自动化专业工程实训类课程的改革与实践探究

王艳芳 李智强 王莉 李童童

关键词：实训类课程改革；电气控制与PLC；教学设计；学为中心

国家于2016年提出“中国制造2025”战略方针，要求提高国家制造业创新能力，推进信息化与工业化深度融合，强化工业基础能力。教育部也于2017 年正式推出“新工科”计划[1]，并针对此制定了一系列的政策鼓励校企之间进行合作。新工科建设需要加强研究和实践，围绕工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系等内容开展研究和实践，是新工科提出的高要求。

怎样让学生高效地掌握实训类课程是师生们要共同面对的问题。本文以电气控制与PLC综合设计与实训课程为例，将现代信息技术与传统教学有机结合，夯实基础理论知识，重构电气控制系统实验平台，系统设计实训项目，整体规划课程，以培养学生的综合应用知识解决复杂问题的能力为目标，将卓越工程师教育培养标准融入自动化专业课程教学之中，构建新的教学模式和体系，满足新工科对人才培养的需求，更好地实现工程教育培养目标。

1 电气控制与PLC 课程实践教学现状分析

1.1 实验设备与机型落后，难以满足日益增长的社会需求

原来的实验设备是实验箱，搬运方便，但封装太好，学生在做实验时无法看到接口电路的连接方法，造成本该软硬件结合的实验只能调试软件，无法完成硬件电路的实践。实验机型相对落后，只能进行简单的逻辑控制，许多高级算法无法实现，没有配备被控对象，更不用说与企业接轨，实现后期强大的云控制功能。造成学生进入岗位工作时感觉所学无用，缺乏对专业的认同感。

1.2 实践教学内容不够连贯，教学目标不明确

我国本科自动化专业的实践教学，大多是以课程实验、课程设计和实习三大块来运行的。其中实验与课程设计均是基于某门课程。这种模式的最大弊端在于造成实践环节依附于课程，无法形成统一的体系。

实践教学的内容设计过于单一，不能形成以项目为导向的工程教育理念的构思、设计、实现和运作的训练体系，难以达到培养卓越工程师训练目标。由于实践教学从属于理论课程，造成在实验内容安排上既可能相互脱节，也可能互相重复。实验项目大多为验证性质实验，对各种理论和技术的工程应用欠缺，较少考虑到综合设计能力的培养要求，不利于学生工程教育能力的培养。

1.3 考核方式单一，不能体现课程目标

由于实践教学环节从属于理论课程，实验安排又存在着一定的随意性，造成实践课程考核过于随意，实践课的考核基本都是实验报告定终分。而实验报告雷同率较高，无法区分学生的学习能力，无法体现对课程目标的考核要求，也无法满足新工科工程师培养的需求。

1.4 课程教学模式未能跟现代的信息技术结合在一起

“复旦共识，天大行动，北京指南”都提出多学科融合的专业需求，自动化专业与信息技术的联系尤为紧密，在OBE的培养模式下，有效地与大数据、信息技术等新型技术进行学科交叉融合，构建上升互补式的一体化课程体系[2]和实践教学体系，探索教学科研协同、校企合作的教学模式。协同育人，强化实践环境，将是工程类专业培养模式改革的一个方向。

2 以毕业要求为导向，设计课程目标

课程目标是以满足专业毕业要求的培养目标进行设计的，按照电气控制与PLC课程在专业课程体系中的定位，从基础知识、解决复杂工程问题能力和专业工程素质三个方面，设计本综合实训的课程目标，适时融入思政元素[3]，发挥课程思政的协同功能。

培养学生学会项目的资料收集、整理和分析方法，并具有工程计算和绘图的基本能力；培养学生综合运用课程知识进行系统方案设计的能力；训练学生对电气控制系统的设计与实施的能力；训练团队合作能力以及与同学老师沟通、撰写科技报告的能力；同时培养学生严谨、专业的工程素质以及勇于创新、攻坚克难的专业精神。

