工程教育專業認證背景下可編程序控制器課程改革探索

劉忠超，范靈燕，蓋曉華，張洗玉

（1 南陽理工學院 智能制造學院，473004，河南南陽；2 廣西科技師范學院 數學與計算機科學學院，546199，廣西來賓）

我國2006 年開始實施國際實質等效的工程教育專業認證制度，目前已經成為《華盛頓協議》的正式成員國，工程教育認證質量得到了國際的認可[1]。工程教育認證，促進了專業建設和發展，激發了相關課程的教學改革，提升了人才培養質量。

可編程序控制器課程是南陽理工學院自動化專業平臺必修課。該課程是學生今后從事控制系統工程、自動化等領域工作必須掌握的一門重要的專業應用技術課程，其內容是自動化多種技術的綜合應用，集傳統繼電器控制技術、現代PLC 控制技術為一體[2]。該課程理論和實踐結合非常緊密，經過課程組多年的建設和課程改革，2019 年該課程被認定為河南省首批線下一流本科課程，也是南陽理工學院校級一流課程建設項目[3]。

可編程序控制器課程傳統教學模式重理論輕實踐，以“教”為中心，學生的學習脫離工程實際應用，遇到實際工程項目問題時無法解決。針對傳統課程教學存在的問題，以南陽理工學院自動化專業工程教育認證為契機，為了更好地發揮可編程序控制器課程在人才培養體系中的作用，適應應用型人才培養目標需求[4]，本文探索構建了以學生為中心，項目引領、任務驅動、理實一體的課程教學模式，為課程目標的較好實現奠定基礎。

1 可編程序控制器課程傳統教學模式分析

根據工程教育認證的OBE 理念，課程教學內容要圍繞著課程目標，課程的教學組織和質量評價圍繞著課程目標達成而開展實施[5]。可編程序控制器課程傳統的教學模式主要存在以下幾方面問題。

（1）可編程序控制器課程與實際結合緊密，但教學內容偏向理論，離應用還有一定的距離。大部分教師實踐經驗不足，導致在講授該課程時采用傳統的按照知識遞進、章節式的方式來進行理論知識的組織與傳授。雖然保證了該課程知識的完整性、系統性和學生的可接受性，但是該課程的性質是提高學生的動手能力，學生雖然掌握了一定的理論知識，但是如何在實際生產生活中應用則掌握得較弱。

（2）可編程序控制器課程舊版教學大綱中所制定的教學目標基于傳統知識的掌握度和完整性，體現不了學生能力的達成，也不能完全支撐該課程所對應的畢業要求。傳統的教學內容不能完全有效支撐工程教育專業認證背景下該課程的教學目標。

（3）可編程序控制器課程傳統的課堂教學以教師為中心，學生圍繞教師的教學進度轉，課堂上以教師理論知識灌輸為主，學生主動性較差，只是作為知識的被動接受者，缺乏對教學活動的深度參與，造成課堂出現學生玩手機、抬頭率低、課堂注意力不集中的現象，使學生的學習停留在知識認知的表面層次，影響了課程的學習效果，未能實現以學生為中心的工程教育認證理念，對學生能力達成的作用較弱。

2 可編程序控制器課程目標

根據“反向設計、正向實施”的工程教育專業認證思想，首先根據南陽理工學院自動化專業的2021 版人才培養方案，緊扣“以學生為中心、以產出為導向、持續改進”的理念，立足專業課程體系，根據專業的畢業要求及課程與畢業要求的對應矩陣，去設計可編程序控制器課程目標[6]。本課程所對應的畢業要求是工程知識、設計/開發解決方案和工程與社會，該課程的教學目標，應與學生畢業要求能力達成形成支撐。2021 版新修訂的可編程序控制器課程大綱將課程目標細化為3 個：課程目標1 是了解PLC 技術發展歷程、掌握常用低壓電器的使用、PLC 系統的構成、工作原理及編程方法，并能夠將上述理論、方法用于自動化工程中的PLC 系統解決方案的比較與綜合；課程目標2 是能夠分析控制系統技術需求，設計系統的軟硬件方案，掌握PLC 的程序設計及仿真和調試方法，并能在設計中體現創新意識；課程目標3 是通過課程學習，了解相應的標準和行業規范，在控制系統設計中規范使用電氣元件的圖形符號和文字，遵守統一的國家標準、行業標準及相關的法律、法規等。3 個課程目標既包含了知識目標，又涵蓋了工程實踐能力目標，課程目標對畢業要求的支撐說明如表1 所示。

