学理念，采用“学中做、做中学”的教学方式展开实验教学[12]。

2.3.1 实验教学环节时间安排方面

摒弃传统教学模式中将实验教学放在课程最后的安排方式，将实验教学紧跟对应的理论教学模块之后进行，实现理论实践一体化教学。这种实验教学安排方式可以使学生在学完理论知识后，第一时间进行实验巩固，从而加深对理论知识的理解；同时，实验过程中所出现的各种问题可以促使学生从广度与深度进行知识的理解和延伸。此外，接近工程实践情景的实验教学还可以大大激发学生的学习积极性，克服长期理论知识学习过程中的枯燥性和懒惰性，形成学生主动学、教师引导教的良性循环。

2.3.2 在实验课堂教学方式方面

贯彻“学生为主体，教师为引导”的教学理念，利用“线上仿真平台+线下实验平台”双平台支撑，采用“课前微视频预习+课上实时指导”的教学方式完成实验教学。将实验任务、原理和设计关键点等内容通过录制成微视频的方式提前发给学生预习，学生可以利用虚拟仿真软件进行初步思考与实验设计。进入课堂教学之后，发挥学生的主体性作用，以小组为单元讨论完成实验任务，教师主要负责对学生进行错误操作纠正和思路引导。这样的教学方式一方面可以为每个学生留出足够的实践锻炼时间和思考时间，方便教师及时发现不同基础学生的不同问题并为其提供个性化的实践指导，另一方面还可以最大限度地培养学生的团队协作意识，挖掘学生的创新潜力。

2.3.3 在课后拓展方面

利用实验思考题等方式引导学生进行实验反思，并积极鼓励学生利用课余时间进行自主设计性实验、科研项目验证实验和学科竞赛实验，使学生进一步实现工程实践能力和创新能力的提升。教师应该做好平台支撑和技术指导，为学生实验的顺利完成保驾护航。

2.4 优化实验教学考核方式：新工科人才工程实践能力和创新能力培养的重要反馈

在该课程以往的实验教学考核中，教师主要依据学生的实验操作表现和实验报告给出成绩，但由于学生众多，教师很难记住每一个学生的课堂表现，学生只要写好实验报告就能得高分，评价方式缺乏客观公正性，难以真实地反映学生的实践能力水平的高低。另外，由于实验成绩在该课程的总成绩中占比很少，只占10%，学生对实验教学成绩重视度不够，久而久之导致学生缺乏学习积极性，忽视实验教学过程，工程实践能力无法得到真正的培养锻炼。针对上述问题，结合该课程的课程特点和培养目标，建立基于多元化评价理念的实验成绩考核体系（图2）[13]。将实验成绩在该课程中的总成绩占比提高到30%，以提高学生对实验教学的重视度。实验成绩（按100%记分制）包含签到、实验报告、实验操作表现以及实验期末考试成绩四部分，其中签到占10%，实验报告、实验操作表现以及实验期末考试成绩各占30%。实验期末考试由教师命题，考试时间为1学时，考试方式为学生单独操作完成，教师依据每个学生在操作规范、设计思路和完成程度等方面的考试表现给出相应的分数。

3 结束语

本文基于新工科背景下智能制造行业要求和科技创新人才培养目标，以山西能源学院机电类专业课程电气控制与PLC技术为例，对其实验教学现状进行详细剖析。针对该课程实验教学中存在的痛点问题，从实验平台建设、教学内容更新、教学组织方式改进、考核评价方式优化等方面进行教学改革与探索。教学实践表明，改革后的实验教学效果明显，学生学习积极性显著提高，理论知识掌握与工程实践能力提升均有明显改善，对实现应用型本科人才培养目标有较好的促进作用。

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