混合式教学模式在电气控制技术及PLC课程教学中的应用实践探究

杨鸿　张宁宁　汪新巧

关键词：混合式教学；OBE；项目式教学；PLC

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）12-0116-03

0 引言

线上教学与线下教学的优势和劣势都比较明显，要取长补短，发挥线上和线下教学各自的优势，线上和线下混合式教学模式应运而生。线上教学的优势：不受时空的约束，学生可以随时随地学习相关知识，不能实时同步学习时，看录播回放。学习不受时空限制，消除学生害羞心理，教师掌握部分学生的真实学情；缺点：师生不能实时交流。教师无法通过学生的表情、眼神等了解学生对知识点的掌握，学习对学生的主动性要求较高；线上教学的实验课以通过仿真软件来实现，但是缺乏线下的真实体验。线下教学的优点弥补线上教学的缺点。针对以上优势和缺点，发挥优势，摒弃缺点，以学生为中心，结合OBE教育理念，项目式教学为主线，理实一体化教学为手段，本课题探究混合式教学模式在电气控制技术及PLC课程教学中的应用实践。

1 教学现状

目前，不管是线上还是线下，不管是“理论+实验”还是“理实一体化”的教学手段，电气控制技术及PLC 教学仍然离不开“教师教，学生学”模式，没有发挥学生的主观能动性。传统的电气控制技术及PLC课程，通常用标准化规划教材、统一的授课方式、统一的教学媒体，以中等水平的学生群体作为学习者主体，开展以知识传授为主的教学方式，以知识点考察为主的考核方式[1]。这样的教学模式存在以下痛点：

1） 知识点更新慢，滞后于技术的发展。在新技术的高速发展的今天，教师对新技术的吸收，再到教材的出版，需要一定的时间，最后落实到教学过程当中，知识存在一定的滞后性。

2） 重知识点，轻能力培养，与社会和产业需求脱节。虽然理论知识很重要，但是只注重知识点的学习，而轻能力培养，学到的知识是碎片化，是一个个知识的孤岛，这与社会和产业的知识的融会贯通还有一段的距离。

3） 工程设计能力培养不足，偏离工程师培养规律。由于大部分教师没有实际的工程经验，工程设计能力不足，导致教学过程当中，容易重知识点，轻工程思维能力的培养。

4） 实践教学缺少工程项目的环节。目前，大部分高校出于学生的人身安全和设备安全考虑，广泛使用试验台，成品模块化实验设备的模式，在方便教师教学和学生实践操作的同时，学生却失去了工程安装及调试的实践训练的机会。学生仅仅验证了理论、方法，难以达到工程实践训练的目的。

5） 教学内容设置合理性欠缺，理论联系实际不强。教学内容结合生产现场的工艺流程不紧密，导致学生学习参与度不强，积极性不高。

6） 产教融合程度低，典型企业案例缺乏。校企合作深度不强，教学的案例过于简单，学生解决复杂工程问题的能力得不到培养。大部分校企合作仅仅流于形式，增加学生的实习经历，企业担心培养出来的人才外流，所以学生参与工程项目的开发及核心技术研发的机会极低。

2 混合式教学设计

为了提升线下课堂教学的效率，满足同学的个性化学习的需求，着重解决学生的难点，突出课堂的重点，采取线上线下混合模式教学。将部分知识通过视频讲解，学生能吸收的知识点采用前置线上教学，在线讨论模式，发挥学生的主观能动性，集思广益，共同协作解决问题。充分利用网上的优质资源（如MOOC） ，取长补短，丰富教学内容。线下课堂教学着重关注重点和难点，为学生的工程实践提供时间保障。充分发挥线上和线下的各自优势。以成果为导向的OBE教學理念，采用项目式教学方式，提升学生电气控制技术及PLC的综合分析问题、解决问题的能力。如图1所示为混合式教学模式在电气控制技术及PLC课程教学中的应用实践。

2.1 教学理念

OBE 模式全称为Outcomes-based Education，即以成果为导向的教育模式。这一教学模式产生于20 世纪70至80年代的美国教育改革。该模式是以学习者为中心，以培养学生的能力为目标，以学习的成果为导向，以结果驱动教学[2]。根据本门课程教学大纲，确定学生的学习目标，采取恰当的教学措施，进行适当的评价方法，不断持续改进，以螺旋上升的方式进行教学。如图2所示为螺旋式上升的OBE教学。