3 电气控制与PLC 实践教学内容设计

根据专业实践教学要达成的培养目标，多次研讨实现这些课程目标的途径，确定实训项目、实训条件，整合优化教学内容，制定了“基础实验项目→综合性设计性项目→学科竞赛”的逐层递进[2，4]知识体系。

在实训内容设计时，重新整合优化实训内容，融入思政要素，每个实训均采取小项目的形式开展。每个小项目都有明确的基本训练内容、能力训练、专业综合等不同层次课程教学内容的设计，训练学生工程思维、分析设计、综合考虑问题等不能层次的能力，同时融入工程项目管理、课程思政、个人与团队、沟通等非技术能力的内容，强化学生非技术能力的培养，培养学生不同阶段的能力。

课程组专门针对电气控制与PLC综合设计与实训课程设计了以S7-1200机型为控制器的实训设备。包括5个基础实验，进行课程编程软件与基本指令等基础训练；4个综合性实训项目，进行多学科相互交叉融合，内容更丰富，更全面，进行复杂工程能力的训练；最后依托教育部组织的中国智能制造挑战赛，在专业课程训练时，引导学生进行专业知识的提升，做到以赛促学、以学促赛、以赛育人。

其中4個综合性实践项目，融合了电路、电机拖动、自动控制理论、传感器技术等相关课程，完成专业知识整合，设计了逻辑控制单元、模拟量控制、伺服驱动、交流变频控制、步进电机控制等工业控制常见领域的控制模块，建立了专业的知识体系，进行了专业能力、团队合作、沟通与查阅资料等能力的培养。综合实训时间安排每个项目8个学时，采取全天排课，不间断完成一个项目，课程采取边讲课边实训，每个项目学生可以深入钻研学会控制领域的一个应用方面。2019年下半年开始投入使用，运行良好。实训项目、教学目标与知识体系的关系见表1。

4 课程教学设计与实施

电气控制与PLC综合设计与实训课程的开展、与理论课程统筹安排、统一规划，采取穿插形式进行，理论课开课一定时间之后开展实训课，并且理论课教师与实训课教师定期进行沟通教学进度，对于遇到的问题，商讨解决方法。总体上以培养学生解决复杂工程问题能力和主动学习能力为目标，强化预习与实操环节，结合线上线下混合式教学[4]的特点，重新设计教学环节，为企业培养卓越工程师。做到课前目标明确，课中任务明确，课后及时总结反思。

4.1 课前预习环节设计

在开课之前，将每个实训项目的实训内容按照知识点进行分解，确定知识点的难易程度，完成线上与线下学生要完成的任务划分。老师利用云课平台提前推送每次实训的任务。实训任务中有明确的课程学习目标、要掌握的知识点、每个项目学生要完成的预习内容，实训实操中的需要学生完成的部分，以及学生最关心的考核方式、打分依据，包括实训基本要求、高层次要求都详细地列于其中。简单的基础知识应用采取预习形式完成，要求学生通过微课查找资料，完成每次实训的预习任务，实训时备查。

每次在推送课前预习任务时，同时推送与课程或专业相关的资源。学生可以根据任务需求，了解行业动态、专业前沿，拓展自己视野，完善自我知识体系。实训课程云课的优势在于老师可以随时将与实训相关的材料发送给学生，学生可以找到自己不懂的知识点，反复观看微课，也可以在讨论区与其他同学一起讨论完成预习任务，这给学生营造了一个开放的学习环境。在无人指导的情况下，还可以通过观看微课和资源加强自身的专业素养。预习任务的完成度，在实训前要求形成文字性的报告，通过现场问答判断学生实训预习任务的情况。老师根据预习的效果及时调整教学的难点与重点，形成一个及时的学情反馈。

4.2 实操教学环节设计

实操教学环节的组织主要是老师讲授、重点问题讨论、学生组队開展实训、实时检查实训效果几个环节。

老师讲授以学生预习报告的学情反馈为基础数据，重点强调实训中需要注意的难点与重点。遇到新的问题启发学生利用网络平台、团队成员协同解决问题。训练学生查找资料、沟通解决问题的能力。

