混合式教學模式在電氣控制技術(shù)及PLC課程教學中的應用實踐探究

楊鴻　張寧寧　汪新巧

關(guān)鍵詞：混合式教學；OBE；項目式教學；PLC

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）12-0116-03

0 引言

線上教學與線下教學的優(yōu)勢和劣勢都比較明顯，要取長補短，發(fā)揮線上和線下教學各自的優(yōu)勢，線上和線下混合式教學模式應運而生。線上教學的優(yōu)勢：不受時空的約束，學生可以隨時隨地學習相關(guān)知識，不能實時同步學習時，看錄播回放。學習不受時空限制，消除學生害羞心理，教師掌握部分學生的真實學情；缺點：師生不能實時交流。教師無法通過學生的表情、眼神等了解學生對知識點的掌握，學習對學生的主動性要求較高；線上教學的實驗課以通過仿真軟件來實現(xiàn)，但是缺乏線下的真實體驗。線下教學的優(yōu)點彌補線上教學的缺點。針對以上優(yōu)勢和缺點，發(fā)揮優(yōu)勢，摒棄缺點，以學生為中心，結(jié)合OBE教育理念，項目式教學為主線，理實一體化教學為手段，本課題探究混合式教學模式在電氣控制技術(shù)及PLC課程教學中的應用實踐。

1 教學現(xiàn)狀

目前，不管是線上還是線下，不管是“理論+實驗”還是“理實一體化”的教學手段，電氣控制技術(shù)及PLC 教學仍然離不開“教師教，學生學”模式，沒有發(fā)揮學生的主觀能動性。傳統(tǒng)的電氣控制技術(shù)及PLC課程，通常用標準化規(guī)劃教材、統(tǒng)一的授課方式、統(tǒng)一的教學媒體，以中等水平的學生群體作為學習者主體，開展以知識傳授為主的教學方式，以知識點考察為主的考核方式[1]。這樣的教學模式存在以下痛點：

1） 知識點更新慢，滯后于技術(shù)的發(fā)展。在新技術(shù)的高速發(fā)展的今天，教師對新技術(shù)的吸收，再到教材的出版，需要一定的時間，最后落實到教學過程當中，知識存在一定的滯后性。

2） 重知識點，輕能力培養(yǎng)，與社會和產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)。雖然理論知識很重要，但是只注重知識點的學習，而輕能力培養(yǎng)，學到的知識是碎片化，是一個個知識的孤島，這與社會和產(chǎn)業(yè)的知識的融會貫通還有一段的距離。

3） 工程設(shè)計能力培養(yǎng)不足，偏離工程師培養(yǎng)規(guī)律。由于大部分教師沒有實際的工程經(jīng)驗，工程設(shè)計能力不足，導致教學過程當中，容易重知識點，輕工程思維能力的培養(yǎng)。

4） 實踐教學缺少工程項目的環(huán)節(jié)。目前，大部分高校出于學生的人身安全和設(shè)備安全考慮，廣泛使用試驗臺，成品模塊化實驗設(shè)備的模式，在方便教師教學和學生實踐操作的同時，學生卻失去了工程安裝及調(diào)試的實踐訓練的機會。學生僅僅驗證了理論、方法，難以達到工程實踐訓練的目的。

5） 教學內(nèi)容設(shè)置合理性欠缺，理論聯(lián)系實際不強。教學內(nèi)容結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝流程不緊密，導致學生學習參與度不強，積極性不高。

6） 產(chǎn)教融合程度低，典型企業(yè)案例缺乏。校企合作深度不強，教學的案例過于簡單，學生解決復雜工程問題的能力得不到培養(yǎng)。大部分校企合作僅僅流于形式，增加學生的實習經(jīng)歷，企業(yè)擔心培養(yǎng)出來的人才外流，所以學生參與工程項目的開發(fā)及核心技術(shù)研發(fā)的機會極低。