2.2 教学准备

在教学准备阶段，要进行学情分析、授课内容设计和项目实施分析。学情分析是基础，授课内容设计是重点，项目实施分析是关键。

1） 学情分析

学生学习了电路、电机及拖动技术，传感器及检测技术，自动控制原理等先修课程。通过电气控制技术及PLC课前线上的学习，学生会电气控制技术与PLC的原理和相关知识，但是知识碎片化，不能构成体系，不能结合现场实际灵活运用，缺乏工程思维的训练等障碍。基于学生的已知的知识和障碍，采用项目式（PBL） 教学手段，促使学生运用所学知识，理论联系实际，解决工业生产中的实际问题，培养学生的工程设计能力，锻炼学生PLC程序设计的思路，训练学生的工程思维，激发学生探究电气控制技术及PLC学习的内生驱动力。

2） 教学内容分析

电气控制技术及PLC是自动化专业的一门核心专业必修课；该课程分为电气控制技术部分和PLC技术部分，电气控制技术部分由电气控制元件、电动机的起停控制、三相异步电动机正反转控制等8个模块组成。PLC技术部分由PLC的系统配置与接口、基本指令、程序设计等10个模块组成。电气控制技术是PLC的基础，只有学懂弄通电气控制技术，PLC技术部分才能言之有物，否则，PLC技术部分是雾里看花。PLC技术是本课程的核心，是信息化技术重要组成部分。课程思政内容（社会主义核心价值观）贯穿于教学始终。通过基本模块的学习，最终达到解决复杂工程问题能力培养的混合式教学目标。

3） 学习目标

通过学习本课程，学生的学习目标在价值观层面、知识层面和技能层面达到相应的水平。价值观层面：牢固树立社会主义核心价值观，养成良好的职业道德和职业素养，培养学生自学能力和团队协作能力。知识层面：阐明常用电气控制的原理；依据三相异步电动机的起动、调速、制动的机械特性，选择相应的控制方法；依据各种控制方法，设计相应的电气原理图；阐述PLC的基本原理，能通过PLC的梯形图及其他编程语言，开发出典型的PLC程序。技能层面：依据电气图纸，完成电气元件的选型；具备依据电气原理图，能够分析现场故障，解决现场实际问题的能力；根据不同的工艺，具有相应的PLC编程能力，满足工艺要求。以知识、能力、素养为基础，贯穿于基础理论学习、工程技术应用、行业案例拓展，形成的三纵三横线上线下混合式学习目标，具有全局思维的工程素养和关键领域创新能力。如图3所示为三纵三横线上线下混合式学习目标。

4） 项目式教学设计

项目式学习（Project-based Learning） 打破了传统教学模式在时间、空间、单一个体上的三维限制，有助于锻炼大学生的思维创新能力，团队合作能力和领导计划能力以及项目执行解决能力；这些正是应试教育下中国学生所欠缺的来自世界面向未来挑战的能力，这也是中国大学教育所需要深刻思考的问题[3]。这符合应用型本科教育“以学生为主体”的课堂教学要求。在项目式教学中，如何引导学生结合工程项目案例，运用所学知识，分阶段完成相关内容；以问题牵引学习，充分调动学生的主观能动性和积极性，对学生成果的肯定及提出建设性意见。项目式教学设计的关键点在于工程项目的题目设计，这样才能纲举目张。题目需要涉及电气控制技术及PLC的主要内容，同时离不开生产现场工艺的要求。工艺的设计不能孤立、片面地存在，要有整体思维、联系和发展的思维，这样既培养学生有全局观，又有联系和发展的观念。本文以钢铁生产流程项目为例（如图4所示），分为炼铁组、炼钢组、轧钢组、公辅组等，每组细分为单元，如炼铁组内有球团单元、烧结单元、焦化单元、高炉单元，高炉单元还可以细分为本体、热风炉、原料等系统。教师根据学情进行分组和确定题目内容划分的粗细程度，成绩好的同学可以挑战单个项目的题目。从工程项目实际出发，结合教学内容，将进行项目式教学设计。

5） 混合式教学资源利用与开发

线下教学资源是我们每个学校每个教师必须拥有、更新、开发与时俱进的教学资源，线上资源也很丰富，2022年3月28日教育部国家高等教育智慧教育平台正式上线。智慧高教平台集合了中央、地方、高校和社会力量建设的20个综合类和专业类高等教育公共在线课程平台，分批次接入优质在线课程，提供一站式搜索与智能推荐全网好课服务。是全球规模最大、门类最全、用户最多的高等教育平台。首次上线的是在52000多门优质课程中优中选优，选出2万门课程，覆盖13个学科门类、92个专业类，让所有的高校师生和社会学习者可以走进大学网上课堂[4]。线上教育资源比较多，但不一定适合每一所学校，要根据学情和学校的定位来精选线上教育资源。否则，即使拥有丰富的线上教学资源，也无法达到预期的教学效果。

