基于ARCS動(dòng)機(jī)模型的PLC課程教材開發(fā)

[摘 要] 山東華宇工學(xué)院2018年度教研課題“基于ARCS動(dòng)機(jī)模型的信息技術(shù)課程教學(xué)改革與實(shí)踐”項(xiàng)目研究成果，可以推廣應(yīng)用于多門課程的教學(xué)改革中?！癙LC”是應(yīng)用技術(shù)型本科院校電氣類專業(yè)中的核心課程，基于ARCS動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行課程改革十分有效，但傳統(tǒng)章節(jié)化的教材遠(yuǎn)不能適應(yīng)該課程信息化教學(xué)的需要。教材《西門子S7-300PLC項(xiàng)目化教程》是以項(xiàng)目、任務(wù)層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行編寫的適合新形勢(shì)教學(xué)的教材，本文結(jié)合ARCS理念，闡述對(duì)該教材進(jìn)一步開發(fā)的思路和具體實(shí)踐過程。

[關(guān)鍵詞] ARCS動(dòng)機(jī);PLC;教材開發(fā)

[中圖分類號(hào)] G642? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1008-2549（2019） 11-0078-02

20世紀(jì)80年代，美國佛羅里達(dá)大學(xué)的約翰·M· 凱勒（John M.Keller）教授綜合了當(dāng)時(shí)許多學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)理論，在《教學(xué)設(shè)計(jì)的理論與模型》一書中首次提出ARCS動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模型。Keller從注意（Attention）、相關(guān)性（Relevance）、自信心（Confidence）、滿足（Satisfaction）四個(gè)維度，總結(jié)出一系列面向動(dòng)機(jī)激發(fā)與維持的教學(xué)策略。ARCS動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模型主要內(nèi)容為：要激發(fā)學(xué)生對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，首先要引起他對(duì)某一學(xué)習(xí)任務(wù)的注意和興趣;如果學(xué)生找到了學(xué)習(xí)任務(wù)與自己預(yù)期目標(biāo)之間的相關(guān)性，學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)就會(huì)得以維持;接著要讓他相信自己能夠很好地完成這一任務(wù)，自信心會(huì)使他的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)繼續(xù)維持;最后，當(dāng)他實(shí)現(xiàn)了預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)，體驗(yàn)到學(xué)習(xí)成果帶來的成就感時(shí)，這種滿足會(huì)使他的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)長久地維持下去。

“基于ARCS動(dòng)機(jī)模型的信息技術(shù)課程教學(xué)改革與實(shí)踐”項(xiàng)目研究，建立全課程的“三單”資源作為教學(xué)資源的補(bǔ)充，全面引入“藍(lán)墨云班課”app或通過教學(xué)做一體化進(jìn)行教學(xué)過程實(shí)施。該改革方案在校內(nèi)多門課程中進(jìn)行推廣應(yīng)用，但相應(yīng)的教材資源并不匹配教學(xué)方法的改革，進(jìn)一步開發(fā)對(duì)應(yīng)的教材很有必要。

一 “PLC”課程項(xiàng)目化教學(xué)教材現(xiàn)狀

在目前，符合應(yīng)用型本科教育特色的教材仍嚴(yán)重不足，普遍存在內(nèi)容偏多、理論偏深、實(shí)踐性內(nèi)容嚴(yán)重不足等問題。“PLC”作為應(yīng)用型本科及高職高專電氣類專業(yè)的核心課程，市面上的項(xiàng)目化教程也陸續(xù)出現(xiàn)。但PLC機(jī)型繁多，不同院校選擇不同的機(jī)型作為學(xué)習(xí)載體，山東華宇工學(xué)院選用了目前比較先進(jìn)的西門子S7-300PLC的機(jī)型進(jìn)行教學(xué)，而滿足該機(jī)型的項(xiàng)目化教程卻極少，改變上述問題，是編寫教材《西門子S7-300PLC項(xiàng)目化教程》的宗旨。

《西門子S7-300PLC項(xiàng)目化教程》，該教材是以項(xiàng)目化教學(xué)為方法，結(jié)合“教學(xué)做一體化”的教學(xué)改革進(jìn)行編寫的一本教材。全書以完成工程項(xiàng)目所需的基本知識(shí)、基本能力為依據(jù)，按照完成工程項(xiàng)目的一般工作順序，介紹了S7-300 PLC硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成、STEP 7軟件的基本操作、S7-300指令及應(yīng)用、S7-300程序結(jié)構(gòu)、S7-GRAPH應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)通信。

整個(gè)教材的編寫過程都滲透著項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的應(yīng)用。每一步的計(jì)算機(jī)編程軟件的使用都有詳細(xì)截圖，教師可以按照教材的指引利用多媒體演示“編程軟件”的使用方法，程序的設(shè)計(jì)與編寫過程;學(xué)生也可以通過自學(xué)預(yù)習(xí)或鞏固所學(xué)知識(shí)。

