工程教育认证背景下《电气控制与PLC》课程理实一体化教学模式探索

方贵盛，王红梅，戴 曦

（ 浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院，浙江杭州 310018）

《电气控制与PLC》 课程是机电类专业一门理论与实践结合非常紧密的专业核心课程，旨在培养学生机电产品电气与PLC控制系统设计、安装、调试的能力，为后续专业课学习、毕业设计、机械创新设计竞赛，乃至毕业后从事相关工作打下坚实的基础[1]。 传统的《 电气控制与PLC》 课程教学方法重理论轻实践，或理论与实验分开教学[2]。 学生学完课程后，到了毕业设计阶段真正要做产品的电气控制系统设计时，还是会显得无从下手，不知道如何设计控制系统电气原理图、如何进行安装调试、如何分析解决问题等，无法做到学以致用、理实融合。我国从2006 年开始探索实施国际实质等效的工程教育专业认证制度，经过十几年的发展，现已成为《华盛顿协议》的正式成员国，工程教育认证质量受到了国际的认可[3]。 工程教育专业认证制度对转变高校的教育教学理念、推进我国工程人才培养质量的提高起到了很好的促进作用。 近年来，国内各大高校均以通过工程教育认证的专业数量作为衡量学校人才培养质量的一项重要指标。 本文以我校开展的机械设计制造及其自动化专业工程教育认证为契机，以提高人才培养质量为目标，以课程建设为抓手，对电气控制与PLC课程传统的教学模式进行全方位改革，探索实施“ 结果导向、 项目引领、任务驱动、理实融合、质量评价、持续改进” 六位一体的课程教学模式，并构建相应的实验教学条件和辅助支撑条件，以保证课程教学目标的实现。

1 传统课程教学模式存在的问题

据调研， 本科设置有机械设计制造及其自动化、机械电子工程、电气工程及其自动化等专业的高校均开设有电气控制与PLC这门课程。 虽然近些年来高校教师围绕该课程教学效果的提升提出了一些改革措施，如开展工程案例[4]、项目制[5]、行动导向[6]、翻 转 课 堂[7]、 工 学 结 合[8]、 成 果 导 向[9]等，但是大多数高校对于该门课程的教学还是采用传统的教学模式，传统模式主要存在以下几个方面的问题[10-12]。

（1）教学内容重理论轻应用。 目前大部分教师对于该课程还是采用传统的章节式内容组织与讲解方式。 这种内容组织方式注重知识的完整性和系统性，不注重知识的应用性和实用性。 学生在上课过程中需要记忆大量的知识，但是对于知识如何在实际生活生产中得到应用则知之甚少。

（2）教学过程重讲授轻实践。 由于理论方面的内容讲起来比较方便，只需要照着书本上的内容来讲即可，而实践环节则需要教师具有实际工程项目背景、较强的实践动手能力以及分析解决问题的能力等，因此有些老师上课时会避重就轻，压缩实验课时，或全部交给实验指导老师去完成。 而实验课教师在上课时由于对任课教师的授课情况和学生的课程学习情况不了解， 导致一个内容可能重复讲，也可能不讲，造成时间上的浪费和内容上的低层次。 另外，由于实验大多安排在课外时间进行，学生重视度不够，造成实验效果欠佳，达不到预期效果。

（3）课程考核重知识轻能力。 考核方法是学生学习的指挥棒，教师所考即为学生所学。 传统的课程考核以期末理论考试为主，考核的内容也主要以知识为主，这就导致了学生只会学习一些书本上的知识，对于实际的工程技术应用则知之甚少。 传统的课程教学方式教的是知识，考的也是知识，而对于企业很看重的沟通表达能力、团队协作能力、实践动手能力的培养，师生则关注不多，导致学生出现高分低能现象，达不到企业对人才的要求。

2 工程教育认证背景下课程理实一体化教学模式

工程教育专业认证制度体现的是本科高校专业办学的底限思维，对人才培养目标和毕业要求提出了基本要求。 传统的课程教学模式以知识传授为主，教师对课程目标的定位偏差会影响专业教学质量。 而工程教育认证背景下的课程教学，需要以专业的毕业要求为出发点， 反向构思课程教学目标，设计课程教学内容，思考课程教学方法和课程教学目标评价方法，并根据评价结果进行课程教学质量的不断提升[13]。

2.1 以结果导向方式设计课程教学目标

根据工程教育专业认证 “ 反向设计、正向实施” 的思想，对于课程层面，首先需要根据专业的毕业要求、课程与毕业要求的对应矩阵设计课程的教学目标。 课程教学目标应该是可衡量、可测评的，且需要与毕业要求相对应。 根据我校机械设计制造及其自动化专业的人才培养方案，电气控制与PLC课程所对应的毕业要求主要包括工程知识、问题分析、使用现代工具、个人和团队、沟通、终身学习等几个方面，具体如表1 所示。 表中H、M、L表示支撑程度高、中、低三个类型。