2.3 教学实施

在应用型本科教学实施过程中，培养学生的解决复杂工程应用能力是教学活动的基本目标。知识的积累→能力培养→工程应用，从基础到复杂，是逐步深化的过程。图5所示为解决复杂工程问题能力培养的混合式教学。

1） 课前：在课前，让学生了解本次课的学习目标（如：理解误差、目标参数控制方法、PID控制、鲁棒控制等）和要实现的实践任务（如：在误差允许范围内，实现高炉温度控制要求）。学生了解学习目标之后，复习前续课程自动控制原理关于PID的相关知识，通过高等教育公共在线课程平台相关精选课程和教师在雨课堂上发布的相关教学视频和教学资料，线上学习PID的功能块和温度控制相关基本知识。

2） 课中：通过雨课堂平台收集学生课前学习的知识难点与疑惑，消除学生不敢暴露难点的顾虑，教师全面掌握课前的学情，讲解难点、重点与疑惑。在学生掌握了知识难点、重点之后，课中采用“理实一体化”教学手段，让同学们在“教-学-做”中加強理论联系实践的能力。理实一体化是通过创造一种真实和仿真的教学实景，将理论教学和实践教学有机地融合在一起，从而实现理论知识传授和实践技能操作的统一。理实一体化教学中的“理论”和“实践”具有教育学和技术学的双重规定，“一体化”体现着两者合二为一的过程和趋势[5]。通过重点、难点和疑惑点的讲解，学生按照课前实践任务在课堂继续完成课前未完成的任务。每组学生可以通过讨论进行设计和实践，在实践中，不断发现问题，解决问题，培养学生解决工程项目的能力（PID参数的优化）。在解决工程项目的过程中，根据每个同学的具体情况，可以采用自主探究、合作学习，教师指导的方法进行。教师指导不是直接给出答案，而是采用启发式教学，循循善诱引导学生探索知识的兴趣。

3） 课后：学生通过本节课的知识的学习，整理、总结相关成果，采用自主探究、线上讨论形式，优化项目实现的方式和方法，促进学生的举一反三的能力。

2.4 教学评价

教学评价是对教与学效果的一种反馈机制，是教学活动的难点与关键点，合理的教学评价可以促进教学的改进与提高，所以我们要构建多维教学评价体系。教学效果评价的核心是教学目标实现程度及其对学生成长发展产生的影响[6]。教学评价与反馈的数据来源是多样化的，既可以来自课程设置的各个考核环节、考核项目，也可以来自学生的自身学习体验与自我成效认定[7]。

电气控制技术及PLC课程的教学评价主要包括教学内容的考核和效果的评价。对教学内容的考核主要从以下几方面进行科学分析：分析成绩是否符合正态分布，成绩分布产生的原因；分析考核项目与教学目标是否有支撑作用；分析难易度与教学目标、理论知识掌握水平和实践运用情况是否相符；分析形成性评价考核项目对学生的学习风气、日常表现和能力评估的科学性；分析教学实施环节工作中存在的不足，并提出改进措施等来改进课程教学实施[5]。混合式教学模式在电气控制技术及PLC课程教学中的应用实践探究的考核内容如表1所示，从表1可知：教学内容考核分为过程性评价和阶段性评价两种。评价方式分为线上评价和线下评价，线上评价是通过学生在线学习的时间，线上作业；线下评价通过专题讨论、方案汇报、工程案例以及成果产出等进行多维度评价。

3 结束语

本研究结合本地区应用型本科自动化专业的具体学情，混合式教学模式在电气控制技术及PLC课程教学中的应用实践改革以后，学生的学习内驱动力增强。将部分基础知识前移至线上课前学习，增加课堂讲述重点、难点及实践的时间，留足了学生思考和讨论的时间，深化了课程思政的内涵，拓宽了知识的深度和广度。夯实基础，提高综合能力，培养工程素养，使课堂离企业的现场更近，更贴近生产实际。经4个学期的教学活动，学生的动手能力和解决电气控制技术及PLC程序开发与调试的实际工程能力有较大提高，调研最近一届毕业生，反馈课堂与现场实际相似，具有一定的推广示范作用。