PLC課程融合STEAM教育的教學(xué)模式探究

龔愛平，張海銀

（1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與裝備學(xué)院，廣東 深圳 518001；2.深圳市坪山新區(qū)教育科學(xué)院，廣東 深圳 518122）

2016 年6 月，教育部印發(fā)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中首次明確提出“STEAM”教育是有別于傳統(tǒng)的單學(xué)科、重書本知識的教育模式，是由科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）與數(shù)學(xué)（Mathematics）等學(xué)科共同構(gòu)成的跨學(xué)科教育理念。STEAM 教育強(qiáng)調(diào)問題生成和知識跨界，既體現(xiàn)出課程綜合化、實(shí)踐化、活動化的諸多特征，又反映課程回歸生活、回歸社會、回歸自然的本質(zhì)訴求。

可編程邏輯控制器（PLC）是西門子、三菱、匯川等國內(nèi)外工業(yè)控制器品牌競爭的核心產(chǎn)品，PLC 技術(shù)應(yīng)用課程是大、中專院校制造類專業(yè)的核心課程，是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)課程，其知識構(gòu)成可分為理論知識和實(shí)踐應(yīng)用兩個(gè)部分。在智能制造體系中，PLC不僅是機(jī)械裝備和生產(chǎn)線的操控器，而且是現(xiàn)代工業(yè)控制信息的收集器和轉(zhuǎn)發(fā)器，是“中國制造2025”和工業(yè)4.0 的助力器，已逐步形成一門相對獨(dú)立的新興技術(shù)。

如何利用現(xiàn)有條件，通過教學(xué)方法和實(shí)踐環(huán)節(jié)提高PLC 技術(shù)應(yīng)用課程的教學(xué)質(zhì)量，從而提高學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的綜合能力，培養(yǎng)滿足“中國制造2025”所需求的創(chuàng)新型人才，已成為工業(yè)大數(shù)據(jù)時(shí)代各制造類專業(yè)關(guān)注和重視的問題。STEAM 教育作為“一種重實(shí)踐的跨學(xué)科政策的教育理念和教育模式”，具有開放性、趣味性、體驗(yàn)性、實(shí)證性與發(fā)展性等特征，從一開始產(chǎn)生就順應(yīng)了我國課程改革的發(fā)展態(tài)勢，探究制造類專業(yè)理實(shí)一體化課程開展STEAM 教育，勢必有助于推動我國技能型人才培養(yǎng)教育的發(fā)展與成熟。本文以PLC 技術(shù)應(yīng)用課程為例，探究STEAM教育的教學(xué)模式。

一、PLC 技術(shù)應(yīng)用課程教學(xué)存在的普遍問題

PLC 技術(shù)應(yīng)用課程的特點(diǎn)是綜合性強(qiáng)，理論上需要具備電氣控制、數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)三個(gè)方面的基礎(chǔ)知識，應(yīng)用上要求學(xué)生有一定的工程實(shí)踐基礎(chǔ)。PLC 技術(shù)應(yīng)用教學(xué)改革一直是制造類專業(yè)課程改革研究的熱點(diǎn)，目前有關(guān)PLC 技術(shù)應(yīng)用課程的教學(xué)改革基本上都是基于項(xiàng)目化教學(xué)。但總體來說，還是傳統(tǒng)的單學(xué)科為了滿足教學(xué)改革需求而設(shè)計(jì)的。圖1 的“基于PLC 十字路口交通燈的控制”是大部分院校PLC 課程必含的項(xiàng)目之一。本節(jié)以該項(xiàng)目為例，指出當(dāng)前PLC 課程項(xiàng)目化教學(xué)的過程中普遍存在的幾個(gè)問題。

圖1 基于PLC 十字路口交通燈的控制實(shí)驗(yàn)臺

（一）缺乏項(xiàng)目的科學(xué)內(nèi)涵

交通信號燈是維護(hù)交通秩序、保障交通安全和暢通的重要智能設(shè)備，可是為什么信號燈要選擇紅綠黃這三種顏色？紅綠黃三種顏色如何有條不紊地工作？電氣元件、線材的參數(shù)怎樣選擇？為啥不用傳統(tǒng)的繼電器控制？學(xué)生做該項(xiàng)目的過程中，因不知道其中的科學(xué)原理，很難提出創(chuàng)新的思維。

（二）匱乏技術(shù)和工程內(nèi)涵

在大多數(shù)開設(shè)PLC 技術(shù)應(yīng)用課程的院校中，“基于PLC 十字路口交通燈的控制”的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大體均如圖1所示，指示燈、接線端口及PLC 都已固定在實(shí)驗(yàn)臺上，學(xué)員不能更改這些實(shí)驗(yàn)?zāi)K的位置，在他們做該任務(wù)時(shí)，只要簡單的對著接線孔插線和編寫相應(yīng)PLC 程序。除了編寫PLC 程序含有技術(shù)外，其他工作所含技術(shù)匱乏，更缺乏工程內(nèi)涵，這和國家教育部貫徹落實(shí)卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃是矛盾的。