2.2 以项目引领方式组建课程教学内容

根据前述设计的课程教学目标，打破传统章节式课程教学内容组织方式，以工程项目形式重构课程教学内容。 本课程分电气控制技术、PLC技术两个部分，由易到难，各构建了7 个教学项目，如星三角降压启动控制电路的分析安装与调试、自动送料小车PLC控制系统设计与调试等。 这些项目涵盖了课程教学大纲规定讲授的内容。 如电气控制技术项目1《电动机单向运行控制电路的分析、安装与调试》，通过一个完整的项目构思、设计、实施、运作过程，让学生熟知电动机、断路器、熔断器、热继电器、接触器等元器件的电气符号、工作原理、接线方法等，并能够根据电气原理图绘制出其接线图，最后进行安装接线和调试等。 经过由浅到深的项目训练，通过与实际工程接轨，实现学以致用，大大提高了学生学习的积极性和主动性。

表1 课程教学目标与毕业要求间的关系

2.3 以任务驱动方式落实课堂教学方法

工程教育专业认证要求在教学过程中贯彻 “ 以学生为中心” 的理念。 这就要求教师在教学过程中要摒弃传统 “满堂灌” 的课堂教学方式，探索实施探究式、研讨式、实践式课堂教学方式，让学生在做中学、思中学、问中学，带着任务学[14]。 电气控制与PLC课堂教学采用任务驱动法，每个教学项目均需要完成一定的目标任务，有的是知识记忆方面的任务，有的是实践动手方面的任务，有的是综合分析方面的任务，有的是报告撰写方面的任务等。 对于不同的教学任务， 可以采用不同的教学方法来完成。 比如PLC技术项目1《 电动机单向运行的PLC控制系统设计、安装与调试》，分为PLC认知、电动机单向运行PLC控制系统设计、电动机单向运行PLC控制系统安装与调试三个目标任务。 任务1“PLC认知” 要求学生对PLC有一定的了解，可以采用讲授与实践相结合的方法，先由任课教师讲解PLC的基本概念、结构组成、工作原理、常用型号等基本知识，然后给每组学生发放一个PLC，让学生自行查找资料并讨论，了解PLC实物上各符号的含义，进行分组汇报交流等。 对于任务3 “ 电动机单向运行PLC控制系统安装与调试”，则要求学生根据电动机单向运行PLC控制系统的电气原理图，选择合适的元器件进行系统安装与调试，并针对调试过程中出现的问题分析其原因，并提出相应的解决措施。 任务驱动法课堂教学体现“ 以任务为主线、以学生为主体、以教师为主导” 的教学理念，改变了传统 “ 教师讲、学生听” 的被动教学模式，充分调动了学生的学习主动性。 在课堂上，学生不再是无所事事，而是为了完成目标，个个踌躇满志，队队争先恐后， 极大提高了课堂教学的有效性。

2.4 以理实融合方式培养学生综合能力

目前大多数本科高校电气控制与PLC课程还是采用传统的理论与实验分开教学的方法。 学生在学了一定的课程理论基础知识之后，开始做一些课程实验，以验证课程相关理论知识。 这种课程教学方式存在理论与实践相脱节的问题。 为了改变这种局面，我校从2009 年开始探索实施理实一体化课程教学模式，将课程教学搬到实验室内进行，让学生在学习理论的同时可以动手实践，真正做到理论与实践相结合、教学做于一体。 教师在上课时，先进行项目引入，然后教一些基本的原理和方法，并对学生存在的一些共性问题进行解答。 学生则根据老师布置的任务要求，进行电气原理图理解、接线图设计、PLC程序设计等，最后分组进行动手接线、调试、检测等。 课后则需要完成一定的作业任务与预习任务。 这种理实一体化教学方法，学生不会一直在听老师讲，而是在做中学、做中思，避免了听觉疲劳现象的发生。 当个人不懂时，组内同学间可以相互探讨，相互学习，也可以咨询老师，大大提高了上课的效果，对学生团队合作能力、实践动手能力、分析解决问题能力的培养也有很大的促进作用。