表1 課程目標對畢業要求的支撐關系

同時，為了實現全方位育人的培養目標，新修訂的該課程大綱還制定了課程的德育目標，其德育目標是理解“中國制造2025”和“工業4.0”的內涵，能夠正確認識可編程序控制器在工業生產和其他生產領域中的重要作用，提高學生對專業學習的興趣，將思政元素融入專業課堂教學，養成正確的學習態度，激發學生勇于創新、科技報國的家國情懷和使命擔當。培養學生具有主動參與、積極進取、崇尚科學、探究科學的學習態度和思想意識，養成理論聯系實際、科學嚴謹、認真細致、實事求是的科學態度和職業道德。

3 可編程序控制器課程教學改革

3.1 對照課程目標，優化教學內容

可編程序控制器課程作為南陽理工學院自動化專業核心課程，在有限的48 學時中，如何讓學生構建可編程序控制器的知識體系，并獲得相應的工程實踐能力，對該課程的教學內容組織提出了較高的要求。

可編程序控制器課程教學團隊針對該門課程的教學目標和過往實際教學中存在的問題，打破傳統的循序漸進式章節教學內容組織方式，優選精簡典型工程項目案例設計教學項目，設計了12 個工程教學項目和相應的項目設計任務，項目按照學生認知和接受規律，科學合理地覆蓋了課程教學內容，通過實際工程項目，實現了知識學習與實際工程的接軌，提高了學生解決復雜工程問題的能力。每個教學項目均有一定的教學目標任務，工程教學項目及項目訓練任務如下。

（1）三相異步電動機星-三角降壓啟動控制：①了解接觸器、時間繼電器等低壓電器元件結構、工作原理及使用方法；②掌握異步電動機星-三角降壓啟動控制電路的工作原理及接線方法；③熟悉控制電路的故障分析與排除方法。

（2）查閱資料，調研PLC 市場及應用現狀：①了解PLC 的應用及最新的技術發展，充分認識精益求精的品質精神和不斷推動產品升級換代的創新精神；②了解我國PLC 的相關企業及主流產品，通過與歐美日等國家先進的可編程控制器技術比較，培養以“技”報國的社會責任感和愛國主義精神；③了解社會對PLC 編程、PLC 調試等PLC 工程師崗位的要求，了解職業規劃。

（3）S7-1500 的硬件配置、安裝與接線：①認識S7-1500 PLC 的相關硬件模塊；②學會對S7-1500 PLC 系統進行基本的配置；③學會安裝和拆卸S7-1500 PLC 相關模塊。

（4）電機啟保停項目的建立、程序下載與調試：①學會西門子TIA Portal 軟件的安裝、配置和卸載；②熟練掌握西門子TIA Portal 軟件的基本操作；③掌握項目建立的方法與步驟；④熟練掌握程序的下載與調試方法。

（5）振蕩電路的設計：①熟練掌握西門子TIA Portal軟件的基本操作；②掌握項目的建立方法與步驟；③熟悉TIA 軟件的基本使用方法，學會運用一些基本指令進行編程；④熟練掌握S7-1500 定時器指令的使用方法。

（6）計數器指令綜合應用：①熟練掌握西門子TIA Portal 軟件的基本操作；②掌握項目的建立方法與步驟；③熟練掌握S7-1500 計數器指令的類型及使用方法；④訓練合理應用計數器指令實現相應控制功能的能力。

（7）多功能流水燈控制系統設計：①熟練掌握西門子TIA Portal 軟件的基本操作；②掌握項目的建立方法與步驟；③熟練掌握S7-1500 基本指令的使用方法；④具有應用S7-1500 指令實現相應控制功能的能力。

（8）多級分頻器系統設計：①熟練掌握西門子TIA Portal 軟件的操作；②學會S7-1500 的結構化程序設計；③熟練掌握S7-1500 函數的使用方法；④具有綜合應用S7-1500 指令完成控制任務的能力。

（9）加熱爐溫度模擬量控制系統設計：①熟悉模擬量信號與數字量信號的區別；②掌握S7-1500 PLC 模擬量模塊的接線和參數設置；③熟練掌握S7-1500 PLC 模擬量處理技術；④掌握PID 控制、組態和調試的要點。

（10）恒壓供水控制系統設計：①熟悉模擬量信號與數字量信號的區別；②掌握S7-1500 PLC 模擬量模塊的接線和參數設置；③熟練掌握S7-1500 PLC 模擬量處理技術；④掌握PID 控制、組態和調試的要點；⑤掌握變頻器的使用方法。

（11）十字路口交通燈控制人機界面設計：①掌握西門子觸摸屏的接線和參數設置；②熟練掌握HMI 的畫面組態設計方法；③掌握觸摸屏與PLC 之間通信和調試的方法；④熟悉西門子PLC 編程軟件及觸摸屏的使用，能夠熟練運用PLC 編程軟件編寫一些簡單程序并用觸摸屏控制。