（三）藝術(shù)性乏味

上文提到，“基于PLC 十字路口交通燈的控制”的實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的指示燈、接線端口及PLC 均已固定在實(shí)驗(yàn)臺上，學(xué)員不能更改這些實(shí)驗(yàn)?zāi)K的位置，在他們做該任務(wù)時(shí)，只要簡單的接線和編寫PLC 程序。因?qū)嶒?yàn)室已備好了不同長度的連接線，學(xué)生接線時(shí)可隨意選擇連接線的長短，一般在連接線充足的情況下，為了省事，大多數(shù)學(xué)生均選最長的連接線。但因?qū)嶒?yàn)臺上無線槽或固定連接線的裝置，導(dǎo)致學(xué)生接線非?；靵y，存在多線交叉的現(xiàn)象，做出的產(chǎn)品凌亂不堪，缺乏美觀。

（四）數(shù)學(xué)貧乏

該項(xiàng)目中，電氣元件、線材、PLC 及實(shí)驗(yàn)板等材料的各種參數(shù)是需要根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的，但大多數(shù)院校利用該類型實(shí)驗(yàn)板上課時(shí)，均忽略了這塊知識點(diǎn)。紅綠燈的亮和滅的時(shí)間集在編寫程序時(shí)，可以是一個(gè)周期數(shù)列，但同學(xué)們最終提交的程序，大多數(shù)是單流程編程法或基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的編程法，編程思想比較局限。整個(gè)項(xiàng)目忽略了數(shù)學(xué)知識的應(yīng)用。

在建設(shè)高質(zhì)量教育體系努力實(shí)現(xiàn)教育強(qiáng)國的今天，高等教育如何體現(xiàn)教育的“高等性”與“職業(yè)性”？本文從我國國情出發(fā)，立足我國的課程改革，以PLC 技術(shù)應(yīng)用課程為例，研究、探索基于STEAM 教育理念的制造類專業(yè)理實(shí)一體化課程的一個(gè)解決方案。

二、基于STEAM 教育理念的PLC 課程教學(xué)模式構(gòu)建

教學(xué)模式是指在某種教學(xué)思想或教學(xué)理論指導(dǎo)下建立起來的一種較為穩(wěn)定的教學(xué)活動結(jié)構(gòu)框架和活動程序，通常包括五個(gè)因素：理論依據(jù)、教學(xué)目標(biāo)、操作程序、實(shí)現(xiàn)條件和教學(xué)評價(jià)，這五個(gè)因素之間的有規(guī)律聯(lián)系就是教學(xué)模式的結(jié)構(gòu)。

（一）理論依據(jù)

STEAM 教育理念鼓勵(lì)學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和提高，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，從而提升其全球競爭力。該理論的教學(xué)思想遵循新工科的建設(shè)內(nèi)涵和特征，也遵循卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃。

PLC 的知識體系由理論知識體系和實(shí)踐應(yīng)用體系構(gòu)成。理論知識體系包含PLC 構(gòu)成原理、軟硬件結(jié)構(gòu)、編程指令；實(shí)踐應(yīng)用體系包含PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及電氣設(shè)備的安裝和調(diào)試。因此，PLC 技術(shù)應(yīng)用課程和STEAM 教育理念之間存在隱含規(guī)律，它們之間互相成就，STEAM 教育理念為PLC 課程構(gòu)建提供夯實(shí)的理論依據(jù)。

（二）教學(xué)目標(biāo)

任何教學(xué)模式的核心都是教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)目標(biāo)對構(gòu)成教學(xué)模式的其他因素起著指向和制約作用，它影響著教學(xué)模式的操作程序和師生在教學(xué)活動中的配合關(guān)系，也是制定教學(xué)評價(jià)指標(biāo)的依據(jù)和尺度。基于STEAM 教育的制造類專業(yè)理實(shí)一體化課程教學(xué)模式需要在學(xué)習(xí)過程中注重學(xué)生的科學(xué)認(rèn)知，注重體驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)互相結(jié)合，打破常規(guī)學(xué)科界限。

