工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

摘 "要 "針對(duì)高等職業(yè)院校學(xué)生學(xué)習(xí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程缺乏積極性的問(wèn)題，將任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法用于該課程的教學(xué)實(shí)踐，設(shè)計(jì)五個(gè)教學(xué)任務(wù)，創(chuàng)建學(xué)習(xí)情境，實(shí)際教學(xué)表明，教學(xué)效果良好，學(xué)生在完成任務(wù)的過(guò)程中掌握了課程知識(shí)點(diǎn)，提高了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)了自主學(xué)習(xí)能力，有進(jìn)一步推廣的價(jià)值。

關(guān)鍵詞 "任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法；工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G712 " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）11-0095-04

0 "引言

當(dāng)前，數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，制造業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型是大勢(shì)所趨。信息物理系統(tǒng)（CPS）技術(shù)無(wú)論是在工業(yè)4.0還是在中國(guó)制造2025中都發(fā)揮著舉足輕重的作用，其核心內(nèi)容是工業(yè)通信，將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。提升學(xué)生工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程實(shí)踐應(yīng)用能力，培養(yǎng)高素質(zhì)工業(yè)通信人才是教學(xué)的任務(wù)。目前，大部分高職院校的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程缺少相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)，致使相關(guān)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生無(wú)法直接勝任工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、研發(fā)、實(shí)施、維護(hù)等工作。已有很多學(xué)者和教師對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程的教學(xué)改革進(jìn)行研究[1-4]，提出新的教學(xué)方法，但缺少具體實(shí)踐。本文從實(shí)踐出發(fā)，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)、以學(xué)習(xí)情境為載體、以實(shí)施過(guò)程為體現(xiàn)、以結(jié)果為評(píng)價(jià)，探討工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程教學(xué)改革與實(shí)踐，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技能具有非常重要的意義。

1 "采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的必要性

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是一門(mén)綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐性課程，學(xué)生不僅要掌握工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)，而且要掌握工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、系統(tǒng)安裝和調(diào)試等實(shí)際操作技能。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)

法[5-6]是“以任務(wù)為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”，將學(xué)生要掌握的知識(shí)點(diǎn)隱藏在任務(wù)中，通過(guò)創(chuàng)建教學(xué)情境激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在完成任務(wù)的過(guò)程中掌握知識(shí)和提高技能。

該課程的主要內(nèi)容是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向。目前，國(guó)際上有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，但沒(méi)有任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線能覆蓋所有的應(yīng)用。由于課時(shí)及實(shí)訓(xùn)條件的限制，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的使用情況及未來(lái)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)訓(xùn)條件，選擇使用廣泛的Modbus、Profibus和Profinet作為實(shí)踐任務(wù)，在完成任務(wù)的過(guò)程中，學(xué)生由過(guò)去被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在主動(dòng)尋求知識(shí)，不斷獲得成就感，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)自信，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情和興趣，進(jìn)而對(duì)其他現(xiàn)場(chǎng)總線達(dá)到融會(huì)貫通、觸類(lèi)旁通的效果。使用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法進(jìn)行實(shí)踐性較強(qiáng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程教學(xué)是非常合適的，也是非常必要的。

2 "任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的設(shè)計(jì)

如何在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程中靈活運(yùn)用這種教學(xué)方法開(kāi)展教學(xué)、進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，是教師面臨的問(wèn)題。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法一般可分為下面四個(gè)步驟。

2.1 "創(chuàng)設(shè)情境

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程教學(xué)要認(rèn)真分析課程特點(diǎn)，從硬件、網(wǎng)絡(luò)、組態(tài)、軟件、通信等方面，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)那榫呈箤W(xué)生在這種情境中探索實(shí)踐，加深對(duì)問(wèn)題的理解。設(shè)計(jì)一個(gè)能讓學(xué)生積極主動(dòng)去完成任務(wù)的情境是任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的重要環(huán)節(jié)，該情境既要與當(dāng)前學(xué)習(xí)主題相關(guān)，又要有真實(shí)的應(yīng)用環(huán)境。

2.2 "設(shè)計(jì)任務(wù)

在任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法中，提出有利于學(xué)生掌握技能、獲取知識(shí)的有意義的任務(wù)是關(guān)鍵，需針對(duì)課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)任務(wù)，將知識(shí)點(diǎn)、能力培養(yǎng)蘊(yùn)含在任務(wù)中，讓學(xué)生在完成任務(wù)過(guò)程中動(dòng)腦、動(dòng)手、動(dòng)口、動(dòng)眼，凸顯一種主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的過(guò)程，在主動(dòng)、互動(dòng)、活動(dòng)的動(dòng)態(tài)教學(xué)過(guò)程中讓學(xué)生掌握知識(shí)、訓(xùn)練技能、提高探索和創(chuàng)新能力，從而提升教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)教學(xué)效果。設(shè)計(jì)任務(wù)需要遵循以下幾個(gè)原則。