ARCS動(dòng)機(jī)模型指導(dǎo)進(jìn)行課程教學(xué)改革在山東華宇工學(xué)院推廣應(yīng)用后，原有教材卻未能準(zhǔn)確體現(xiàn)注意（Attention）、相關(guān)性（Relevance）、自信心（Confidence）、滿足（Satisfaction）四個(gè)維度的改革。對(duì)該教材的再次開發(fā)，有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二 基于ARCS動(dòng)機(jī)模型的“PLC”教材開發(fā)思路

全書共設(shè)置了11個(gè)典型工程項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目由多個(gè)任務(wù)組成，每個(gè)任務(wù)包括“提出任務(wù)”“任務(wù)分析”和“任務(wù)解答”幾個(gè)部分。在“提出任務(wù)”部分，向?qū)W生展示本次任務(wù)需要解決的問題，教師布置任務(wù);然后學(xué)生結(jié)合“任務(wù)分析”學(xué)習(xí)相關(guān)背景知識(shí)，尋求答案并進(jìn)行初步設(shè)計(jì)與運(yùn)行;“任務(wù)解答”部分詳細(xì)介紹任務(wù)實(shí)施的具體過程。全書將西門子S7-300的理論知識(shí)融于這些項(xiàng)目中，避免了理論知識(shí)講授空泛生澀的弊端，使學(xué)習(xí)者在工程項(xiàng)目中逐步掌握西門子S7-300 PLC的使用。通過大量應(yīng)用實(shí)例，掌握S7-300 PLC的編程方法和程序設(shè)計(jì)技巧，使學(xué)習(xí)變得輕松生動(dòng)。

全書突出實(shí)例應(yīng)用，尤其在介紹LAD編程語言的指令時(shí)，突出指令的特點(diǎn)，針對(duì)每條指令都設(shè)計(jì)了典型的應(yīng)用案例，并在案例中逐漸滲透編程方法與技巧，由淺入深、循序漸進(jìn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)完指令的同時(shí)，也學(xué)會(huì)了基本的編程方法與技巧。各項(xiàng)目均配有習(xí)題，方便學(xué)習(xí)者鞏固練習(xí)。

在教材改革開發(fā)思路中，保留原有教材的“提出任務(wù)”“任務(wù)分析”“任務(wù)解答”三模塊，繼續(xù)以任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)作為主要教學(xué)方法。同時(shí)結(jié)合“三單”教學(xué)資源，即“課前預(yù)習(xí)任務(wù)單”“課堂學(xué)習(xí)任務(wù)單”“課后復(fù)習(xí)任務(wù)單”，以“三單”教學(xué)資源作為教材中的一部分，在“課前學(xué)習(xí)任務(wù)單”確定學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)任務(wù)引起學(xué)生注意（Attention），通過“課堂學(xué)習(xí)任務(wù)單”讓學(xué)生聯(lián)系知識(shí)相關(guān)性（Relevance），“課后復(fù)習(xí)任務(wù)單”鞏固知識(shí)，建立學(xué)生自信心（Confidence），最后通過“教學(xué)做一體化”的實(shí)施過程，達(dá)到課程學(xué)習(xí)的滿足感（Satisfaction）。

三 基于ARCS動(dòng)機(jī)模型的“PLC”教材開發(fā)實(shí)施

下面以教材項(xiàng)目10中的任務(wù)3的實(shí)際編寫過程為例，闡述該教材開發(fā)的具體實(shí)施過程。

（一）課前預(yù)習(xí)任務(wù)單

課前預(yù)習(xí)任務(wù)單旨在引起學(xué)生的注意力（Attention），對(duì)即將開始的課堂內(nèi)容有初步預(yù)期，引導(dǎo)學(xué)生課前進(jìn)行探索探究。該任務(wù)的課前預(yù)習(xí)任務(wù)單內(nèi)容如下：（1）課題名稱：十字路口交通燈的控制。（2）達(dá)成目標(biāo)：通過預(yù)習(xí)，達(dá)到兩個(gè)目標(biāo)。熟悉十字路口交通燈的控制要求;根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，制定初步的解決方案。（3）學(xué)習(xí)方法建議：鞏固定時(shí)器指令，探究S7-GRAPH編程方法。（4）課堂學(xué)習(xí)形式預(yù)告：第一環(huán)節(jié)，提出任務(wù);第二環(huán)節(jié)，分析任務(wù);第三環(huán)節(jié)，解答任務(wù)，實(shí)際操作。

（二）課堂學(xué)習(xí)任務(wù)單

課堂學(xué)習(xí)任務(wù)單，是教材每個(gè)項(xiàng)目的主體部分，通過背景知識(shí)的講解，讓學(xué)生聯(lián)系知識(shí)的相關(guān)性（Relevance），強(qiáng)化知識(shí)和技能部分的訓(xùn)練。教材中體現(xiàn)的課堂學(xué)習(xí)任務(wù)單內(nèi)容如下：

1 提出任務(wù)

利用S7-GRAPH編程語言，實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈的控制?？刂埔笕缦拢航煌粝到y(tǒng)由一個(gè)啟動(dòng)開關(guān)控制，當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)接通時(shí)，該信號(hào)燈系統(tǒng)開始按照交通燈規(guī)律工作，控制過程循環(huán)進(jìn)行。當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，執(zhí)行完該周期后信號(hào)燈都熄滅。