因此，基于STEAM 教育的PLC 課程教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生能夠利用科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)五元素中的全部或兩項(xiàng)以上對項(xiàng)目進(jìn)行分解，并對項(xiàng)目進(jìn)行探究，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的能力，養(yǎng)成良好的思維和學(xué)習(xí)習(xí)慣。發(fā)展好奇心和求知欲，培養(yǎng)堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神，形成科學(xué)的價(jià)值觀，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。表1 描述了STEAM 元素與PLC 技術(shù)應(yīng)用課程的內(nèi)容融合關(guān)系。PLC 知識體系是基于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的知識和技能體系，教學(xué)要借鑒項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)的思想指導(dǎo)教學(xué)過程，融合STEAM 教育理念，從項(xiàng)目開發(fā)實(shí)際角度出發(fā)，通過對本課程的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生熟悉PLC 的基礎(chǔ)知識，掌握PLC 的指令系統(tǒng)和編程方法，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決生產(chǎn)實(shí)際問題的能力，能夠應(yīng)用PLC 完成實(shí)際控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試，達(dá)到與從業(yè)相關(guān)的職業(yè)技能要求，成為真正意義上的技術(shù)應(yīng)用型人才為教學(xué)最終目標(biāo)。

表1 STEAM 元素與PLC 技術(shù)應(yīng)用課程的內(nèi)容融合關(guān)系

（三）操作程序

操作程序制定了在教學(xué)活動中教師和學(xué)生在不同階段應(yīng)該完成的任務(wù)，即規(guī)定了師生應(yīng)該先做什么、后做什么。每一種教學(xué)模式都有與其融合的邏輯步驟和操作程序。STEAM 教育理念的教學(xué)模式是一種建立在建構(gòu)主義教學(xué)理論基礎(chǔ)上的探究式教學(xué)模式，它適用于各類理實(shí)一體化課程的教學(xué)，尤其是實(shí)踐性和操作性較強(qiáng)的課程，有利于教師按本校實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有設(shè)備，構(gòu)建自己的教學(xué)策略開展教學(xué)。教師能比較準(zhǔn)確掌握學(xué)生在不同任務(wù)階段的知識與技能掌握情況，然后開展因材施教，滿足不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生需求，充分體現(xiàn)“以學(xué)生為本”的教學(xué)理念。

以“基于PLC 十字路口交通燈的控制”為例，這是一項(xiàng)具體的日?？梢姷墓こ添?xiàng)目，適合采用STEAM 教育理念的項(xiàng)目教學(xué)模式開展教學(xué)。首先，老師應(yīng)該讓學(xué)生清楚該項(xiàng)目的硬件系統(tǒng)由哪些部分構(gòu)成？指示燈、傳感器、PLC 模塊、電源模塊及按鈕等構(gòu)成足夠嗎？怎樣讓學(xué)生可以懂得程序編寫思路、編程方法技巧，并應(yīng)用到編程學(xué)習(xí)中，提高編程能力，轉(zhuǎn)化成自己的知識和技能。因而，在基于STEAM 教育理念的PLC 課程教學(xué)模式的教學(xué)活動中，教師的角色應(yīng)體現(xiàn)如下幾點(diǎn)。

（1）將和項(xiàng)目有關(guān)的科學(xué)原理告訴學(xué)生，讓學(xué)生去探索項(xiàng)目中所隱含的科學(xué)規(guī)律；如本文所提及的十字路口交通燈，教師可以提出如下問題進(jìn)行探討：交通燈的控制經(jīng)歷了什么樣的過程？為什么選紅黃綠這三種顏色作為信號燈顏色？低壓電器工作怎樣實(shí)現(xiàn)閉合與斷開？高、低電平是什么？為什么要用PLC 來實(shí)現(xiàn)交通燈的控制？等等科學(xué)問題，以提升學(xué)生科學(xué)精神。

（2）提出技術(shù)要求，即項(xiàng)目的任務(wù)書，提出本項(xiàng)目學(xué)生要完成的目標(biāo)。如項(xiàng)目硬件的搭建要求，紅黃綠燈的控制要求等。提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。

（3）PLC 十字路口交通燈的控制可以是一個(gè)完整的項(xiàng)目，因而可以引入工程的概念。在第（2）點(diǎn)中教師提出了技術(shù)要求，接下來教師應(yīng)該提出工程的要求，要求學(xué)生提交項(xiàng)目申請書，教師審核過申請書后，才允許學(xué)生組裝實(shí)驗(yàn)板，教師還需定時(shí)檢查學(xué)生的工程進(jìn)展情況。提升學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

（4）提出驗(yàn)收要求，項(xiàng)目除了達(dá)到功能要求外，還要求提交的作品布局合理、走線牢固、扎帶線頭長短合理、臺面整潔等人文要求，強(qiáng)調(diào)好的產(chǎn)品必須有吸引人的外觀。培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍的工作態(tài)度。

（5）要求有數(shù)學(xué)計(jì)算。比如根據(jù)功率要求，計(jì)算連接線的線徑、選擇低壓電器的類型等。使學(xué)生加強(qiáng)對科學(xué)理論進(jìn)一步的認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

