可编程控制器课程教学改革的探索与实践
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作者:郑海春
摘要文章从可编程控制器课程的教学出发，针对教学中存在的实验学时少、实验内容陈旧、教学模式单一、理论与实践分离、考核方式固化等问题，提出构建新的教学内容体系、使用混合式教学模式、搭建虚拟仿真实践平台以及构建科学合理的课程评价体系的改革思路。实践证明，以上教学改革的实施能有效提高教学效果，激发学生的学习热情，实现学生知识、技能、素养的综合培养，增强就业竞争力。
关键词可编程控制器；教学改革；混合式教学；考核方式
中图分类号：424文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.21.035
Exploration and Practice of 'Teaching Reform of ProgrammableController Course
ZHENG Haichun
（School of Electrical Engineering and Electronic Information， Xihua University， Chengdu， Sichuan 610039）
Abstract According to the teaching of programmable controller course， problems such as less experimental hours， outdated experimental content， single teaching mode， separation of theory and practice， and solidification of assessment mode are ever existing. This paper puts forward the construction of a new teaching content， the use of blended teaching mode， the application of virtual simulation practice platform and constructing scientific and reasonable evaluation method. Practice has proved that the implementation of the above teaching reform can effectively improve the teaching effect， stimulate students' learning enthusiasm， realize the comprehensive cultivation of students' knowledge， skills and literacy， and enhance their employment competitiveness.
Keywords programmable logic controller; teaching reform; blended teaching; examination method
可程控制器（programable logic controller，PLC）是自动化专业的一门重要专业核心课程，PLC 将计算机技术引入自动控制中，使软、硬件结合、相互渗透，具有实践性、实用性强的特点，它的应用几乎覆盖了所有工业、企业的电气控制系统。PLC 的课程目标是使学生获得 PLC 工作原理、软硬件资源、指令系统、控制系统编程方法、组态监控系统开发等知识；掌握 PLC 控制系统的设计、安装、调试、维护等技能；养成安全第一、科学严谨、团队协作、勇于创新等素质[1]。
为应对新一轮科技革命与产业变革，教育部在2017年启动“新工科”建设，高等学校必须主动进行改革，才能适应企业和国家对创新型人才的需求[2]。随着科学技术的发展，产业升级改造不断加快，市场对 PLC 技术人才的能力需求越来越高，传统的教育已不能满足用人单位的急切要求。因此，探索新的教学方法、提升 PLC 教学效果，增强学生就业竞争力的教学改革势在必行。
1教学中的“痛”点
1.1实验学时偏少，实验设备过时
PLC 课程总共40学时，其中实验8学时。实验学时比例偏低。这与该门课程实践性、实用性强的特点不相适应，不能充分锻炼学生的实践、创新能力。课程的实验设备是三菱的 FX2N 系列小型 PLC，该系列产品目前已处于停产状态。而且由于实验设备最初设计时缺少工业上广泛使用的模拟量模块、编码器、触摸屏、工业总线网络接口、变频器、伺服机构等，学生的大部分实验只能针对简单的开关量控制，实验内容缺乏高阶性、系统性、挑战性和创新性，与工厂自动化需求脱节。