2 混合式教學設(shè)計

為了提升線下課堂教學的效率，滿足同學的個性化學習的需求，著重解決學生的難點，突出課堂的重點，采取線上線下混合模式教學。將部分知識通過視頻講解，學生能吸收的知識點采用前置線上教學，在線討論模式，發(fā)揮學生的主觀能動性，集思廣益，共同協(xié)作解決問題。充分利用網(wǎng)上的優(yōu)質(zhì)資源（如MOOC） ，取長補短，豐富教學內(nèi)容。線下課堂教學著重關(guān)注重點和難點，為學生的工程實踐提供時間保障。充分發(fā)揮線上和線下的各自優(yōu)勢。以成果為導向的OBE教學理念，采用項目式教學方式，提升學生電氣控制技術(shù)及PLC的綜合分析問題、解決問題的能力。如圖1所示為混合式教學模式在電氣控制技術(shù)及PLC課程教學中的應用實踐。

2.1 教學理念

OBE 模式全稱為Outcomes-based Education，即以成果為導向的教育模式。這一教學模式產(chǎn)生于20 世紀70至80年代的美國教育改革。該模式是以學習者為中心，以培養(yǎng)學生的能力為目標，以學習的成果為導向，以結(jié)果驅(qū)動教學[2]。根據(jù)本門課程教學大綱，確定學生的學習目標，采取恰當?shù)慕虒W措施，進行適當?shù)脑u價方法，不斷持續(xù)改進，以螺旋上升的方式進行教學。如圖2所示為螺旋式上升的OBE教學。

2.2 教學準備

在教學準備階段，要進行學情分析、授課內(nèi)容設(shè)計和項目實施分析。學情分析是基礎(chǔ)，授課內(nèi)容設(shè)計是重點，項目實施分析是關(guān)鍵。

1） 學情分析

學生學習了電路、電機及拖動技術(shù)，傳感器及檢測技術(shù)，自動控制原理等先修課程。通過電氣控制技術(shù)及PLC課前線上的學習，學生會電氣控制技術(shù)與PLC的原理和相關(guān)知識，但是知識碎片化，不能構(gòu)成體系，不能結(jié)合現(xiàn)場實際靈活運用，缺乏工程思維的訓練等障礙?；趯W生的已知的知識和障礙，采用項目式（PBL） 教學手段，促使學生運用所學知識，理論聯(lián)系實際，解決工業(yè)生產(chǎn)中的實際問題，培養(yǎng)學生的工程設(shè)計能力，鍛煉學生PLC程序設(shè)計的思路，訓練學生的工程思維，激發(fā)學生探究電氣控制技術(shù)及PLC學習的內(nèi)生驅(qū)動力。

2） 教學內(nèi)容分析

電氣控制技術(shù)及PLC是自動化專業(yè)的一門核心專業(yè)必修課；該課程分為電氣控制技術(shù)部分和PLC技術(shù)部分，電氣控制技術(shù)部分由電氣控制元件、電動機的起停控制、三相異步電動機正反轉(zhuǎn)控制等8個模塊組成。PLC技術(shù)部分由PLC的系統(tǒng)配置與接口、基本指令、程序設(shè)計等10個模塊組成。電氣控制技術(shù)是PLC的基礎(chǔ)，只有學懂弄通電氣控制技術(shù)，PLC技術(shù)部分才能言之有物，否則，PLC技術(shù)部分是霧里看花。PLC技術(shù)是本課程的核心，是信息化技術(shù)重要組成部分。課程思政內(nèi)容（社會主義核心價值觀）貫穿于教學始終。通過基本模塊的學習，最終達到解決復雜工程問題能力培養(yǎng)的混合式教學目標。

3） 學習目標

通過學習本課程，學生的學習目標在價值觀層面、知識層面和技能層面達到相應的水平。價值觀層面：牢固樹立社會主義核心價值觀，養(yǎng)成良好的職業(yè)道德和職業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)學生自學能力和團隊協(xié)作能力。知識層面：闡明常用電氣控制的原理；依據(jù)三相異步電動機的起動、調(diào)速、制動的機械特性，選擇相應的控制方法；依據(jù)各種控制方法，設(shè)計相應的電氣原理圖；闡述PLC的基本原理，能通過PLC的梯形圖及其他編程語言，開發(fā)出典型的PLC程序。技能層面：依據(jù)電氣圖紙，完成電氣元件的選型；具備依據(jù)電氣原理圖，能夠分析現(xiàn)場故障，解決現(xiàn)場實際問題的能力；根據(jù)不同的工藝，具有相應的PLC編程能力，滿足工藝要求。以知識、能力、素養(yǎng)為基礎(chǔ)，貫穿于基礎(chǔ)理論學習、工程技術(shù)應用、行業(yè)案例拓展，形成的三縱三橫線上線下混合式學習目標，具有全局思維的工程素養(yǎng)和關(guān)鍵領(lǐng)域創(chuàng)新能力。如圖3所示為三縱三橫線上線下混合式學習目標。

