工業網絡控制技術課程教學改革與實踐

摘 "要 "針對高等職業院校學生學習工業網絡控制技術課程缺乏積極性的問題，將任務驅動教學法用于該課程的教學實踐，設計五個教學任務，創建學習情境，實際教學表明，教學效果良好，學生在完成任務的過程中掌握了課程知識點，提高了分析問題和解決問題的能力，培養了自主學習能力，有進一步推廣的價值。

關鍵詞 "任務驅動教學法；工業網絡控制技術；教學改革

中圖分類號：G712 " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）11-0095-04

0 "引言

當前，數字經濟蓬勃發展，制造業數字化智能化轉型是大勢所趨。信息物理系統（CPS）技術無論是在工業4.0還是在中國制造2025中都發揮著舉足輕重的作用，其核心內容是工業通信，將工業網絡通信技術應用于制造業具有重要的現實意義。提升學生工業網絡控制技術課程實踐應用能力，培養高素質工業通信人才是教學的任務。目前，大部分高職院校的工業網絡控制技術課程缺少相應的實踐教學，致使相關專業畢業生無法直接勝任工業通信網絡的設計、研發、實施、維護等工作。已有很多學者和教師對工業網絡控制技術課程的教學改革進行研究[1-4]，提出新的教學方法，但缺少具體實踐。本文從實踐出發，采用任務驅動教學法，以任務為驅動、以學習情境為載體、以實施過程為體現、以結果為評價，探討工業網絡控制技術課程教學改革與實踐，促進教學質量的提升，對培養學生的工業網絡通信技能具有非常重要的意義。

1 "采用任務驅動教學法的必要性

工業網絡控制技術是一門綜合性較強的實踐性課程，學生不僅要掌握工業網絡的基本知識，而且要掌握工業網絡控制系統的方案設計、網絡組態、系統安裝和調試等實際操作技能。任務驅動教學

法[5-6]是“以任務為主線、教師為主導、學生為主體”，將學生要掌握的知識點隱藏在任務中，通過創建教學情境激發學生的學習興趣，讓學生在完成任務的過程中掌握知識和提高技能。

該課程的主要內容是現場總線技術，現場總線適應了工業網絡控制系統分散化、網絡化、智能化發展的方向。目前，國際上有40多種現場總線，但沒有任何一種現場總線能覆蓋所有的應用。由于課時及實訓條件的限制，結合我國現場總線設備的使用情況及未來的工業網絡發展趨勢和實訓條件，選擇使用廣泛的Modbus、Profibus和Profinet作為實踐任務，在完成任務的過程中，學生由過去被動接受知識轉變為現在主動尋求知識，不斷獲得成就感，從而增強學習自信，激發學習熱情和興趣，進而對其他現場總線達到融會貫通、觸類旁通的效果。使用任務驅動教學法進行實踐性較強的工業網絡控制技術課程教學是非常合適的，也是非常必要的。

2 "任務驅動教學法的設計

如何在工業網絡控制技術課程中靈活運用這種教學方法開展教學、進行教學設計，是教師面臨的問題。任務驅動教學法一般可分為下面四個步驟。

2.1 "創設情境

工業網絡控制技術課程教學要認真分析課程特點，從硬件、網絡、組態、軟件、通信等方面，設計適當的情境使學生在這種情境中探索實踐，加深對問題的理解。設計一個能讓學生積極主動去完成任務的情境是任務驅動教學法的重要環節，該情境既要與當前學習主題相關，又要有真實的應用環境。

2.2 "設計任務

在任務驅動教學法中，提出有利于學生掌握技能、獲取知識的有意義的任務是關鍵，需針對課程教學目標設計任務，將知識點、能力培養蘊含在任務中，讓學生在完成任務過程中動腦、動手、動口、動眼，凸顯一種主動參與學習的過程，在主動、互動、活動的動態教學過程中讓學生掌握知識、訓練技能、提高探索和創新能力，從而提升教學質量，增強教學效果。設計任務需要遵循以下幾個原則。

1）有實際的應用。設計的任務有實際應用的情境，不是虛構的，這樣才能激發學生的求知欲。

2）有明確的目標。在課程總體目標框架上，把總目標細分成一個個小目標，并把每一個學習模塊的內容細化為一個個容易掌握的任務，通過這些小任務來體現總的學習目標。根據崗位工作能力的要求，既要與書本知識緊密結合，又要突出技能培養，讓學生通過完成任務實現能力目標和知識目標。

3）任務難易適中。根據難易程度以及學生的接受能力設計任務，確定合適的學時，讓學生在綜合應用已有知識和經驗的基礎上能解決問題，突出主體性，增強成就感。

4）以學生為中心。設計任務時應體現以“學生為中心、教師為主導”的教學策略。學生是學習的主體，教師在教學中起組織、引導、促進、控制作用，充分發揮學生的主動性、積極性和創造性。學生是知識建構過程的積極參與者，在這個過程中，學生的知識、思維、技能和情感得到鍛煉與熏陶，培養合作精神和創新精神。

5）可操作性要強。工業網絡控制技術課程是一門實踐性很強的課程，教師在設計任務時要考慮它的可操作性，設計的任務應是具體的，學生按任務的要求通過實訓設備操作才能完成任務，得出結果。只有讓學生親自動手操作、動手實踐，才能增強教學效果。

在內容選取上，以實訓設備為依托，以工業網絡、通信、現場總線、控制等技術為核心，將相關技術知識融入五個任務中，每個任務分為若干個子任務，讓學生在完成任務過程中能夠將理論知識和技能操作融合在一起，學習和掌握每一環節的基本知識與了解必須具備的能力，有針對性地培養學生的獨立工作能力、想象力、創造力及與人合作溝通的能力，提高學生解決實際問題的綜合能力。根據以上原則設計的五個任務見表1。