2 分析任務(wù)

在教材項(xiàng)目4介紹定時(shí)器指令時(shí)，已經(jīng)做過相似的控制。此任務(wù)將用S7-GRAPH實(shí)現(xiàn)。GRAPH類似于解決問題的流程圖，適用于順序控制的編程。利用S7-GRAPH編程語言，可以清楚快速地組織和編寫該交通燈系統(tǒng)的順序控制程序。實(shí)現(xiàn)的方案有兩種，一種是按照單序列進(jìn)行，另一種是按照并行序列實(shí)現(xiàn)。

3 解答任務(wù)

這里介紹單序列實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈控制的方法，并行序列實(shí)現(xiàn)的過程作為課后擴(kuò)展練習(xí)。

（1）創(chuàng)建項(xiàng)目及S7-GRAPH的功能塊

新建名為“交通燈單序列”的項(xiàng)目，CPU為CPU313C-2DP。編輯符號(hào)表。

執(zhí)行SIMATIC管理器的菜單命令“插入”→“S7塊”→“功能塊”，在出現(xiàn)的“屬性功能塊”對(duì)話框中，功能塊默認(rèn)的名稱為FB1，用下拉式列表設(shè)置“創(chuàng)建語言”為GRAPH。

（2）生成單序列的功能圖

按照順序控制器編程的方法編寫十字路口交通燈順序的功能圖程序。

（3）設(shè)置S7-GRAPH功能塊的參數(shù)集

執(zhí)行菜單命令“Options”（選項(xiàng)）→“Block settings”（塊設(shè)置），在打開的對(duì)話框的“FB Parameters”（FB參數(shù)）區(qū)用單選框選中“Minimum”（最小參數(shù)集），此時(shí)FB1只有一個(gè)參數(shù)。單擊“OK”按鈕確認(rèn)。保存和編譯FB1中的程序。

（4）調(diào)用S7-GRAPH功能塊

打開OB1，將指令列表的“FB塊”文件夾中的FB1拖放到程序段1的“電源線”上，在參數(shù)INIT_SQ端輸入M0.0，在FB1方框的上面輸入它的背景數(shù)據(jù)塊的編號(hào)DB1。保存，完成OB1中的編寫。

（5）仿真實(shí)驗(yàn)

打開PLCSIM，創(chuàng)建IB0和QB0的視圖對(duì)象。將仿真PLC切換到STOP模式，把所有的塊下載到仿真PLC。打開FB1，單擊工具欄上的“監(jiān)視”按鈕，啟動(dòng)程序狀態(tài)監(jiān)控功能，將仿真PLC切換到RUN模式，點(diǎn)I0.0啟動(dòng)，可以看到Q0.0～Q0.5按照順序功能圖設(shè)定的時(shí)間順序點(diǎn)亮。

（三）課后復(fù)習(xí)任務(wù)單

通過教材上的“課后復(fù)習(xí)任務(wù)單”鞏固知識(shí)，建立學(xué)生自信心（Confidence）。課后復(fù)習(xí)任務(wù)單基本內(nèi)容如下：（1）基本知識(shí)點(diǎn)：S7-GRAPH編程步驟。（2）重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)是S7-GRAPH的使用流程;難點(diǎn)是順序功能圖編程思路的設(shè)計(jì)。（3）鞏固練習(xí)：通過實(shí)驗(yàn)室一體化課堂實(shí)施，驗(yàn)證課堂學(xué)習(xí)任務(wù)，自行設(shè)計(jì)并行序列實(shí)現(xiàn)交通燈控制的程序。（4）困惑與建議：初學(xué)者在順序功能圖塊應(yīng)用時(shí)，容易忽視主程序塊的設(shè)置，實(shí)操過程中要特別注意。

四 結(jié)論

基于ARCS動(dòng)機(jī)模型，通過項(xiàng)目化教學(xué)的教材中擴(kuò)展“三單”，在教學(xué)過程中有效引導(dǎo)課程教學(xué)過程實(shí)現(xiàn)注意、相關(guān)性和自信心三個(gè)維度，結(jié)合課堂一體化實(shí)際教學(xué)，自己的作品展現(xiàn)后，學(xué)生內(nèi)心得到了充分的滿足，整個(gè)過程中學(xué)生的能力得到普遍提高。該教材改革的開發(fā)方法在山東華宇工學(xué)院的取得了良好的推廣效果，該教材的使用效果也獲得了師生廣泛好評(píng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭德俊，汪玲，李玲.ARCS動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模式[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），1999（05）.

[2]郭艷燕，楊軍.基于ARCS動(dòng)機(jī)模型的程序設(shè)計(jì)課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)——以“遞歸函數(shù)”教學(xué)內(nèi)容為例[J].計(jì)算機(jī)教育，2018（06）.

[3]李莉，王玉娟.西門子S7-300PLC項(xiàng)目化教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

（責(zé)任編輯： 王義祥）