混合式教學模式在電氣控制技術及PLC課程教學中的應用實踐探究

楊鴻　張寧寧　汪新巧

關鍵詞：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勢和劣勢都比較明顯，要取長補短，發揮線上和線下教學各自的優勢，線上和線下混合式教學模式應運而生。線上教學的優勢：不受時空的約束，學生可以隨時隨地學習相關知識，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，但是缺乏線下的真實體驗。線下教學的優點彌補線上教學的缺點。針對以上優勢和缺點，發揮優勢，摒棄缺點，以學生為中心，結合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及PLC課程教學中的應用實踐。

1 教學現狀

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，電氣控制技術及PLC 教學仍然離不開“教師教，學生學”模式，沒有發揮學生的主觀能動性。傳統的電氣控制技術及PLC課程，通常用標準化規劃教材、統一的授課方式、統一的教學媒體，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，滯后于技術的發展。在新技術的高速發展的今天，教師對新技術的吸收，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，與社會和產業需求脫節。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，學到的知識是碎片化，是一個個知識的孤島，這與社會和產業的知識的融會貫通還有一段的距離。

3） 工程設計能力培養不足，偏離工程師培養規律。由于大部分教師沒有實際的工程經驗，工程設計能力不足，導致教學過程當中，容易重知識點，輕工程思維能力的培養。

4） 實踐教學缺少工程項目的環節。目前，大部分高校出于學生的人身安全和設備安全考慮，廣泛使用試驗臺，成品模塊化實驗設備的模式，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） 教學內容設置合理性欠缺，理論聯系實際不強。教學內容結合生產現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） 產教融合程度低，典型企業案例缺乏。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。大部分校企合作僅僅流于形式，增加學生的實習經歷，企業擔心培養出來的人才外流，所以學生參與工程項目的開發及核心技術研發的機會極低。

2 混合式教學設計

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，發揮學生的主觀能動性，集思廣益，共同協作解決問題。充分利用網上的優質資源（如MOOC） ，取長補短，豐富教學內容。線下課堂教學著重關注重點和難點，為學生的工程實踐提供時間保障。充分發揮線上和線下的各自優勢。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，以培養學生的能力為目標，以學習的成果為導向，以結果驅動教學[2]。根據本門課程教學大綱，確定學生的學習目標，采取恰當的教學措施，進行適當的評價方法，不斷持續改進，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、授課內容設計和項目實施分析。學情分析是基礎，授課內容設計是重點，項目實施分析是關鍵。

1） 學情分析

學生學習了電路、電機及拖動技術，傳感器及檢測技術，自動控制原理等先修課程。通過電氣控制技術及PLC課前線上的學習，學生會電氣控制技術與PLC的原理和相關知識，但是知識碎片化，不能構成體系，不能結合現場實際靈活運用，缺乏工程思維的訓練等障礙。基于學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，理論聯系實際，解決工業生產中的實際問題，培養學生的工程設計能力，鍛煉學生PLC程序設計的思路，訓練學生的工程思維，激發學生探究電氣控制技術及PLC學習的內生驅動力。

2） 教學內容分析

電氣控制技術及PLC是自動化專業的一門核心專業必修課；該課程分為電氣控制技術部分和PLC技術部分，電氣控制技術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控制等8個模塊組成。PLC技術部分由PLC的系統配置與接口、基本指令、程序設計等10個模塊組成。電氣控制技術是PLC的基礎，只有學懂弄通電氣控制技術，PLC技術部分才能言之有物，否則，PLC技術部分是霧里看花。PLC技術是本課程的核心，是信息化技術重要組成部分。課程思政內容（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，養成良好的職業道德和職業素養，培養學生自學能力和團隊協作能力。知識層面：闡明常用電氣控制的原理；依據三相異步電動機的起動、調速、制動的機械特性，選擇相應的控制方法；依據各種控制方法，設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，開發出典型的PLC程序。技能層面：依據電氣圖紙，完成電氣元件的選型；具備依據電氣原理圖，能夠分析現場故障，解決現場實際問題的能力；根據不同的工藝，具有相應的PLC編程能力，滿足工藝要求。以知識、能力、素養為基礎，貫穿于基礎理論學習、工程技術應用、行業案例拓展，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和關鍵領域創新能力。如圖3所示為三縱三橫線上線下混合式學習目標。