4） 項目式教學設(shè)計

項目式學習（Project-based Learning） 打破了傳統(tǒng)教學模式在時間、空間、單一個體上的三維限制，有助于鍛煉大學生的思維創(chuàng)新能力，團隊合作能力和領(lǐng)導計劃能力以及項目執(zhí)行解決能力；這些正是應試教育下中國學生所欠缺的來自世界面向未來挑戰(zhàn)的能力，這也是中國大學教育所需要深刻思考的問題[3]。這符合應用型本科教育“以學生為主體”的課堂教學要求。在項目式教學中，如何引導學生結(jié)合工程項目案例，運用所學知識，分階段完成相關(guān)內(nèi)容；以問題牽引學習，充分調(diào)動學生的主觀能動性和積極性，對學生成果的肯定及提出建設(shè)性意見。項目式教學設(shè)計的關(guān)鍵點在于工程項目的題目設(shè)計，這樣才能綱舉目張。題目需要涉及電氣控制技術(shù)及PLC的主要內(nèi)容，同時離不開生產(chǎn)現(xiàn)場工藝的要求。工藝的設(shè)計不能孤立、片面地存在，要有整體思維、聯(lián)系和發(fā)展的思維，這樣既培養(yǎng)學生有全局觀，又有聯(lián)系和發(fā)展的觀念。本文以鋼鐵生產(chǎn)流程項目為例（如圖4所示），分為煉鐵組、煉鋼組、軋鋼組、公輔組等，每組細分為單元，如煉鐵組內(nèi)有球團單元、燒結(jié)單元、焦化單元、高爐單元，高爐單元還可以細分為本體、熱風爐、原料等系統(tǒng)。教師根據(jù)學情進行分組和確定題目內(nèi)容劃分的粗細程度，成績好的同學可以挑戰(zhàn)單個項目的題目。從工程項目實際出發(fā)，結(jié)合教學內(nèi)容，將進行項目式教學設(shè)計。

5） 混合式教學資源利用與開發(fā)

線下教學資源是我們每個學校每個教師必須擁有、更新、開發(fā)與時俱進的教學資源，線上資源也很豐富，2022年3月28日教育部國家高等教育智慧教育平臺正式上線。智慧高教平臺集合了中央、地方、高校和社會力量建設(shè)的20個綜合類和專業(yè)類高等教育公共在線課程平臺，分批次接入優(yōu)質(zhì)在線課程，提供一站式搜索與智能推薦全網(wǎng)好課服務。是全球規(guī)模最大、門類最全、用戶最多的高等教育平臺。首次上線的是在52000多門優(yōu)質(zhì)課程中優(yōu)中選優(yōu)，選出2萬門課程，覆蓋13個學科門類、92個專業(yè)類，讓所有的高校師生和社會學習者可以走進大學網(wǎng)上課堂[4]。線上教育資源比較多，但不一定適合每一所學校，要根據(jù)學情和學校的定位來精選線上教育資源。否則，即使擁有豐富的線上教學資源，也無法達到預期的教學效果。

2.3 教學實施

在應用型本科教學實施過程中，培養(yǎng)學生的解決復雜工程應用能力是教學活動的基本目標。知識的積累→能力培養(yǎng)→工程應用，從基礎(chǔ)到復雜，是逐步深化的過程。圖5所示為解決復雜工程問題能力培養(yǎng)的混合式教學。

1） 課前：在課前，讓學生了解本次課的學習目標（如：理解誤差、目標參數(shù)控制方法、PID控制、魯棒控制等）和要實現(xiàn)的實踐任務（如：在誤差允許范圍內(nèi)，實現(xiàn)高爐溫度控制要求）。學生了解學習目標之后，復習前續(xù)課程自動控制原理關(guān)于PID的相關(guān)知識，通過高等教育公共在線課程平臺相關(guān)精選課程和教師在雨課堂上發(fā)布的相關(guān)教學視頻和教學資料，線上學習PID的功能塊和溫度控制相關(guān)基本知識。