1.2教学方法单一，理论与实践分离
传统的 PLC 课程教学普遍是以教师为中心，教学活动围绕教师、教材、教室三个中心展开，课堂讲授面面俱到，教师无暇顾及学生个体的学习效果。学生处于被动学习状态，听课、记笔记，这样的课堂已无法适应移动互联时代学生获取知识渠道、方式和态度的变化。优质的国家级精品开放课、MOOC 等资源丰富而生动，传统课堂面临巨大挑战。学生对学习无新鲜感、无兴趣，主动性差，思维不活跃，甚至开小差。
PLC 课程普遍采用先讲理论课，后上实验课的分阶段方式，看似合理，实则硬生生将理论与实践分离。导致课堂上老师所讲的理论和编写的程序，学生无法即时验证，成就感不高。而真正等到实验课，学生有兴趣的时候，才发现前面老师讲的很多内容当时没有认真听，这时课程也接近尾声了。理论与实践的分离，学生学习效果差，达不到应用型、创新型人才的培养目标[3]。
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1.3考核方式不合理，与课程目标“偏离”
本门课程实践性、实用性强，课程目标不仅要求学生掌握 PLC 的基本原理、编程方法等知识，还应具备 PLC 控制系统设计、安装、调试、维护等技能，此外还需养成安全第一、科学严谨、团队协作、勇于创新等素质。目前 PLC 课程的总成绩由四部分构成：平时成绩（10%）、期中考试（10%）、实验成绩（10%）、期末考试成绩（70%）。期末考试采用试题（卷）的方式进行考核，所占比重过大。过程性评价分值太低，不利于全面、真实、综合地考核学生的知识、技能和素养。这一考核方式导致了学生学习的不良导向，只要考前突击一下，刷刷题就能拿高分，偏离了课程应有的方向和目标[4]。
2教学改革探索与实践
2.1修订教学大纲，构建新的教学内容体系
笔者通过广泛调研学习，到省内其他高校 PLC 实验室参观交流，以及对自动化工厂设备研发生产企业的人才需求调研，了解到多数高校和企业对自动化专业学生的要求是掌握西门子 PLC 的硬件组态、软件编程和工业组网。
西门子公司发布的 TIA Portal（“博途”）全集成软件开发平台，将所有自动化软件工具集成在统一的开发环境中，用户能够对几乎所有的西门子自动化和驱动产品进行组态、编程和调试[5]。“西门子杯”中国智能制造挑战赛是目前国内智能制造领域规模最大的学生类竞赛之一，且该竞赛在2019年已进入中国高教学会高校学科竞赛排行榜项目。考虑到用人市场对 PLC 就业人才的要求，西门子PLC 已是市场主流，为增加学生的就业竞争力，课程组决定修订教学大纲，构建新的教学内容体系，以改革促发展。
本校 PLC 课程教学大纲修订过程中大幅度增加实验学时数，由原来的8学时提高到16学时，解决实验学时偏少问题，进一步加强学生实践动手能力的培养。课程新大纲还以市场对人才的需求为导向，探索以西门子 S7-1200 PLC 为教学内容的教材和实验平台建设。
教材建设是教学内容构建的重要环节，好的教材可以引发学生深思。针对目前教材中存在大量手册翻译，叙述过于烦冗，重点不突出，结构不系统，不能很好辅助学生自学的问题，课程组自编以西门子S7-1200为主要授课内容的新形态教材。教材的编写侧重以学生的视角安排章节，真正为学生服务，将教师多年教学经验的总结、感悟和体会融入教材编排，让学生少走弯路，真正提高学生的自学效率。
在西门子实验教学设备的建设上，通过和生产企业合作，建设敞开式、定制化、多层次的实验装置，且严格按照工厂自动化标准设计，以满足PLC 课程的实验、设计、创新以及竞赛需求。敞开式的实验装置让学生清晰看到模块之间导线的连接和走向，增强学生对工业设备布线的视觉感。实验开始前，教师会让学生仔细观察实验设备，经过小组讨论后画出整个实验装置的电气原理图、布置图以及安装接线图，提高学生分析、设计和绘图能力。
2.2混合式教学模式
传统的教学方法是以教师为中心，采用讲授法为主，师生间、学生间互动不足，学生的学习兴趣得不到调动，影响教学效果[6]。笔者使用“学习通”工具平台提升教学效果和延展教学环境，运用“翻转课堂”增强课堂互动性，采用 SPOC 资源丰富教学内容，构建“以学生为中心”理念下的混合式教学模式。教学设计过程主要包括课前学习、课中内化和课后拓展三个阶段[6]。
