电气控制与PLC原理课程立体化教学模式探索

李建宁

(杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州，310018)

一、引言

教育部“金课”建设计划和一流课程“双万计划”的提出和实施[1]，不仅对传统课程实施的高质量提出了要求，而且体现了对人才培养结果的高质量关注。电气控制与PLC原理是一门同时具有理论性和实践性的自动化及其相关专业的专业基础课程，其将各类以电动机为动力装置的系统视为被控对象，采用PLC控制技术实现相应的生产过程，在电力、石油、化工等相关领域中都得到了广泛的应用。[2]然而，现有的PLC课程教学更侧重于理论概念的灌输、梯形图画法讲解和专业术语的描述，忽略了学生动手实践操作能力的培养，导致在复杂概念的影响下学生的主动学习积极性不高，进而负面影响教学效果和学生实践能力培养的实效。[3-5]同时，传统的期末考试对检验学生是否掌握所学知识点尚且不够。[6]因此，高校迫切需要改革电气控制与PLC原理课程的教学体系与考核方式，可以引入自动控制系统中的“反馈”及“优化”理念，建立起方式多样化、内容多元化的立体化教学模式。

二、传统电气控制与PLC原理课程教学模式及考核方式存在的不足

电气控制与PLC原理课程是高校自动化专业培养学生综合应用能力的一门核心专业课，是提升学生工程应用实践能力的主干课程，其为学生今后走上工作岗位打下坚实的专业技能基础。下文将从教学现状、考核方式和学生特征三个方面分析当前电气控制与PLC原理课程教学模式及考核方式存在的问题。

(一)教学现状

一直以来，教师在讲授电气控制与PLC原理课程过程中，过分重视对机理概念的讲解，而忽视了实验的重要作用。教师往往采用传统的“填鸭式”灌输模式对学生进行教学，使学生把学习的重心放在背诵知识点上。这造成学生对电气控制与PLC原理课程的实践教学环节认识不到位，动手能力不够强等问题。同时，传统的实验教学仅限于几个简单的模拟验证性实验。在实验过程中，学生无须独立思考，只需按部就班地输入程序，不能充分进行独立自主探索并参与到探讨式学习中。这既不利于学生形成工程意识、掌握工程知识，又不利于培养学生分析问题及设计开发解决方案和独立研究的能力。虽然在教学中也有与实际控制过程相结合的案例，但基本知识和案例融合的紧密程度仍然不足。很多学生对实验设备和工程应用等实际应用问题是保有兴趣的，教师可以充分利用现有PLC实验教学平台进一步开展更为复杂的PLC实验教学，实现理论与实践在真正意义上的统一，加深学生对电气控制与PLC原理课程的理解。

(二)考核方式

传统的课程教学评价体系通常由平时成绩、考试成绩和实验成绩三部分组成，三者被赋予相应的系数，这三部分与系数的线性组合形成学生的最终成绩。由于传统实验操作过于简单且赋值较低，一些学生为了提升最终成绩而过度重视试卷所考的理论内容，弱化了实际操作能力。学生对电气控制与PLC原理课程实际掌握的综合能力不能真正有效地从最终成绩中反映出来。因此，高校需要引入新的考核方式，这不仅能够反过来促进教学方法的优化，又能通过及时的反馈实现闭环系统的最终稳定，从而达到课程的教学目的。

(三)学生特征

一些自动化专业学生存在学习目标不明确、基础不扎实等问题，其在课堂上的效率有时也难以保证。如果教师对学生的教育引导不到位，就会加剧学生学习动力不足的问题，最终难以实现预期教学效果，不能达成教学目标。专业基础不扎实的问题甚至会影响学生今后的就业。

立体化教学模式是一种新兴教学理念，它结合新技术手段和新教学方法，将教师和学生、理论教学与实践教学、教学方式与考核方法紧密结合起来。同时，立体化教学模式引入了自动控制理论中的“反馈”和“优化”理念，构建起一个完整的、丰富的、互动的课程系统的教学模式，使课堂教学的广度和深度得到进一步扩展，可以从整体上提高课程的教学质量、提升学生的综合能力。因此，构建电气控制与PLC原理课程的立体化教学模式对提高学生的学习兴趣、提升学生的实际动手能力、培养学生运用所学知识解决复杂实际问题的能力有重要意义。