2） 課中：通過雨課堂平臺收集學生課前學習的知識難點與疑惑，消除學生不敢暴露難點的顧慮，教師全面掌握課前的學情，講解難點、重點與疑惑。在學生掌握了知識難點、重點之后，課中采用“理實一體化”教學手段，讓同學們在“教-學-做”中加強理論聯(lián)系實踐的能力。理實一體化是通過創(chuàng)造一種真實和仿真的教學實景，將理論教學和實踐教學有機地融合在一起，從而實現(xiàn)理論知識傳授和實踐技能操作的統(tǒng)一。理實一體化教學中的“理論”和“實踐”具有教育學和技術(shù)學的雙重規(guī)定，“一體化”體現(xiàn)著兩者合二為一的過程和趨勢[5]。通過重點、難點和疑惑點的講解，學生按照課前實踐任務在課堂繼續(xù)完成課前未完成的任務。每組學生可以通過討論進行設(shè)計和實踐，在實踐中，不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，培養(yǎng)學生解決工程項目的能力（PID參數(shù)的優(yōu)化）。在解決工程項目的過程中，根據(jù)每個同學的具體情況，可以采用自主探究、合作學習，教師指導的方法進行。教師指導不是直接給出答案，而是采用啟發(fā)式教學，循循善誘引導學生探索知識的興趣。

3） 課后：學生通過本節(jié)課的知識的學習，整理、總結(jié)相關(guān)成果，采用自主探究、線上討論形式，優(yōu)化項目實現(xiàn)的方式和方法，促進學生的舉一反三的能力。

2.4 教學評價

教學評價是對教與學效果的一種反饋機制，是教學活動的難點與關(guān)鍵點，合理的教學評價可以促進教學的改進與提高，所以我們要構(gòu)建多維教學評價體系。教學效果評價的核心是教學目標實現(xiàn)程度及其對學生成長發(fā)展產(chǎn)生的影響[6]。教學評價與反饋的數(shù)據(jù)來源是多樣化的，既可以來自課程設(shè)置的各個考核環(huán)節(jié)、考核項目，也可以來自學生的自身學習體驗與自我成效認定[7]。

電氣控制技術(shù)及PLC課程的教學評價主要包括教學內(nèi)容的考核和效果的評價。對教學內(nèi)容的考核主要從以下幾方面進行科學分析：分析成績是否符合正態(tài)分布，成績分布產(chǎn)生的原因；分析考核項目與教學目標是否有支撐作用；分析難易度與教學目標、理論知識掌握水平和實踐運用情況是否相符；分析形成性評價考核項目對學生的學習風氣、日常表現(xiàn)和能力評估的科學性；分析教學實施環(huán)節(jié)工作中存在的不足，并提出改進措施等來改進課程教學實施[5]。混合式教學模式在電氣控制技術(shù)及PLC課程教學中的應用實踐探究的考核內(nèi)容如表1所示，從表1可知：教學內(nèi)容考核分為過程性評價和階段性評價兩種。評價方式分為線上評價和線下評價，線上評價是通過學生在線學習的時間，線上作業(yè)；線下評價通過專題討論、方案匯報、工程案例以及成果產(chǎn)出等進行多維度評價。

3 結(jié)束語

本研究結(jié)合本地區(qū)應用型本科自動化專業(yè)的具體學情，混合式教學模式在電氣控制技術(shù)及PLC課程教學中的應用實踐改革以后，學生的學習內(nèi)驅(qū)動力增強。將部分基礎(chǔ)知識前移至線上課前學習，增加課堂講述重點、難點及實踐的時間，留足了學生思考和討論的時間，深化了課程思政的內(nèi)涵，拓寬了知識的深度和廣度。夯實基礎(chǔ)，提高綜合能力，培養(yǎng)工程素養(yǎng)，使課堂離企業(yè)的現(xiàn)場更近，更貼近生產(chǎn)實際。經(jīng)4個學期的教學活動，學生的動手能力和解決電氣控制技術(shù)及PLC程序開發(fā)與調(diào)試的實際工程能力有較大提高，調(diào)研最近一屆畢業(yè)生，反饋課堂與現(xiàn)場實際相似，具有一定的推廣示范作用。