4） 項目式教學設計

項目式學習（Project-based Learning） 打破了傳統教學模式在時間、空間、單一個體上的三維限制，有助于鍛煉大學生的思維創新能力，團隊合作能力和領導計劃能力以及項目執行解決能力；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，如何引導學生結合工程項目案例，運用所學知識，分階段完成相關內容；以問題牽引學習，充分調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性意見。項目式教學設計的關鍵點在于工程項目的題目設計，這樣才能綱舉目張。題目需要涉及電氣控制技術及PLC的主要內容，同時離不開生產現場工藝的要求。工藝的設計不能孤立、片面地存在，要有整體思維、聯系和發展的思維，這樣既培養學生有全局觀，又有聯系和發展的觀念。本文以鋼鐵生產流程項目為例（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，如煉鐵組內有球團單元、燒結單元、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。教師根據學情進行分組和確定題目內容劃分的粗細程度，成績好的同學可以挑戰單個項目的題目。從工程項目實際出發，結合教學內容，將進行項目式教學設計。

5） 混合式教學資源利用與開發

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的20個綜合類和專業類高等教育公共在線課程平臺，分批次接入優質在線課程，提供一站式搜索與智能推薦全網好課服務。是全球規模最大、門類最全、用戶最多的高等教育平臺。首次上線的是在52000多門優質課程中優中選優，選出2萬門課程，覆蓋13個學科門類、92個專業類，讓所有的高校師生和社會學習者可以走進大學網上課堂[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→工程應用，從基礎到復雜，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、目標參數控制方法、PID控制、魯棒控制等）和要實現的實踐任務（如：在誤差允許范圍內，實現高爐溫度控制要求）。學生了解學習目標之后，復習前續課程自動控制原理關于PID的相關知識，通過高等教育公共在線課程平臺相關精選課程和教師在雨課堂上發布的相關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”中加強理論聯系實踐的能力。理實一體化是通過創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，從而實現理論知識傳授和實踐技能操作的統一。理實一體化教學中的“理論”和“實踐”具有教育學和技術學的雙重規定，“一體化”體現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完成課前未完成的任務。每組學生可以通過討論進行設計和實踐，在實踐中，不斷發現問題，解決問題，培養學生解決工程項目的能力（PID參數的優化）。在解決工程項目的過程中，根據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：學生通過本節課的知識的學習，整理、總結相關成果，采用自主探究、線上討論形式，優化項目實現的方式和方法，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程度及其對學生成長發展產生的影響[6]。教學評價與反饋的數據來源是多樣化的，既可以來自課程設置的各個考核環節、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]。

電氣控制技術及PLC課程的教學評價主要包括教學內容的考核和效果的評價。對教學內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分布，成績分布產生的原因；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、日常表現和能力評估的科學性；分析教學實施環節工作中存在的不足，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及PLC課程教學中的應用實踐探究的考核內容如表1所示，從表1可知：教學內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；線下評價通過專題討論、方案匯報、工程案例以及成果產出等進行多維度評價。

3 結束語

本研究結合本地區應用型本科自動化專業的具體學情，混合式教學模式在電氣控制技術及PLC課程教學中的應用實踐改革以后，學生的學習內驅動力增強。將部分基礎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涵，拓寬了知識的深度和廣度。夯實基礎，提高綜合能力，培養工程素養，使課堂離企業的現場更近，更貼近生產實際。經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及PLC程序開發與調試的實際工程能力有較大提高，調研最近一屆畢業生，反饋課堂與現場實際相似，具有一定的推廣示范作用。