“電氣控制與PLC”課程教學(xué)方法改革探索

夏文鶴 楊青 秦連升

［摘 要］ 針對工程教育專業(yè)認證和石油石化行業(yè)對自動化專業(yè)人才的需求，分析了“電氣控制與PLC”課程的特點和在實際教學(xué)中存在的問題。結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)指標(biāo)點，調(diào)整課程教學(xué)目標(biāo)與之對應(yīng)。引入在線開放課程提升授課靈活性，并豐富了師生互動的渠道。結(jié)合新的時代背景，重點進行課程資源建設(shè)，通過多種渠道大幅增加教學(xué)案例，引入項目式教學(xué)法提高學(xué)生興趣，并增加實踐教學(xué)環(huán)節(jié)強化學(xué)生實際操作能力。通過一系列的教學(xué)改革措施，切實提升教學(xué)效果，使該課程的教學(xué)模式更符合行業(yè)對自動化專業(yè)人才的培養(yǎng)要求。

［關(guān)鍵詞］ 工程教育認證；案例式教學(xué)；項目教學(xué)法；電氣控制

［基金項目］ 2021年度西南石油大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究校級重點項目“深度融合信息技術(shù)一體三翼的自動化專業(yè)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)資源建設(shè)”（XYJ2021020）

［作者簡介］ 夏文鶴（1978—），男，四川成都人，博士，西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院副教授，主要從事油氣田自動化研究；楊 青（1980—），女，河南羅山人，博士，西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院教授，主要從事自動控制領(lǐng)域的教學(xué)研究；秦連升（1986—），男，河南信陽人，博士，西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院講師，主要從事自動化相關(guān)專業(yè)課程和檢測裝置及控制系統(tǒng)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）32-0061-04 ［收稿日期］ 2022-07-15

引言

工程教育認證標(biāo)準(zhǔn)的三大核心理念是以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向的教育體系，以及持續(xù)改進的質(zhì)量觀［1］。1981年Spady率先提出產(chǎn)出導(dǎo)向教育（OBE教育理念），被教育界一致認為是追求卓越教育的正確方向，《華盛頓協(xié)議》全面接受了OBE教育理念。按照OBE教育理念，基層主體對象是學(xué)生和教師，基本元素是課程和教研室［2］。

西南石油大學(xué)自動化專業(yè)成立于1998年，專業(yè)承襲西南石油大學(xué)能源發(fā)展的優(yōu)勢和特色，并面向四川省“5+1”產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展需求，培養(yǎng)智能制造產(chǎn)業(yè)升級所需的自動化人才，2021年獲批四川省一流專業(yè)，目前形成了電氣控制和工業(yè)過程控制兩個基本專業(yè)方向，以石油化工、機器人工程、智能控制技術(shù)為專業(yè)特色的工程應(yīng)用型自動化本科專業(yè)。

在工程教育認證建設(shè)背景下，確定了西南石油大學(xué)自動化專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，要求學(xué)生掌握自動化領(lǐng)域的基本理論、基本知識和專業(yè)技能，并能在工業(yè)企業(yè)、科研院所等部門從事有關(guān)電氣控制、過程控制、自動化儀表和設(shè)備、智能監(jiān)控系統(tǒng)等方面的工程設(shè)計、系統(tǒng)運行管理與維護、企業(yè)管理與決策、科學(xué)研究和教學(xué)等工作。

一、當(dāng)前的教學(xué)狀況

“電氣控制與PLC”課程是電氣技術(shù)、自動化技術(shù)、可編程控制器技術(shù)三大技術(shù)發(fā)展的交匯點，因此在石油石化行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。各石油高校的自動化、電氣工程、測控類專業(yè)均開設(shè)電氣控制類課程，如“電氣控制與PLC”“控制電機”“可編程控制器系統(tǒng)”等，但該類課程是多種知識的綜合應(yīng)用，具有面廣點多的特點，在教學(xué)中主要存在以下問題［3］。

（一）教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容不匹配

采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法和多媒體教學(xué)，很難在短時間內(nèi)讓學(xué)生體會到電氣控制這一龐大系統(tǒng)的實質(zhì)，尤其是可編程控制器系統(tǒng)，學(xué)生往往只能是走馬觀花地了解其皮毛。

（二）教學(xué)資源老化

由于該項技術(shù)正在經(jīng)歷突飛猛進的發(fā)展，一些具有重大革新的技術(shù)也不斷地融于可編程控制器當(dāng)中，這樣就使得現(xiàn)有以傳統(tǒng)接觸器、繼電器控制系統(tǒng)為主的教材內(nèi)容與新技術(shù)的發(fā)展嚴重脫節(jié)，面向行業(yè)高校的教學(xué)資源更是鳳毛麟角。

