基于ARCS动机模型的PLC课程教材开发

[摘 要] 山东华宇工学院2018年度教研课题“基于ARCS动机模型的信息技术课程教学改革与实践”项目研究成果，可以推广应用于多门课程的教学改革中。“PLC”是应用技术型本科院校电气类专业中的核心课程，基于ARCS动机模型进行课程改革十分有效，但传统章节化的教材远不能适应该课程信息化教学的需要。教材《西门子S7-300PLC项目化教程》是以项目、任务层次结构进行编写的适合新形势教学的教材，本文结合ARCS理念，阐述对该教材进一步开发的思路和具体实践过程。

[关键词] ARCS动机;PLC;教材开发

[中图分类号] G642      [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2019） 11-0078-02

20世纪80年代，美国佛罗里达大学的约翰·M· 凯勒（John M.Keller）教授综合了当时许多学习动机理论，在《教学设计的理论与模型》一书中首次提出ARCS动机设计模型。Keller从注意（Attention）、相关性（Relevance）、自信心（Confidence）、满足（Satisfaction）四个维度，总结出一系列面向动机激发与维持的教学策略。ARCS动机设计模型主要内容为：要激发学生对这门课程的学习动机，首先要引起他对某一学习任务的注意和兴趣;如果学生找到了学习任务与自己预期目标之间的相关性，学习动机就会得以维持;接着要让他相信自己能够很好地完成这一任务，自信心会使他的学习动机继续维持;最后，当他实现了预期学习目标，体验到学习成果带来的成就感时，这种满足会使他的学习动机长久地维持下去。

“基于ARCS动机模型的信息技术课程教学改革与实践”项目研究，建立全课程的“三单”资源作为教学资源的补充，全面引入“蓝墨云班课”app或通过教学做一体化进行教学过程实施。该改革方案在校内多门课程中进行推广应用，但相应的教材资源并不匹配教学方法的改革，进一步开发对应的教材很有必要。

一 “PLC”课程项目化教学教材现状

在目前，符合应用型本科教育特色的教材仍严重不足，普遍存在内容偏多、理论偏深、实践性内容严重不足等问题。“PLC”作为应用型本科及高职高专电气类专业的核心课程，市面上的项目化教程也陆续出现。但PLC机型繁多，不同院校选择不同的机型作为学习载体，山东华宇工学院选用了目前比较先进的西门子S7-300PLC的机型进行教学，而满足该机型的项目化教程却极少，改变上述问题，是编写教材《西门子S7-300PLC项目化教程》的宗旨。

《西门子S7-300PLC项目化教程》，该教材是以项目化教学为方法，结合“教学做一体化”的教学改革进行编写的一本教材。全书以完成工程项目所需的基本知识、基本能力为依据，按照完成工程项目的一般工作顺序，介绍了S7-300 PLC硬件系统的基本构成、STEP 7软件的基本操作、S7-300指令及应用、S7-300程序结构、S7-GRAPH应用和网络通信。

整个教材的编写过程都渗透着项目驱动教学法的应用。每一步的计算机编程软件的使用都有详细截图，教师可以按照教材的指引利用多媒体演示“编程软件”的使用方法，程序的设计与编写过程;学生也可以通过自学预习或巩固所学知识。

ARCS动机模型指导进行课程教学改革在山东华宇工学院推广应用后，原有教材却未能准确体现注意（Attention）、相关性（Relevance）、自信心（Confidence）、满足（Satisfaction）四个维度的改革。对该教材的再次开发，有十分重要的现实意义。

二 基于ARCS动机模型的“PLC”教材开发思路

全书共设置了11个典型工程项目，每个项目由多个任务组成，每个任务包括“提出任务”“任务分析”和“任务解答”几个部分。在“提出任务”部分，向学生展示本次任务需要解决的问题，教师布置任务;然后学生结合“任务分析”学习相关背景知识，寻求答案并进行初步设计与运行;“任务解答”部分详细介绍任务实施的具体过程。全书将西门子S7-300的理论知识融于这些项目中，避免了理论知识讲授空泛生涩的弊端，使学习者在工程项目中逐步掌握西门子S7-300 PLC的使用。通过大量应用实例，掌握S7-300 PLC的编程方法和程序設计技巧，使学习变得轻松生动。

全书突出实例应用，尤其在介绍LAD编程语言的指令时，突出指令的特点，针对每条指令都设计了典型的应用案例，并在案例中逐渐渗透编程方法与技巧，由浅入深、循序渐进，使学生在学习完指令的同时，也学会了基本的编程方法与技巧。各项目均配有习题，方便学习者巩固练习。

在教材改革开发思路中，保留原有教材的“提出任务”“任务分析”“任务解答”三模块，继续以任务驱动教学作为主要教学方法。同时结合“三单”教学资源，即“课前预习任务单”“课堂学习任务单”“课后复习任务单”，以“三单”教学资源作为教材中的一部分，在“课前学习任务单”确定学习目标和学习任务引起学生注意（Attention），通过“课堂学习任务单”让学生联系知识相关性（Relevance），“课后复习任务单”巩固知识，建立学生自信心（Confidence），最后通过“教学做一体化”的实施过程，达到课程学习的满足感（Satisfaction）。

