自動化專業(yè)工程實訓(xùn)類課程的改革與實踐探究

王艷芳 李智強 王莉 李童童

關(guān)鍵詞：實訓(xùn)類課程改革；電氣控制與PLC；教學(xué)設(shè)計；學(xué)為中心

國家于2016年提出“中國制造2025”戰(zhàn)略方針，要求提高國家制造業(yè)創(chuàng)新能力，推進信息化與工業(yè)化深度融合，強化工業(yè)基礎(chǔ)能力。教育部也于2017 年正式推出“新工科”計劃[1]，并針對此制定了一系列的政策鼓勵校企之間進行合作。新工科建設(shè)需要加強研究和實踐，圍繞工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系等內(nèi)容開展研究和實踐，是新工科提出的高要求。

怎樣讓學(xué)生高效地掌握實訓(xùn)類課程是師生們要共同面對的問題。本文以電氣控制與PLC綜合設(shè)計與實訓(xùn)課程為例，將現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)有機結(jié)合，夯實基礎(chǔ)理論知識，重構(gòu)電氣控制系統(tǒng)實驗平臺，系統(tǒng)設(shè)計實訓(xùn)項目，整體規(guī)劃課程，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用知識解決復(fù)雜問題的能力為目標(biāo)，將卓越工程師教育培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)融入自動化專業(yè)課程教學(xué)之中，構(gòu)建新的教學(xué)模式和體系，滿足新工科對人才培養(yǎng)的需求，更好地實現(xiàn)工程教育培養(yǎng)目標(biāo)。

1 電氣控制與PLC 課程實踐教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 實驗設(shè)備與機型落后，難以滿足日益增長的社會需求

原來的實驗設(shè)備是實驗箱，搬運方便，但封裝太好，學(xué)生在做實驗時無法看到接口電路的連接方法，造成本該軟硬件結(jié)合的實驗只能調(diào)試軟件，無法完成硬件電路的實踐。實驗機型相對落后，只能進行簡單的邏輯控制，許多高級算法無法實現(xiàn)，沒有配備被控對象，更不用說與企業(yè)接軌，實現(xiàn)后期強大的云控制功能。造成學(xué)生進入崗位工作時感覺所學(xué)無用，缺乏對專業(yè)的認同感。

1.2 實踐教學(xué)內(nèi)容不夠連貫，教學(xué)目標(biāo)不明確

我國本科自動化專業(yè)的實踐教學(xué)，大多是以課程實驗、課程設(shè)計和實習(xí)三大塊來運行的。其中實驗與課程設(shè)計均是基于某門課程。這種模式的最大弊端在于造成實踐環(huán)節(jié)依附于課程，無法形成統(tǒng)一的體系。

實踐教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計過于單一，不能形成以項目為導(dǎo)向的工程教育理念的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作的訓(xùn)練體系，難以達到培養(yǎng)卓越工程師訓(xùn)練目標(biāo)。由于實踐教學(xué)從屬于理論課程，造成在實驗內(nèi)容安排上既可能相互脫節(jié)，也可能互相重復(fù)。實驗項目大多為驗證性質(zhì)實驗，對各種理論和技術(shù)的工程應(yīng)用欠缺，較少考慮到綜合設(shè)計能力的培養(yǎng)要求，不利于學(xué)生工程教育能力的培養(yǎng)。

1.3 考核方式單一，不能體現(xiàn)課程目標(biāo)

由于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)從屬于理論課程，實驗安排又存在著一定的隨意性，造成實踐課程考核過于隨意，實踐課的考核基本都是實驗報告定終分。而實驗報告雷同率較高，無法區(qū)分學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，無法體現(xiàn)對課程目標(biāo)的考核要求，也無法滿足新工科工程師培養(yǎng)的需求。

1.4 課程教學(xué)模式未能跟現(xiàn)代的信息技術(shù)結(jié)合在一起

“復(fù)旦共識，天大行動，北京指南”都提出多學(xué)科融合的專業(yè)需求，自動化專業(yè)與信息技術(shù)的聯(lián)系尤為緊密，在OBE的培養(yǎng)模式下，有效地與大數(shù)據(jù)、信息技術(shù)等新型技術(shù)進行學(xué)科交叉融合，構(gòu)建上升互補式的一體化課程體系[2]和實踐教學(xué)體系，探索教學(xué)科研協(xié)同、校企合作的教學(xué)模式。協(xié)同育人，強化實踐環(huán)境，將是工程類專業(yè)培養(yǎng)模式改革的一個方向。