（三）欠缺充分的實驗和實踐環(huán)節(jié)

由于學(xué)時少、內(nèi)容多，在完成正常教學(xué)內(nèi)容的前提下，該課程相關(guān)的實驗、實踐教學(xué)內(nèi)容安排相對較少，有的甚至因為實驗條件的限制，沒有實驗環(huán)節(jié)，或是以教師的演示教學(xué)為主，很難達到對學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

上述存在的問題直接影響到學(xué)生基本動手能力的培養(yǎng)，與工程教育中提到的工程能力和產(chǎn)出導(dǎo)向的理念背道而馳。隨著我國智能智造在各行業(yè)技術(shù)的大力推進，行業(yè)人才結(jié)構(gòu)的不合理和教育資源不足的問題已經(jīng)顯現(xiàn)，應(yīng)用型、技能型人才非常缺乏，尤其是能結(jié)合行業(yè)的特點構(gòu)建電氣控制系統(tǒng)的復(fù)合型人才嚴重匱乏。因此，各行業(yè)高校必須采取措施提高該行業(yè)內(nèi)自動化類專業(yè)畢業(yè)生的業(yè)務(wù)能力。故借西南石油大學(xué)自動化專業(yè)工程教育認證建設(shè)的契機，對“電氣控制與PLC”類課程的講授內(nèi)容和方法進行了一些改革嘗試。

二、教學(xué)改革的具體內(nèi)容

（一）調(diào)整教學(xué)目標(biāo)

針對工程教育和石油石化行業(yè)的培養(yǎng)要求，基于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)對“電氣控制與PLC”課程的教學(xué)目的進行了梳理，并結(jié)合多位畢業(yè)生對該課程的反饋意見，制定了明確的課程教學(xué)目標(biāo)，確定課程主要是以電動機或其他執(zhí)行電器為控制對象，讓學(xué)生掌握常用低壓電器的原理和選用原則，掌握電氣控制線路的基本規(guī)律、電氣控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計方法；掌握可編程控制器的基本指令、編程方法及其控制系統(tǒng)的設(shè)計等基本應(yīng)用技術(shù)。具體的畢業(yè)要求與課程目標(biāo)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

（二）教學(xué)方法的改革

教學(xué)方法的改革是教學(xué)改革的重點，本課程電路分析內(nèi)容占比大，在具體的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)課程的興趣和效率在進行一段時間電路分析之后會大幅下降。針對教學(xué)方法暴露出的突出問題，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)1、2、3的要求，除課堂教學(xué)外，將課程中關(guān)鍵電路的分析及編程技巧的詳細講解，采用中國大學(xué)MOOC平臺自建在線開放課程，讓學(xué)生能根據(jù)自己的實際情況靈活安排預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和鞏固的時間，切實提升學(xué)習(xí)效果，提高目標(biāo)達成度［4］。

2020年2—6月，針對每一個重點及難點內(nèi)容，課程組教師完成了授課視頻的錄制，包括22個授課視頻、30多個重點及難點講解視頻和相關(guān)知識點擴展視頻，總時長大約3 000分鐘，建立起課程在線教學(xué)授課視頻庫，并于2020年3月在中國大學(xué)MOOC平臺上線。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，制作了統(tǒng)一風(fēng)格的在線標(biāo)準(zhǔn)課件，收集了200余份與課程內(nèi)容相關(guān)的擴展閱讀資料，還建立了包含大約240道習(xí)題的在線題庫，也一并在中國大學(xué)MOOC平臺上線，形成了線上線下混合式教學(xué)，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的“以文本解讀為主”轉(zhuǎn)向了以“圖、文、聲、像”相結(jié)合。自2020年3月以來，一共開課4期，累計2 000多人次通過網(wǎng)站進行了學(xué)習(xí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，除了使用教材，也可在MOOC平臺上觀看教學(xué)視頻、完成線上作業(yè)和測驗、與教師進行互動等。這使得教材真正立體化，為學(xué)生和教師提供全方位的服務(wù)，混合式教學(xué)改革實踐為本課程教學(xué)目標(biāo)達成度的提高提供了有力的支撐。