（12）物流線倉庫庫存控制系統設計：①了解PLC控制系統典型的應用設計；②熟練掌握HMI 的組態設計方法；③掌握PLC 與觸摸屏聯合實現人機交互現場控制的設計方法；④掌握系統的調試和診斷方法，能夠解決控制系統設計中的問題。

3.2 以學生為中心，理實一體實施教學

工程教育專業認證要求以學生為中心，因此可編程序控制器課程在教學項目實施前明確項目設計任務和目標，摒棄傳統“滿堂灌”的課堂教學模式，基于“任務驅動+翻轉課堂”，以學生為中心，引導學生積極主動去深度參與課堂教學活動[7]。理論知識學習與實踐動手相互融合，同步進行，互相滲透，教師和學生實時溝通交流，實時解決問題，打破了教師和學生的界限，避免了課堂教師純粹的理論講解而使學生出現聽覺疲勞的現象，真正做到了做中學、學中思、思中升，提高了學生學習的主動性和有效性。

同時，項目組內同學之間也可以互相探討、優點共學、共同進步，在項目實施完成后，讓項目小組自主匯報項目完成情況，給予學生充分的自由權，鍛煉學生的溝通能力、口頭表達能力、查閱文獻能力及團隊協作能力等，促進學生的主觀能動性和學習自主性的發揮，使課堂真正成為學生受益的“沃土”。

通過實施理實一體化課程教學改革，改變傳統課堂以教師為中心、知識傳授為本的教學模式，真正激發學生內在的對知識的探尋動力，實現貫徹OBE 教學理念，以學生為中心、能力和素質提升為本的教學模式。

3.3 以賽引領，提升動手創新能力

為了激發學生的學習興趣，提升學生的創新和工程實踐動手能力，學院每年舉辦全體學生參與的“PLC控制系統設計”專業技能大賽，并開放PLC 實驗室，讓學生在課余時間充分利用實驗室資源，在動手實踐中提高課程學習的自主性和興趣，鍛煉創新能力。

同時，以“西門子杯”中國智能制造挑戰賽為引領，通過競賽激勵學生積極參與，進一步提高學生的實踐動手能力和創新能力。近年來，學院自動化專業學生參加了中國智能制造挑戰賽的相關賽項，取得了較好的成績。

通過圍繞可編程序控制器課程的專業技能競賽和中國智能制造挑戰賽，以賽促教、以賽促學、以賽促練，獲得了較好的教學效果[8]。

3.4 持續改進，完善課程評價方法

工程教育專業認證要求建立較好的課程質量評價和持續改進機制。針對可編程序控制器課程，形成了“評價-反饋-持續改進”的閉環教學改進流程[9]，課程采用定性和定量評價相結合的方式。定性評價主要依據學生達成度問卷調查來實施，根據畢業要求指標點和課程目標設計問卷，問卷主要反映的是學生自我達成情況的主觀反饋，不計入學生達成度，僅僅作為持續改進的參考[10]。

定量評價主要依據課程目標的達成度，傳統的可編程序控制器課程教學評價主要以期末考試成績為主，主要考查學生理論知識的掌握達成情況，未能對學生的動手和解決問題的能力進行考核。因此，改革后的可編程序控制器課程評價注重過程性考核，基于平時作業、項目考核和期末考試成績來進行。本課程的綜合成績評定由平時作業成績（20%）、項目考核成績（40%）和期末考試成績（40%）構成，這種多元化的考核方式能夠實現對課程目標的全面考核，重視了學生的學習過程，能夠充分反映學生的學習效果，為課程目標的達成評價奠定基礎[11]。各考核方式與課程目標的對應關系如表2 所示，同時對每個課程目標的不同考核方式，制定了易操作、好評價的考核內容和評價標準。

表2 各種考核方式對課程目標的對應關系

通過建立持續改進的評價機制，提高該門課程的教學效果和質量，有效地保障本課程對所支撐的畢業要求觀測點的達成。

4 結語

（1）基于工程教育專業認證理念，結合南陽理工學院自動化專業特色，對可編程序控制器課程進行有效改革，針對課程支撐的畢業要求，設置課程目標，優化課程教學內容，建立課程評價和持續改進機制。

（2）理實一體的課程教學體現了以學生為中心的教學理念，提高了學生學習的積極性和效果，較好地培養了學生的動手能力、創新能力、綜合思維能力和工程應用能力。

（3）改革傳統可編程序控制器課程考核方式，采用“項目過程+結果”的考核方式能夠更加科學地對學生學習情況進行評價。實現了專業知識、工程能力和素質的綜合提升，取得了良好的教學效果。

（4）可編程序控制器課程通過一系列課程改革和建設，較好地保證了教學目標的達成，有效地支撐了南陽理工學院自動化專業學生畢業要求的達成。