2 以畢業(yè)要求為導(dǎo)向，設(shè)計課程目標(biāo)

課程目標(biāo)是以滿足專業(yè)畢業(yè)要求的培養(yǎng)目標(biāo)進行設(shè)計的，按照電氣控制與PLC課程在專業(yè)課程體系中的定位，從基礎(chǔ)知識、解決復(fù)雜工程問題能力和專業(yè)工程素質(zhì)三個方面，設(shè)計本綜合實訓(xùn)的課程目標(biāo)，適時融入思政元素[3]，發(fā)揮課程思政的協(xié)同功能。

培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會項目的資料收集、整理和分析方法，并具有工程計算和繪圖的基本能力；培養(yǎng)學(xué)生綜合運用課程知識進行系統(tǒng)方案設(shè)計的能力；訓(xùn)練學(xué)生對電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施的能力；訓(xùn)練團隊合作能力以及與同學(xué)老師溝通、撰寫科技報告的能力；同時培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、專業(yè)的工程素質(zhì)以及勇于創(chuàng)新、攻堅克難的專業(yè)精神。

3 電氣控制與PLC 實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)專業(yè)實踐教學(xué)要達成的培養(yǎng)目標(biāo)，多次研討實現(xiàn)這些課程目標(biāo)的途徑，確定實訓(xùn)項目、實訓(xùn)條件，整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，制定了“基礎(chǔ)實驗項目→綜合性設(shè)計性項目→學(xué)科競賽”的逐層遞進[2，4]知識體系。

在實訓(xùn)內(nèi)容設(shè)計時，重新整合優(yōu)化實訓(xùn)內(nèi)容，融入思政要素，每個實訓(xùn)均采取小項目的形式開展。每個小項目都有明確的基本訓(xùn)練內(nèi)容、能力訓(xùn)練、專業(yè)綜合等不同層次課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，訓(xùn)練學(xué)生工程思維、分析設(shè)計、綜合考慮問題等不能層次的能力，同時融入工程項目管理、課程思政、個人與團隊、溝通等非技術(shù)能力的內(nèi)容，強化學(xué)生非技術(shù)能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生不同階段的能力。

課程組專門針對電氣控制與PLC綜合設(shè)計與實訓(xùn)課程設(shè)計了以S7-1200機型為控制器的實訓(xùn)設(shè)備。包括5個基礎(chǔ)實驗，進行課程編程軟件與基本指令等基礎(chǔ)訓(xùn)練；4個綜合性實訓(xùn)項目，進行多學(xué)科相互交叉融合，內(nèi)容更豐富，更全面，進行復(fù)雜工程能力的訓(xùn)練；最后依托教育部組織的中國智能制造挑戰(zhàn)賽，在專業(yè)課程訓(xùn)練時，引導(dǎo)學(xué)生進行專業(yè)知識的提升，做到以賽促學(xué)、以學(xué)促賽、以賽育人。

其中4個綜合性實踐項目，融合了電路、電機拖動、自動控制理論、傳感器技術(shù)等相關(guān)課程，完成專業(yè)知識整合，設(shè)計了邏輯控制單元、模擬量控制、伺服驅(qū)動、交流變頻控制、步進電機控制等工業(yè)控制常見領(lǐng)域的控制模塊，建立了專業(yè)的知識體系，進行了專業(yè)能力、團隊合作、溝通與查閱資料等能力的培養(yǎng)。綜合實訓(xùn)時間安排每個項目8個學(xué)時，采取全天排課，不間斷完成一個項目，課程采取邊講課邊實訓(xùn)，每個項目學(xué)生可以深入鉆研學(xué)會控制領(lǐng)域的一個應(yīng)用方面。2019年下半年開始投入使用，運行良好。實訓(xùn)項目、教學(xué)目標(biāo)與知識體系的關(guān)系見表1。

4 課程教學(xué)設(shè)計與實施

電氣控制與PLC綜合設(shè)計與實訓(xùn)課程的開展、與理論課程統(tǒng)籌安排、統(tǒng)一規(guī)劃，采取穿插形式進行，理論課開課一定時間之后開展實訓(xùn)課，并且理論課教師與實訓(xùn)課教師定期進行溝通教學(xué)進度，對于遇到的問題，商討解決方法?？傮w上以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力和主動學(xué)習(xí)能力為目標(biāo)，強化預(yù)習(xí)與實操環(huán)節(jié)，結(jié)合線上線下混合式教學(xué)[4]的特點，重新設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，為企業(yè)培養(yǎng)卓越工程師。做到課前目標(biāo)明確，課中任務(wù)明確，課后及時總結(jié)反思。