1）有實(shí)際的應(yīng)用。設(shè)計(jì)的任務(wù)有實(shí)際應(yīng)用的情境，不是虛構(gòu)的，這樣才能激發(fā)學(xué)生的求知欲。

2）有明確的目標(biāo)。在課程總體目標(biāo)框架上，把總目標(biāo)細(xì)分成一個(gè)個(gè)小目標(biāo)，并把每一個(gè)學(xué)習(xí)模塊的內(nèi)容細(xì)化為一個(gè)個(gè)容易掌握的任務(wù)，通過(guò)這些小任務(wù)來(lái)體現(xiàn)總的學(xué)習(xí)目標(biāo)。根據(jù)崗位工作能力的要求，既要與書(shū)本知識(shí)緊密結(jié)合，又要突出技能培養(yǎng)，讓學(xué)生通過(guò)完成任務(wù)實(shí)現(xiàn)能力目標(biāo)和知識(shí)目標(biāo)。

3）任務(wù)難易適中。根據(jù)難易程度以及學(xué)生的接受能力設(shè)計(jì)任務(wù)，確定合適的學(xué)時(shí)，讓學(xué)生在綜合應(yīng)用已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上能解決問(wèn)題，突出主體性，增強(qiáng)成就感。

4）以學(xué)生為中心。設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)應(yīng)體現(xiàn)以“學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)”的教學(xué)策略。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師在教學(xué)中起組織、引導(dǎo)、促進(jìn)、控制作用，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性。學(xué)生是知識(shí)建構(gòu)過(guò)程的積極參與者，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生的知識(shí)、思維、技能和情感得到鍛煉與熏陶，培養(yǎng)合作精神和創(chuàng)新精神。

5）可操作性要強(qiáng)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，教師在設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)要考慮它的可操作性，設(shè)計(jì)的任務(wù)應(yīng)是具體的，學(xué)生按任務(wù)的要求通過(guò)實(shí)訓(xùn)設(shè)備操作才能完成任務(wù)，得出結(jié)果。只有讓學(xué)生親自動(dòng)手操作、動(dòng)手實(shí)踐，才能增強(qiáng)教學(xué)效果。

在內(nèi)容選取上，以實(shí)訓(xùn)設(shè)備為依托，以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、通信、現(xiàn)場(chǎng)總線、控制等技術(shù)為核心，將相關(guān)技術(shù)知識(shí)融入五個(gè)任務(wù)中，每個(gè)任務(wù)分為若干個(gè)子任務(wù)，讓學(xué)生在完成任務(wù)過(guò)程中能夠?qū)⒗碚撝R(shí)和技能操作融合在一起，學(xué)習(xí)和掌握每一環(huán)節(jié)的基本知識(shí)與了解必須具備的能力，有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立工作能力、想象力、創(chuàng)造力及與人合作溝通的能力，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。根據(jù)以上原則設(shè)計(jì)的五個(gè)任務(wù)見(jiàn)表1。

學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程基本理論如數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)、訪問(wèn)控制技術(shù)等的基礎(chǔ)上，能理解Profibus、Modbus和EtherCat、Profinet等主流的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議即達(dá)到預(yù)期的知識(shí)目標(biāo)。學(xué)生通過(guò)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)備上完成表1內(nèi)的任務(wù)，掌握工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、編程、調(diào)試的操作技能，即達(dá)到預(yù)期的能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。

2.3 "自主探索，協(xié)作學(xué)習(xí)

在任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法中，教師不直接告知學(xué)生如何解決問(wèn)題，而是向?qū)W生提供解決此問(wèn)題的一般思路，如需要哪些技術(shù)資料、從何處獲取、怎樣分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的步驟等，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。針對(duì)不同基礎(chǔ)的學(xué)生，提供差異性指導(dǎo)，如介紹與任務(wù)完成有關(guān)的技術(shù)資料，講解如何利用現(xiàn)有資料，提供完成任務(wù)的基本框架，通過(guò)提問(wèn)、觀察、交談等方式引導(dǎo)學(xué)生對(duì)解決問(wèn)題的方法進(jìn)行探索學(xué)習(xí)。

鼓勵(lì)學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)，讓學(xué)生分成小組完成任務(wù)，學(xué)生之間討論和交流，每位學(xué)生要向組長(zhǎng)匯報(bào)自己獲得的資料、完成任務(wù)的思路等，每位學(xué)生的思維成果在小組共享。學(xué)生通過(guò)協(xié)作學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)表達(dá)自己的觀點(diǎn)，聆聽(tīng)他人的意見(jiàn)，學(xué)習(xí)他人的優(yōu)點(diǎn)，在交流過(guò)程中互相啟發(fā)，產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí)。通過(guò)小組不同成員的補(bǔ)充、修正以及不同觀點(diǎn)的碰撞，讓學(xué)生加深對(duì)疑難問(wèn)題的理解，鞏固已學(xué)知識(shí)，掌握解決問(wèn)題的方法，加深對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的認(rèn)知。同時(shí)，教師從學(xué)生的一些創(chuàng)意中得到啟發(fā)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)。