三 基于ARCS动机模型的“PLC”教材开发实施

下面以教材项目10中的任务3的实际编写过程为例，阐述该教材开发的具体实施过程。

（一）课前预习任务单

课前预习任务单旨在引起学生的注意力（Attention），对即将开始的课堂内容有初步预期，引导学生课前进行探索探究。该任务的课前预习任务单内容如下：（1）课题名称：十字路口交通灯的控制。（2）达成目标：通过预习，达到两个目标。熟悉十字路口交通灯的控制要求;根据经验，制定初步的解决方案。（3）学习方法建议：巩固定时器指令，探究S7-GRAPH编程方法。（4）课堂学习形式预告：第一环节，提出任务;第二环节，分析任务;第三环节，解答任务，实际操作。

（二）课堂学习任务单

课堂学习任务单，是教材每个项目的主体部分，通过背景知识的讲解，让学生联系知识的相关性（Relevance），强化知识和技能部分的训练。教材中体现的课堂学习任务单内容如下：

1 提出任务

利用S7-GRAPH编程语言，实现十字路口交通灯的控制。控制要求如下：交通灯系统由一个启动开关控制，当启动开关接通时，该信号灯系统开始按照交通灯规律工作，控制过程循环进行。当启动开关关断时，执行完该周期后信号灯都熄灭。

2 分析任务

在教材项目4介绍定时器指令时，已经做过相似的控制。此任务将用S7-GRAPH实现。GRAPH类似于解决问题的流程图，适用于顺序控制的编程。利用S7-GRAPH编程语言，可以清楚快速地组织和编写该交通灯系统的顺序控制程序。实现的方案有两种，一种是按照单序列进行，另一种是按照并行序列實现。

3 解答任务

这里介绍单序列实现十字路口交通灯控制的方法，并行序列实现的过程作为课后扩展练习。

（1）创建项目及S7-GRAPH的功能块

新建名为“交通灯单序列”的项目，CPU为CPU313C-2DP。编辑符号表。

执行SIMATIC管理器的菜单命令“插入”→“S7块”→“功能块”，在出现的“属性功能块”对话框中，功能块默认的名称为FB1，用下拉式列表设置“创建语言”为GRAPH。

（2）生成单序列的功能图

按照顺序控制器编程的方法编写十字路口交通灯顺序的功能图程序。

（3）设置S7-GRAPH功能块的参数集

执行菜单命令“Options”（选项）→“Block settings”（块设置），在打开的对话框的“FB Parameters”（FB参数）区用单选框选中“Minimum”（最小参数集），此时FB1只有一个参数。单击“OK”按钮确认。保存和编译FB1中的程序。

（4）调用S7-GRAPH功能块

打开OB1，将指令列表的“FB块”文件夹中的FB1拖放到程序段1的“电源线”上，在参数INIT_SQ端输入M0.0，在FB1方框的上面输入它的背景数据块的编号DB1。保存，完成OB1中的编写。

（5）仿真实验

打开PLCSIM，创建IB0和QB0的视图对象。将仿真PLC切换到STOP模式，把所有的块下载到仿真PLC。打开FB1，单击工具栏上的“监视”按钮，启动程序状态监控功能，将仿真PLC切换到RUN模式，点I0.0启动，可以看到Q0.0～Q0.5按照顺序功能图设定的时间顺序点亮。

（三）课后复习任务单

通过教材上的“课后复习任务单”巩固知识，建立学生自信心（Confidence）。课后复习任务单基本内容如下：（1）基本知识点：S7-GRAPH编程步骤。（2）重点与难点：重点是S7-GRAPH的使用流程;难点是顺序功能图编程思路的设计。（3）巩固练习：通过实验室一体化课堂实施，验证课堂学习任务，自行设计并行序列实现交通灯控制的程序。（4）困惑与建议：初学者在顺序功能图块应用时，容易忽视主程序块的设置，实操过程中要特别注意。

四 结论

基于ARCS动机模型，通过项目化教学的教材中扩展“三单”，在教学过程中有效引导课程教学过程实现注意、相关性和自信心三个维度，结合课堂一体化实际教学，自己的作品展现后，学生内心得到了充分的满足，整个过程中学生的能力得到普遍提高。该教材改革的开发方法在山东华宇工学院的取得了良好的推广效果，该教材的使用效果也获得了师生广泛好评。

参考文献：

[1]郭德俊，汪玲，李玲.ARCS动机设计模式[J].首都师范大学学报（社会科学版），1999（05）.

[2]郭艳燕，杨军.基于ARCS动机模型的程序设计课程翻转课堂教学设计——以“递归函数”教学内容为例[J].计算机教育，2018（06）.

[3]李莉，王玉娟.西门子S7-300PLC项目化教程[M].北京：机械工业出版社，2016.

（责任编辑： 王义祥）