三、立体化教学模式下电气控制与

PLC原理课程建设探索

针对电气控制与PLC原理课程教学过程中存在的问题，结合新时代对工科专业学生应具备的素质和能力要求，基于课程特点和学生特征，下文将围绕教学目标优化、课程内容和教学设计、多元化教学方法、辅助教学手段及考核方法五个方面进行立体化教学模式下课程建设探索，总体课程建设思路如图1所示。

图1 立体化教学模式下电气控制与PLC原理课程建设探索思路

(一)教学目标优化

根据电气控制与PLC原理的课程所具备的特性，教师首先要优化教学目标。第一，帮助学生树立正确的系统设计思想，培养学生基本的设计能力、开发创造性思维和创新能力；让学生了解现代电气控制技术的发展趋势以及电气工程自动化系统的总体布局、设计步骤。第二，学生应掌握电气控制系统设计应具有的基础知识，初步具备一般电气系统设计和分析的能力。第三，学生应掌握PLC系统设计的硬件选型与配置方法，掌握典型PLC的使用及软件编程方法，初步具备PLC控制系统的设计能力。教师要将教学目标的重心放在学生基本实验技能上，注重培养学生制订实验方案并有效开展实验的能力，让学生在实验分析和调试过程中积累工程经验。

(二)课程内容和教学设计

电气控制与PLC原理课程内容包含电气的基本知识、电气控制线路基础、S7-200基础知识、PLC的基本指令及顺序控制基本指令等。其内容量大而教学学时不足，教师可根据上一阶段终结性评价指标的反馈情况，将个别章节部分进行删减，调整教学内容的重点。教师可以将授课内容分为教师精讲和教师辅助学生讨论探究，使课堂教学有所侧重，既保证知识的系统性，又避免面面俱到。第一，在教师精讲部分，教师可以通过案例讲解，引入PLC梯形图的动态演示，将各基本概念、原理及方法等知识点进行简单化、实用化、具体化、形象化的操作；进一步将工程实际的案例融入教学内容，利用视频实验或掌上PLC现场演示实验可以让学生体会到PLC在实际生活过程中的具体应用，培养学生的综合分析能力和创新思维。除了介绍基本理论内容，教师还应补充介绍当前PLC技术发展的前沿课题，让学生在有限的课堂教学学时内尽可能扩展知识面。第二，在学生讨论研究部分，课前，教师提出问题范围，让学生通过图书馆、网络查阅资料，并通过直播引导、微信实时在线解答等多种方式实现辅助教学，培养学生独立思考、解决问题的能力。在课上，教师根据问题范围，实行闯关测试，让学生自由分组，在互动中讨论并解决问题，进一步培养学生的团结合作意识及协作能力。

(三)多元化教学方法

教师应改变传统“教师—电子教案—学生”的课堂教学培养模式为“学生案例讨论—教师讲授—学生案例讨论”的课堂教学，针对不同的教学内容，选择多种教学方法进行学生的创新思维训练和培养，如五步(连接、呈现、体验、反思、应用)优化教学法、讨论教学法、任务驱动法、案例教学法、启发式教学法等。教师将五步优化教学法应用于电气控制与PLC原理课程教学，通过小班式的教学方式，明确所采用的教学方法对课程质量提升的效度。同时，教师可以依托“互联网+”，结合MOOC和SPOC形成线上线下混合教学方法，通过“课前+课中+课后”三个阶段激发学生的学习热情[7]，并与课程设计相呼应。在课前阶段，教师提出任务要求，让学生提前准备，并辅以师生讨论；在课中阶段，教师利用教室、SPOC平台和实验进行课程精讲，同时锻炼学生的实际动手能力；在课后阶段，教师通过考察报告、作业等形式来初步判断学生对知识点的掌握情况。