2.5 以课程考核与目标达成度测评方式评价课程教学质量

为了提高学生的学习积极性，促使学生投入更多的时间和精力在课程学习上，本课程以目标考核为导向，建立了详细的课程考核规则。 比如学生的课程学业成绩由平时成绩、实践成绩、期末考试成绩三部分组成，其中平时成绩占比为25%，包括考勤成绩、作业成绩、 阶段性测试成绩、 项目报告成绩、在线网络学习成绩、加减分项等；实践成绩占比为25%，包括了项目操作成绩与项目操作考核成绩；期末考试成绩占比50%，设计了多种题型，其中分析与设计题占比不少于30%，以综合测评学生的专业技术应用能力。 从近两年我校机械设计制造及其自动化专业学生本课程考核成绩来看，课程总评平均成绩均超过了70 分，说明学生总体表现良好，达到了预期的教学效果。

为了测算课程的教学目标达成度，本课程采用了定性与定量相结合的方式。 定量方法是根据课程各项成绩评分来衡量目标达成度，定性方法是在课程结束前通过学生课程教学目标满意度问卷调查结果来衡量。 课程教学目标达成度测评计算依据及结果如表2 所示。 表中每项教学目标的达成度取两次测评结果的最低值，从统计数据来看，本课程最终的教学目标达成度为0.82，超过了多数高校教学目标达成度设定值0.7 的基准线[15]，总体教学效果令人满意。

表2 课程教学目标达成度测评数据

2.6 以持续改进方式不断提高课程教学质量

从学生课程考核成绩和教学目标达成度测评数据来看，虽然总体结果令人满意，但仍存在诸多细节需要在下一轮教学过程中进行改进和完善。

（1）学生期末考试成绩总体偏低，有的学生甚至没有及格。 其原因除少数学生个人努力程度不够以外，与课程教学方法改革也有一定的关系。 由于实施理实一体化教学，学生大部分时间都用在了课程实践上，导致理论学习的时间偏少。 另外采用项目制教学，分组进行作业，有些学生存在依赖心理，“打酱油” 现象时有发生。

（2）问题分析方面的课程教学目标达成度不是很理想，只有0.71，略高于基准线。 原因在于分析题、设计题往往要求学生能够综合应用所学知识进行问题分析与解决。 但是因为课时的有限性，大部分学生很难在短时间内做到知识的融会贯通，影响了能力的发挥。

针对上述存在的问题，在课程下一轮教学过程中，可以采用翻转课堂教学模式。 对于课程理论方面的知识，要求学生在课外借助精品在线开放课程微视频进行学习。 在课堂上老师可以安排一定的作业来检查学生课外预习的情况，并对学生不太理解的问题和内容进行集中或分散指导。 另外对于分析设计这样难度较大的题型，可以采用集中训练的方式，给学生提供较多的工程案例，帮助学生提高分析解决问题的能力。

3 理实一体化课程教学模式的保障机制

3.1 课程团队的组建

为了实现课程教学目标，本课程组建了由校内外5 位教师组成的课程教学团队。 团队中有校内教授1 人、副教授1 人，讲师2 人，校外企业工程师1 人，总体教学经验丰富。 团队成员共同编写课程教学大纲、共同备课、共同研讨、共同开发教学资源等，实现资源共享，教学方法共享。

3.2 实践教学条件的构建

电气控制与PLC课程依托学校现有的机械工程省级实验教学示范中心，建设有专门的PLC理实一体化实验室，如图1 所示。 实验室内配置有42 台电脑、9 套物料分拣输送装置、9 套低压电气元器件， 以 及6 套 西 门 子S7 -200、 S7 -1200、 S7 -1500PLC等。 实验室内安装有投影仪、音响、黑板等，能够满足一个班40 余人的课程教学任务。

3.3 教学资源的开发与利用

理实一体化课程需要教师在课外准备较多的教学材料，以帮助学生达到预期的学习目标。 本课程已建设的教学资源有课程教学大纲、授课计划、课程教案、课程教学PPT、项目报告格式模板、课程微视频、习题册等。 课程建有省精品在线开放课程网络教学平台，学生可以利用该平台进行自主学习和作业测评，并可与任课教师进行交流探讨等。

图1 PLC理实一体化实验室场景

4 结 语

浙江水利水电学院自2000 年开设《 电气控制与PLC》 课程以来，经过了近20 年的发展，先后被评为校级精品课程、省级精品课程，目前正立项建设省级精品在线开放课程。 课程的教学模式也逐渐从传统的讲授式教学向理实一体化教学转变，并引入了新的工程教育认证理念和方法，保证了课程教学目标的达成。 课程改革实施两年多以来，学生的能力有了明显的提升，主要体现在毕业设计和专业综合实践过程中，学生做产品的电气控制系统实物时能够很快上手，不需要老师过多指导，就能够自己买电气元器件、自己安装调试、自行编程设计、自己分析解决问题等，达到了预期的教学目标。