在实操环节重难点讲授过程中，融入节能环保、工匠精神、创新精神等思政要素。内容的设计上采取先简单后复杂由浅入深的教学思路，项目内容主体一致，但细节分不同层次。每组同学按照自己预习的方案进行实操接线、软件调试。同学们协同解决实操过程中碰到的问题，训练学生碰到问题解决问题的能力。在实训过程中老师及时提醒同学们实验出现的共性问题，个性问题单独辅导。当学生完成实训的基本任务之后，老师根据实操结果现场打分。如果发现有些同学的基础实验完成度较高，提出较高层次的实验任务，引导学生完成更高层次的教学目标，激发学生的学习热情和创新能力，由点及面，发挥优秀学生的带队功能，带动班级乃至整个专业的专业素养。

实操效果的考核也属于实操教学环节的非常重要的一环。教师在实操效果考核环节对每个同学进行打分，同组学生通过是否完成实验基本内容、回答问题等方面的考核。实操环节实时打分具有很强的真实性，能够动态、真实地反映学生对知识掌握的程度。这种实时考核机制既可以激发学生学习的热情，又训练了学生的专业技能，为培养新工科专业的人才保驾护航。

4.3 课后教学环节的设计

实训的最后一个教学环节是实训总结，实训总结是对实训过程的一次全面复盘，实训总结报告又是一次跟自己和老师进行文字沟通的机会，每一次的总结都是一次自我反思与知识结构提升过程。需要对实训的目的、实训方案、硬件原理图设计、软件结构划分、程序文字叙述、实训过程出现的问题以及解决办法进行总结，形成文字性的报告。实训能力的提升一是能在实验室完成项目任务，二是能在实训过程将实训过程现场讲给老师，三是实训结束后能进行文字性的阐述。实训任务的做、讲、写三个不同方面的能力训练，实训内容从多个维度完成，实现在专业实训类课程中的解决复杂工程能力的培养。

学生根据实训总结反思自己的实训效果，并根据实训效果及时调整自己的学习方法。老师根据报告评估结果及时调整教学方式，实现教与学双向的调整[5]，达成课程目标，帮助学生更好地完成自我知识体系的建立。

4.4 考核方式的设计

实训的考核是针对是否达成课程目标来设计的，不同的课程目标采取不同的考核方式。增大课前预习与实操环节的考核比例，强化预习与动手能力考核。考核内容包括课前预习环节的硬件原理图的正确性、可实施性考核学生利用专业基础知识、通过查阅文献进行方案设计的能力、解决问题的能力；课内实操时硬件接线的正确性、是否考虑环保与节能等因素、软件使用的熟悉程度、软硬件的调试效果以及团队合作沟通情况考核学生综合运用课程知识对电气控制系统的分析、设计与实施的能力，以及团队合作与同学老师沟通的能力；课后总结内容的完整性与准确性以及文档整理的规范性考核学生具备一定的绘图能力和相应的软件编程能力以及撰写报告的能力。

5 结束语

电气控制与PLC综合设计与实训课程实践性强，需要一定工程经验，是专业课程中第一门大型实训类课程，课程难度较大。本文以学生发展为中心，以社会和专业需求为导向，设计符合专业需求的课程目标，根据课程特色，设计逐步递进的实训内容，结合云课平台进行课程教学环节的实施，把控实训的每一个环节，设计操作性强的评价体系，引导学生的学习习惯，激发学生的学习热情，并且每届会依托课程选拔出30人参与中国智能制造挑战赛，培养具有社会责任感的工程师。从教学效果来看，学生学习目标明确，主动性提高，课前预习环节完成度很高，分层次的实训任务激发了不同层次同学的个性化需求，2021年学科竞赛也突破性获得了国家级特等奖，以点带面，起到良好的带头作用，达成了新工科卓越工程师培养要求。