(四)辅助教学手段

课堂教学难免会存在外部干扰，尤其是在新媒体技术发达的当今社会，电子产品成为学生课堂学习专注力的主要干扰因素。同时，如果学生本身目标不明确、基础不扎实，那么其在课堂学习中的效果会更差。对此，教师可以利用智慧树、雨课堂等建设课程网络平台，采用现代教学手段解决课程教学内容的抽象性和过于理论化的难题，革新相关知识点的基本概念、难点及相应原理的教学手段。例如：利用智慧树中的相关视频实现学生的课前预习，让学生带着疑问来到课堂，优化课程教学过程；将雨课堂与PPT结合使用，针对学生的“低头族”现象，穿插视频演示提高学生的抬头率，提高学生的学习注意力与兴趣，并插入所讲知识点的点评与评价，以了解学生对当前知识点的掌握情况。同时，教师还可以利用多媒体引入在线实验演示，让学生熟悉系统的控制原理及控制方式，帮助学生进一步了解电气控制与PLC原理课程中的机理知识和实际控制系统的操作使用方法。

(五)考核方法

原有电气控制与PLC原理课程的考核评价如表1所示。

表1 原有考核评价形式

应用性是电气控制与PLC原理课程的主要特点，期末考试试卷不足以全面检验学生对所学知识的掌握程度。在原有考核方式中，期末卷面成绩占比过大，这直接导致了学生重理论而轻实践。同时，原有的实验由于过于简单，学生只需按照指导手册按部就班操作即可，无法真正锻炼学生的实际操作能力。为改革现有的教学评价与考核方式，建立方式多样化、内容多元化的立体化考核体系；兼顾教学过程和结果，实时优化教学过程，笔者构建了“形成性评价”与“终结性评价”相结合的立体化评价考核体系，如表2所示。

表2 立体化教学评价体系

具体来说，第一，教师要对学生在网络平台中完成的学习、课后作业、课堂讨论研究等形成性过程进行综合评价考核，并结合督导建议进一步优化学期中的教学方法，对当前存在的不足进行实时动态调整。第二，学期末辅以综合考试成绩、扩展实验成绩检验教学成果，为下一学期的教学设计提供参考。因此，合理的考核方案实施，不仅可以有效检查各个阶段的教学效果，还能方便教师对学生的知识、能力及职业素质等进行判断，进而有针对性地提高人才培养水平。

四、立体化教学模式的分析与思考

与传统的教学模式相比，立体化教学模式除了尝试“学生为主、教师为辅”的教学方式变革，还构建起形成性评价和终结性评价结合的立体化评价方法，效果显著。

第一，在“互联网+”导向的基础上，利用智慧树、雨课堂等网络教学平台，学生的自主学习参与程度明显提升。同时，网上优质共享资源进一步拓展了教师在教学内容上的广度与宽度。

第二，课堂讨论环节充分体现了学生为中心的理念，让学生自主提出问题、解决问题，通过合作培养了学生的团结合作能力以及思考分析问题的能力。

第三，立体化评价体系的构建，结合了“反馈”和“优化”理念，教师不仅可以根据形成性评价解决在教学过程中发现的问题，而且可以根据终结性评价判断这一阶段整体的教学效果，为下一阶段教学设计打好基础。

第四，教师自身的能力得到提升，其在提高课堂精讲授课能力的同时，也锻炼了多元化课堂的构建能力、课堂讨论题目及扩展实验的设计能力以及课堂的组织能力。

五、结语

本文为改善电气控制与PLC原理课程现有教学模式的不足，针对现有学生特征，初步探索了立体化教学模式。根据课程的教学目标，将教学方法进一步设计为两个独立模块，课内包括教师精讲部分、学生讨论探究部分和扩展实验部分；课外主要包含分组讨论、教师辅导答疑和课程扩展实践活动。对教学效果采取立体化评价考核体系，主要有：利用学生反馈信息、网络教学平台考核、督导评估、学生作业等形成性评价指标优化学期中的教学方法；利用考试成绩和扩展实验成绩等终结性评价指标对下次课程教学设计环节进行反馈修正。整个实施过程是一个多闭环系统，且是一个持续改进、不断修正的过程，最终可以达到课程的实施效果与预先教学目标趋于一致，即闭环系统的稳定。