4.1 課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)設(shè)計

在開課之前，將每個實訓(xùn)項目的實訓(xùn)內(nèi)容按照知識點進行分解，確定知識點的難易程度，完成線上與線下學(xué)生要完成的任務(wù)劃分。老師利用云課平臺提前推送每次實訓(xùn)的任務(wù)。實訓(xùn)任務(wù)中有明確的課程學(xué)習(xí)目標(biāo)、要掌握的知識點、每個項目學(xué)生要完成的預(yù)習(xí)內(nèi)容，實訓(xùn)實操中的需要學(xué)生完成的部分，以及學(xué)生最關(guān)心的考核方式、打分依據(jù)，包括實訓(xùn)基本要求、高層次要求都詳細地列于其中。簡單的基礎(chǔ)知識應(yīng)用采取預(yù)習(xí)形式完成，要求學(xué)生通過微課查找資料，完成每次實訓(xùn)的預(yù)習(xí)任務(wù)，實訓(xùn)時備查。

每次在推送課前預(yù)習(xí)任務(wù)時，同時推送與課程或?qū)I(yè)相關(guān)的資源。學(xué)生可以根據(jù)任務(wù)需求，了解行業(yè)動態(tài)、專業(yè)前沿，拓展自己視野，完善自我知識體系。實訓(xùn)課程云課的優(yōu)勢在于老師可以隨時將與實訓(xùn)相關(guān)的材料發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生可以找到自己不懂的知識點，反復(fù)觀看微課，也可以在討論區(qū)與其他同學(xué)一起討論完成預(yù)習(xí)任務(wù)，這給學(xué)生營造了一個開放的學(xué)習(xí)環(huán)境。在無人指導(dǎo)的情況下，還可以通過觀看微課和資源加強自身的專業(yè)素養(yǎng)。預(yù)習(xí)任務(wù)的完成度，在實訓(xùn)前要求形成文字性的報告，通過現(xiàn)場問答判斷學(xué)生實訓(xùn)預(yù)習(xí)任務(wù)的情況。老師根據(jù)預(yù)習(xí)的效果及時調(diào)整教學(xué)的難點與重點，形成一個及時的學(xué)情反饋。

4.2 實操教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計

實操教學(xué)環(huán)節(jié)的組織主要是老師講授、重點問題討論、學(xué)生組隊開展實訓(xùn)、實時檢查實訓(xùn)效果幾個環(huán)節(jié)。

老師講授以學(xué)生預(yù)習(xí)報告的學(xué)情反饋為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，重點強調(diào)實訓(xùn)中需要注意的難點與重點。遇到新的問題啟發(fā)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)平臺、團隊成員協(xié)同解決問題。訓(xùn)練學(xué)生查找資料、溝通解決問題的能力。

在實操環(huán)節(jié)重難點講授過程中，融入節(jié)能環(huán)保、工匠精神、創(chuàng)新精神等思政要素。內(nèi)容的設(shè)計上采取先簡單后復(fù)雜由淺入深的教學(xué)思路，項目內(nèi)容主體一致，但細節(jié)分不同層次。每組同學(xué)按照自己預(yù)習(xí)的方案進行實操接線、軟件調(diào)試。同學(xué)們協(xié)同解決實操過程中碰到的問題，訓(xùn)練學(xué)生碰到問題解決問題的能力。在實訓(xùn)過程中老師及時提醒同學(xué)們實驗出現(xiàn)的共性問題，個性問題單獨輔導(dǎo)。當(dāng)學(xué)生完成實訓(xùn)的基本任務(wù)之后，老師根據(jù)實操結(jié)果現(xiàn)場打分。如果發(fā)現(xiàn)有些同學(xué)的基礎(chǔ)實驗完成度較高，提出較高層次的實驗任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生完成更高層次的教學(xué)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新能力，由點及面，發(fā)揮優(yōu)秀學(xué)生的帶隊功能，帶動班級乃至整個專業(yè)的專業(yè)素養(yǎng)。