學(xué)生應(yīng)該按老師提出的（1）—（5）的要求，按步驟完成訓(xùn)練項(xiàng)目，最后提交作品和項(xiàng)目結(jié)題書參與考核評價(jià)。

（四）實(shí)現(xiàn)條件

實(shí)現(xiàn)條件是指能使教學(xué)模式發(fā)揮效力的各種條件因素，如教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)環(huán)境與教學(xué)時(shí)間等。

本文的前提條件是學(xué)生具備電工基礎(chǔ)的基本知識，能安全使用三相交流電，懂得電壓、電流和功率的計(jì)算。基于STEAM 教育理念的PLC 技術(shù)應(yīng)用課程教學(xué)要求實(shí)訓(xùn)室有實(shí)訓(xùn)要求的所有材料，如“基于PLC 十字路口交通燈的控制”為例，實(shí)訓(xùn)室應(yīng)具備工具箱、PLC、電工實(shí)訓(xùn)網(wǎng)孔板、線材、接線端子、線槽、螺絲、螺母、紅綠黃燈、空氣開關(guān)及斷路器等，如果條件允許，還可以安排沖床和銑床用于機(jī)加工。實(shí)訓(xùn)室中間部分?jǐn)[放課桌和電腦，四周擺放工作臺和材料柜，為了有效利用實(shí)訓(xùn)室的材料，建議基于STEAM 教育理念的PLC 應(yīng)用技術(shù)課程連續(xù)2 周無間斷學(xué)習(xí)完成。教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)環(huán)境和教學(xué)時(shí)間見表2。

表2 PLC 課程58 學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容

通過模擬典型而與生活接近的實(shí)際項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、分析、討論，完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試，在短時(shí)間內(nèi)高效率的掌握理論知識與實(shí)踐技能，養(yǎng)成良好的思維和學(xué)習(xí)習(xí)慣，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，順其自然觸類旁通地應(yīng)用到其他項(xiàng)目中。

（五）教學(xué)評價(jià)

教學(xué)評價(jià)是指具體教學(xué)模式中完成教學(xué)任務(wù)，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)等?；赟TEAM 教育的教學(xué)模式將學(xué)習(xí)內(nèi)容按照企業(yè)項(xiàng)目開發(fā)的過程進(jìn)行安排，對項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)要素有一個(gè)完整的概念，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決生產(chǎn)實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生的職業(yè)技能和專業(yè)素質(zhì)。

整個(gè)教學(xué)過程中，以實(shí)踐能力為主，課程考核分?jǐn)?shù)設(shè)置為100 分，考核可參照表3 的五個(gè)部分，其中每個(gè)部分的成績必須達(dá)到該項(xiàng)成績所占的60%以上，如筆試成績占整個(gè)課程的20%，但卷面成績100 分，則筆試成績必須達(dá)到卷面的60 分以上。

表3 考核評分標(biāo)準(zhǔn)

從基于STEAM 教育的PLC 應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)模式構(gòu)建角度來看，理實(shí)一體化課程的有效教學(xué)關(guān)鍵在于理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的關(guān)聯(lián)程度，二者互相配合，互相補(bǔ)充，缺一不可。對理實(shí)一體化課程教學(xué)而言，若把理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)剝離，則該課程的教學(xué)意義將大打折扣?；赟TEAM 教育的理實(shí)一體化課程教學(xué)模式構(gòu)建過程實(shí)際上是培養(yǎng)學(xué)生在體驗(yàn)、探究、合作的框架下，綜合運(yùn)用理論知識和自身技能，實(shí)現(xiàn)知識和技能提升的過程。因此，基于STEAM 教育的探究式教學(xué)模式適用于PLC 應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)實(shí)際。

三、結(jié)束語

如何轉(zhuǎn)變基于知識供給與消費(fèi)的傳統(tǒng)教育模式的問題，關(guān)鍵在于課程改革。通過STEAM 教育在理實(shí)一體化課程中的應(yīng)用，采用合適的課程教學(xué)模式，選用與課程吻合的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生完成教學(xué)設(shè)計(jì)任務(wù)，在教學(xué)過程中，潛移默化提高學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)及數(shù)學(xué)素養(yǎng)，加強(qiáng)學(xué)生對理實(shí)一體化課程的認(rèn)知，可使高等職業(yè)教育課程的“職業(yè)性”與“高等性”有機(jī)融合。同時(shí)，可提高應(yīng)用型、技術(shù)技能型和復(fù)合型人才的培養(yǎng)比重，為促進(jìn)產(chǎn)教融合、校企合作和學(xué)習(xí)就業(yè)做好銜接工作。