“学习通”工具平台的使用，使得教学组织更加科学化，教学评价更加多元化，教学活动更加多样化，教学反馈更加即时化，学习体验更加生动化。该教学模式不仅可以有效实现“课内课外”“线上线下”的时空延展，还能通过提高学生课堂的参与度，激发学生的高阶思维水平，使学生对课程内容产生浓厚的兴趣，从“要我学”转变成“我要学”。更为重要的是，通过“学习通”工具平台强大的后台数据支撑，教师可以关注到每位同学的学习情况，教师从“教育资源的输出者”转变成“高效、高质量学习的促进者”。真正实现教学活动围绕“以学生为中心”的学生发展、学生学习、学习效果的新“三中心”。
2.3搭建虚拟仿真实践平台
PLC 课程需要理论和实践紧密结合，课程组为每位学生搭建虚拟仿真实践平台，用来实现理论和实践的紧耦合。实践证明，这种紧耦合行之有效，而且对激发学生兴趣进而主动投入课程学习效果显著。
虚拟仿真实践平台不受物理实验室的时空限制，真正是以学生为中心，对学生的课前预习、课后巩固方便有效。课程组老师采用 VMware 虚拟机的方式，为学生搭建实践平台并分享给学生。学生通过在自己的电脑上加载教师提供的虚拟机镜像文件，轻松实现将实验室搬到电脑里，为理论与实践的无缝衔接以及混合式教学模式改革奠定了重要的实践基础。
2.4构建科学合理的课程评价体系
本次课程评价体系改革的指导思想是既重视教学过程中学生的学习行为记录，也重视学生学习成果的检查与考核，对学生的知识、技能和素养进行综合考核。
课程改革利用“学习通”平台的统计工具，“学习通”为教师提供了丰富的信息化工具，方便开展考勤签到、讨论、投票、随堂测验、抢答、问卷等活动并由后台自动生成统计图表。此外，通过“学习通”的视频反刍比、教学预警等功能可以让教师及时了解学生的学习态度和效果，关注学生的学习过程，让每一个学生都能够积极参与到教学中去。
传统的期中成绩是采用纸质试卷的线下方式，印制、批改、归档等工作流程烦琐，灵活性差。改革后的期中考试全部采用“学习通”平台线上组卷，设置试卷定时发放、考试时长、多题多卷、试题乱序、客观题自动阅卷等功能。考试形式仍采用线下教师监考，学生携带手机进入教室，直接在手机的“学习通”APP 上作答，对于需要绘图的设计性题目，学生在草稿纸上作答后直接拍照上传。而且“学习通”平台的“监考”功能可以让教师随时查看学生离开“学习通”平台的次数，作为疑似作弊的重要依据，真正实现无纸化考试、高效阅卷、自动存档功能，并且学生可以及时得到成绩、答案、排名等考试信息的在线及时反馈。
改革后的实验成绩所占比例由原来的10%提高到20%，这也是和实验学时的增加以及进一步强调学生的实践、动手能力的课程目标相适应。改革前的实验课成绩由操作成绩和实验报告成绩两部分组成，各占实验课总成绩的50%，但操作成绩具体怎么评定没有明确的指标，而实验报告同学们完成的情况也都大同小异，无法分出层次，实验成绩的高低不能真实反映学生的实践、动手能力的强弱，造成了实验课不积极、不主动的恶性循环。为此，本次教学改革对实验课程的成绩评定方法进行了细化，每次实验课都制定了详细的内容考核表，由老师逐项进行打分，激发了学生的实验热情。
3结论
针对可编程控制器教学的“痛”点，以课程教学要达到的人才培养目标为导向，从教学内容体系、教学模式、实践平台、考核评价等方面进行改革和实践。提高了教学效果，激发了学生的学习热情，由“被动学”变为“主动学”，充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用，促进了可编程控制器课程教学质量和学生综合素质、就业竞争力的提高。
基金项目：自动化类教指委专业教育教学改革研究项目“‘两性一度’导向下可编程控制器课程金课建设的研究c实践”（202146）；西华大学教育教学改革项目“电气控制技术与 PLC 新形态教材研究与实践”（XJJG2021081）。
参考文献
[1] 王福龙， 赵丽.高职院校《可编程控制器应用》课程思政教学路径探究[J].科技经济导刊，2019，27（29）：149-149.
[2] 吴爱华，杨秋波，郝杰.以“新工科”建设引领高等教育创新变革[J].高等工程教育研究，2019（1）：1-7.
[3] 崔少晨.基于混合式教学方法的可编程控制器课程教学改革探索[J].科技与创新，2019（23）：51-52.
[4] 吴亚君.基于OBE 教学理念的PLC 教学改革与实践[J].沈阳工程学院学报（社会科学版），2019（4）：244-247.
[5] 张蔓等.可编程控制器课程教学改革实践与研究[J].科技资讯，2017（22）：186-187.
[6] 黄永捷等.混合式教学模式下的《电气控制及PLC》课程教学改革研究[J].教育现代化，2019（84）：52-53.
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