實操效果的考核也屬于實操教學(xué)環(huán)節(jié)的非常重要的一環(huán)。教師在實操效果考核環(huán)節(jié)對每個同學(xué)進行打分，同組學(xué)生通過是否完成實驗基本內(nèi)容、回答問題等方面的考核。實操環(huán)節(jié)實時打分具有很強的真實性，能夠動態(tài)、真實地反映學(xué)生對知識掌握的程度。這種實時考核機制既可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，又訓(xùn)練了學(xué)生的專業(yè)技能，為培養(yǎng)新工科專業(yè)的人才保駕護航。

4.3 課后教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計

實訓(xùn)的最后一個教學(xué)環(huán)節(jié)是實訓(xùn)總結(jié)，實訓(xùn)總結(jié)是對實訓(xùn)過程的一次全面復(fù)盤，實訓(xùn)總結(jié)報告又是一次跟自己和老師進行文字溝通的機會，每一次的總結(jié)都是一次自我反思與知識結(jié)構(gòu)提升過程。需要對實訓(xùn)的目的、實訓(xùn)方案、硬件原理圖設(shè)計、軟件結(jié)構(gòu)劃分、程序文字?jǐn)⑹?、實?xùn)過程出現(xiàn)的問題以及解決辦法進行總結(jié)，形成文字性的報告。實訓(xùn)能力的提升一是能在實驗室完成項目任務(wù)，二是能在實訓(xùn)過程將實訓(xùn)過程現(xiàn)場講給老師，三是實訓(xùn)結(jié)束后能進行文字性的闡述。實訓(xùn)任務(wù)的做、講、寫三個不同方面的能力訓(xùn)練，實訓(xùn)內(nèi)容從多個維度完成，實現(xiàn)在專業(yè)實訓(xùn)類課程中的解決復(fù)雜工程能力的培養(yǎng)。

學(xué)生根據(jù)實訓(xùn)總結(jié)反思自己的實訓(xùn)效果，并根據(jù)實訓(xùn)效果及時調(diào)整自己的學(xué)習(xí)方法。老師根據(jù)報告評估結(jié)果及時調(diào)整教學(xué)方式，實現(xiàn)教與學(xué)雙向的調(diào)整[5]，達成課程目標(biāo)，幫助學(xué)生更好地完成自我知識體系的建立。

4.4 考核方式的設(shè)計

實訓(xùn)的考核是針對是否達成課程目標(biāo)來設(shè)計的，不同的課程目標(biāo)采取不同的考核方式。增大課前預(yù)習(xí)與實操環(huán)節(jié)的考核比例，強化預(yù)習(xí)與動手能力考核?？己藘?nèi)容包括課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的硬件原理圖的正確性、可實施性考核學(xué)生利用專業(yè)基礎(chǔ)知識、通過查閱文獻進行方案設(shè)計的能力、解決問題的能力；課內(nèi)實操時硬件接線的正確性、是否考慮環(huán)保與節(jié)能等因素、軟件使用的熟悉程度、軟硬件的調(diào)試效果以及團隊合作溝通情況考核學(xué)生綜合運用課程知識對電氣控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計與實施的能力，以及團隊合作與同學(xué)老師溝通的能力；課后總結(jié)內(nèi)容的完整性與準(zhǔn)確性以及文檔整理的規(guī)范性考核學(xué)生具備一定的繪圖能力和相應(yīng)的軟件編程能力以及撰寫報告的能力。

5 結(jié)束語

電氣控制與PLC綜合設(shè)計與實訓(xùn)課程實踐性強，需要一定工程經(jīng)驗，是專業(yè)課程中第一門大型實訓(xùn)類課程，課程難度較大。本文以學(xué)生發(fā)展為中心，以社會和專業(yè)需求為導(dǎo)向，設(shè)計符合專業(yè)需求的課程目標(biāo)，根據(jù)課程特色，設(shè)計逐步遞進的實訓(xùn)內(nèi)容，結(jié)合云課平臺進行課程教學(xué)環(huán)節(jié)的實施，把控實訓(xùn)的每一個環(huán)節(jié)，設(shè)計操作性強的評價體系，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并且每屆會依托課程選拔出30人參與中國智能制造挑戰(zhàn)賽，培養(yǎng)具有社會責(zé)任感的工程師。從教學(xué)效果來看，學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，主動性提高，課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)完成度很高，分層次的實訓(xùn)任務(wù)激發(fā)了不同層次同學(xué)的個性化需求，2021年學(xué)科競賽也突破性獲得了國家級特等獎，以點帶面，起到良好的帶頭作用，達成了新工科卓越工程師培養(yǎng)要求。