3 "任務(wù)的實(shí)施過(guò)程

以任務(wù)1為例探討實(shí)施過(guò)程。

3.1 "布置任務(wù)

3.1.1 "任務(wù) "任務(wù)是Profibus網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)構(gòu)建與運(yùn)行。

3.1.2 "學(xué)習(xí)情境 "學(xué)習(xí)情境是室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)。

3.1.3 "子任務(wù) "子任務(wù)是一主站與二從站的Profibus控制系統(tǒng)構(gòu)建與運(yùn)行。

3.1.4 "任務(wù)描述 "創(chuàng)建一個(gè)Profibus網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，包括一個(gè)主站、二個(gè)從站，設(shè)備有S7-1215PLC及通信模塊CM1243、S7-1511PLC及通信模塊CM1542，以及AI擴(kuò)展模塊、G120變頻器、電動(dòng)機(jī)、溫度變送器、按鈕、指示燈等。要求實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度顯示及控制，當(dāng)溫度值≥30 ℃時(shí)，PLC通過(guò)變頻器控制電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行；當(dāng)溫度值≤26 ℃時(shí)，PLC通過(guò)變頻器控制電動(dòng)機(jī)中速運(yùn)行；當(dāng)溫度值≤24 ℃時(shí)，PLC通過(guò)變頻器控制電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行。

3.2 "任務(wù)分析

下發(fā)任務(wù)后，先讓學(xué)生分組自由討論，根據(jù)給定設(shè)備，按任務(wù)要求分析是否滿足組網(wǎng)條件。提出的問(wèn)題包括：哪些設(shè)備做主站；哪些設(shè)備做從站；主站如何讀取從站的數(shù)據(jù)；如何控制從站（修改從站數(shù)據(jù)）；溫度變送器的數(shù)據(jù)如何變化；按鈕、指示燈如何接入PLC；等等。提出問(wèn)題后，教師進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)和啟發(fā)，由學(xué)生在組內(nèi)討論解決方案。

3.3 "分組實(shí)踐

任務(wù)分析后，學(xué)生對(duì)任務(wù)的要求有了進(jìn)一步的理解，有了解決問(wèn)題的方案，可以開(kāi)始動(dòng)手完成任務(wù)，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(gòu)建室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，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(shù)字量輸入接口連接按鈕，數(shù)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(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

3.4 "實(shí)施步驟

1）設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，打開(kāi)博圖軟件組態(tài)主站，選擇S7-1215，添加主站的Profibus接口模塊，創(chuàng)建Profibus網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置DP主站和Profibus地址。

2）組態(tài)從站1，選擇S7-1511，添加從站的Profibus接口模塊，選擇主站創(chuàng)建的Profibus網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置DP從站和Profibus地址，設(shè)置主站與從站1的通信傳輸區(qū)域。

3）組態(tài)從站2，選擇變頻器，添加Profibus DP→驅(qū)動(dòng)器→SINAMICS→G120-CU240-2DP，設(shè)置DP從站和Profibus地址，選擇變頻器的PZD-2/2報(bào)文，設(shè)置主站與從站2的通信傳輸區(qū)域。

4）軟件編程，編寫(xiě)主站與從站1和從站2的數(shù)據(jù)通信程序，主站讀取從站1的溫度變送器的數(shù)據(jù)，主站通過(guò)從站2控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的程序。

5）系統(tǒng)調(diào)試，按啟動(dòng)按鈕，改變溫度數(shù)據(jù)，觀察電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

在實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生主動(dòng)尋找解決問(wèn)題的方法，教師引導(dǎo)解決問(wèn)題。

4 "效果評(píng)價(jià)

完成任務(wù)后還必須對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要包括兩方面：一是對(duì)學(xué)生完成任務(wù)的過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)；二是對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及協(xié)作學(xué)習(xí)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。一個(gè)任務(wù)完成了，教師的有效評(píng)價(jià)能對(duì)學(xué)生產(chǎn)生正向和激勵(lì)作用，學(xué)生會(huì)獲得滿足感、成就感，從而激發(fā)求知欲望。對(duì)學(xué)生能力的充分肯定，學(xué)生能體驗(yàn)到成功的快樂(lè)，激發(fā)自主學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)習(xí)效率和興趣。

本文基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法設(shè)計(jì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過(guò)程，并以“一主站與二從站的Profibus控制系統(tǒng)構(gòu)建與運(yùn)行”任務(wù)為例，詳細(xì)介紹在教學(xué)過(guò)程中采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的實(shí)施過(guò)程。在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)氣氛異常活躍，取得很好的教學(xué)效果。學(xué)生在完成任務(wù)的過(guò)程中掌握了課程知識(shí)點(diǎn)，提升了實(shí)踐操作能力，提高了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，激發(fā)了對(duì)該課程的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)了獨(dú)立自主的創(chuàng)新能力。因此，該模式值得大力推廣應(yīng)用。

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