學生在學習本課程基本理論如數據通信基礎、現場總線網絡、網絡傳輸介質、訪問控制技術等的基礎上，能理解Profibus、Modbus和EtherCat、Profinet等主流的工業控制網絡通信協議即達到預期的知識目標。學生通過在工業網絡控制實訓平臺設備上完成表1內的任務，掌握工業控制網絡構建、編程、調試的操作技能，即達到預期的能力目標和素質目標。

2.3 "自主探索，協作學習

在任務驅動教學法中，教師不直接告知學生如何解決問題，而是向學生提供解決此問題的一般思路，如需要哪些技術資料、從何處獲取、怎樣分析問題、解決問題的步驟等，培養學生的自主學習能力。針對不同基礎的學生，提供差異性指導，如介紹與任務完成有關的技術資料，講解如何利用現有資料，提供完成任務的基本框架，通過提問、觀察、交談等方式引導學生對解決問題的方法進行探索學習。

鼓勵學生協作學習，讓學生分成小組完成任務，學生之間討論和交流，每位學生要向組長匯報自己獲得的資料、完成任務的思路等，每位學生的思維成果在小組共享。學生通過協作學習，學會表達自己的觀點，聆聽他人的意見，學習他人的優點，在交流過程中互相啟發，產生新的認識。通過小組不同成員的補充、修正以及不同觀點的碰撞，讓學生加深對疑難問題的理解，鞏固已學知識，掌握解決問題的方法，加深對工業網絡控制系統的認知。同時，教師從學生的一些創意中得到啟發，實現教學相長。

3 "任務的實施過程

以任務1為例探討實施過程。

3.1 "布置任務

3.1.1 "任務 "任務是Profibus網絡控制系統構建與運行。

3.1.2 "學習情境 "學習情境是室內溫度控制系統。

3.1.3 "子任務 "子任務是一主站與二從站的Profibus控制系統構建與運行。

3.1.4 "任務描述 "創建一個Profibus網絡控制系統，包括一個主站、二個從站，設備有S7-1215PLC及通信模塊CM1243、S7-1511PLC及通信模塊CM1542，以及AI擴展模塊、G120變頻器、電動機、溫度變送器、按鈕、指示燈等。要求實現室內溫度顯示及控制，當溫度值≥30 ℃時，PLC通過變頻器控制電動機高速運行；當溫度值≤26 ℃時，PLC通過變頻器控制電動機中速運行；當溫度值≤24 ℃時，PLC通過變頻器控制電動機低速運行。

3.2 "任務分析

下發任務后，先讓學生分組自由討論，根據給定設備，按任務要求分析是否滿足組網條件。提出的問題包括：哪些設備做主站；哪些設備做從站；主站如何讀取從站的數據；如何控制從站（修改從站數據）；溫度變送器的數據如何變化；按鈕、指示燈如何接入PLC；等等。提出問題后，教師進行適當引導和啟發，由學生在組內討論解決方案。

3.3 "分組實踐

任務分析后，學生對任務的要求有了進一步的理解，有了解決問題的方案，可以開始動手完成任務，利用S7-1200PLC控制器的CM1243通信模塊、S7-1500PLC控制器的CM1542通信模塊和G120變頻器構建室內溫度控制系統的通信網絡，S7-1215PLC控制器做主站，S7-1511PLC控制器為從站1，G120變頻器為從站2。主站的數字量輸入接口連接按鈕，數字量輸出接口連接指示燈。從站1連接溫度變送器，從站2連接電動機。設計通信網絡結構圖見圖1。

3.4 "實施步驟

1）設備和網絡組態，打開博圖軟件組態主站，選擇S7-1215，添加主站的Profibus接口模塊，創建Profibus網絡，設置DP主站和Profibus地址。

2）組態從站1，選擇S7-1511，添加從站的Profibus接口模塊，選擇主站創建的Profibus網絡，設置DP從站和Profibus地址，設置主站與從站1的通信傳輸區域。

3）組態從站2，選擇變頻器，添加Profibus DP→驅動器→SINAMICS→G120-CU240-2DP，設置DP從站和Profibus地址，選擇變頻器的PZD-2/2報文，設置主站與從站2的通信傳輸區域。

4）軟件編程，編寫主站與從站1和從站2的數據通信程序，主站讀取從站1的溫度變送器的數據，主站通過從站2控制電動機運動的程序。

5）系統調試，按啟動按鈕，改變溫度數據，觀察電動機的運行狀態。

在實施過程中，學生主動尋找解決問題的方法，教師引導解決問題。

4 "效果評價

完成任務后還必須對學習效果進行評價，主要包括兩方面：一是對學生完成任務的過程和結果進行評價；二是對學生自主學習及協作學習能力進行評價。一個任務完成了，教師的有效評價能對學生產生正向和激勵作用，學生會獲得滿足感、成就感，從而激發求知欲望。對學生能力的充分肯定，學生能體驗到成功的快樂，激發自主學習的積極性，提高學習效率和興趣。

本文基于任務驅動教學法設計工業網絡控制技術課程教學內容和教學過程，并以“一主站與二從站的Profibus控制系統構建與運行”任務為例，詳細介紹在教學過程中采用任務驅動教學法的實施過程。在教學實踐過程中，創設學習情境，激發學生的學習興趣，學習氣氛異常活躍，取得很好的教學效果。學生在完成任務的過程中掌握了課程知識點，提升了實踐操作能力，提高了分析問題和解決問題的能力，激發了對該課程的學習積極性和主動性，培養了獨立自主的創新能力。因此，該模式值得大力推廣應用。

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