（三）教學(xué)資源的擴充

針對教學(xué)資源老化的問題，此次教改在維持總學(xué)時48學(xué)時不變的情況下，針對教學(xué)目標(biāo)1、2、4的要求大幅增加案例式教學(xué)的學(xué)時數(shù)，共計約12學(xué)時。通過課前收集的西門子、三菱、羅克韋爾、歐姆龍、博世、貝加萊等公司在石油石化行業(yè)成熟、經(jīng)典的電氣控制與PLC系統(tǒng)資料作為教學(xué)案例。同時充分利用學(xué)校新建的西門子電氣控制實驗室、羅克韋爾遠程控制實驗室等配備的主流電氣控制與PLC設(shè)備，將高年級學(xué)生畢業(yè)設(shè)計、電子大賽的成果轉(zhuǎn)換為多套教學(xué)演示設(shè)備，用于各關(guān)鍵知識點的教學(xué)演示，將實驗室變?yōu)槭谡n教室，進行體驗式案例教學(xué)，將枯燥的理論知識和電路分析轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)的演示，大幅提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，以作業(yè)和線上討論的形式鼓勵學(xué)生通過各種渠道了解電氣控制與PLC技術(shù)在各類企業(yè)中的應(yīng)用情況，以及在智能智造領(lǐng)域中的作用，調(diào)動學(xué)生主動擴展知識面的積極性。

（四）強化實驗和實踐環(huán)節(jié)

教學(xué)目標(biāo)4是此次教改的難點，為進一步提升其達成度，本次教改嘗試將專業(yè)創(chuàng)新實踐和課程設(shè)計環(huán)節(jié)與電氣控制課程相結(jié)合。這兩個課后延伸環(huán)節(jié)均強調(diào)與工程背景的緊密接合，教改中利用項目教學(xué)法的優(yōu)勢進一步培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力。結(jié)合學(xué)校面向石油行業(yè)的學(xué)科背景［5］，在上述兩環(huán)節(jié)中選擇抽油機運行控制、煉化線工藝控制、油氣管線調(diào)配控制、機場行李傳送帶等作為設(shè)計題目，由學(xué)生根據(jù)工程實際自行設(shè)計電氣控制方案和電路、PLC程序、線路接線方案等，并在實驗裝置上進行驗證，加深其對電氣控制系統(tǒng)的理解，并提升學(xué)生對自動化系統(tǒng)的認識。這種教學(xué)方法非常適合用于“電氣控制與PLC”類課程的課后延伸環(huán)節(jié)。以煉化線工藝控制為例，說明項目教學(xué)法在電氣控制課程設(shè)計環(huán)節(jié)中的過程（見表2）。

（五）教改效果

以2021年春季學(xué)期的“電氣控制與PLC”課程為例，該學(xué)期共開設(shè)了4個平行教學(xué)班，其中兩個教學(xué)班實施了教學(xué)改革，兩個教學(xué)班為傳統(tǒng)教學(xué)方式。教改班與對照班的期末考試卷面成績對比見表3。教改班與對照班相比，優(yōu)勢比較明顯。這充分說明通過教學(xué)改革，提高了學(xué)生的參與度，學(xué)生由被動學(xué)習(xí)逐漸轉(zhuǎn)向主動學(xué)習(xí)，從而保證了知識的有效掌握，提高了教學(xué)質(zhì)量。

結(jié)語

本次教學(xué)改革根據(jù)行業(yè)高?！半姎饪刂婆cPLC”課程的特點和實際情況，結(jié)合國家工程教育的要求和石油行業(yè)的實際需求，從教學(xué)目標(biāo)、模式、教學(xué)方式方法、教學(xué)資源等方面進行了一系列改革嘗試。通過教學(xué)改革，增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。此外，工程教育理念的實施，不僅幫助學(xué)校改善了辦學(xué)環(huán)境，還切實提升了學(xué)生的就業(yè)競爭力，也提升了教師的教學(xué)水平。該計劃的實施是一項長期、艱巨的工作，需要在今后的教學(xué)實踐中進一步落實和完善培養(yǎng)方案，相信只要廣大教師多到生產(chǎn)一線去鍛煉和學(xué)習(xí)，提高自身的專業(yè)素質(zhì)，然后再由企業(yè)回到課堂，改變原有的教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容，真正落實計劃的培養(yǎng)目標(biāo)，其教學(xué)水平和效果定會有更大的提升。

參考文獻

［1］孫桓五，張琤.基于工程教育專業(yè)認證理念的地方高校工科專業(yè)建設(shè)實踐［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2017（11）：39-42+53.

［2］畢家駒.中國工程專業(yè)認證進入穩(wěn)步發(fā)展階段［J］.高教發(fā)展與評估，2009，25（1）：1-5+120.

［3］趙國勇，許云理，曲寶軍，等.面向工程教育認證的電氣控制技術(shù)與PLC課程改革［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2020（5）：57-59．

［4］岳靜，劉影，楊先鳳.工程教育認證的“數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用”混合式教學(xué)改革探索［J］.教育教學(xué)論壇，2021（6）：73-76．

［5］夏文鶴，青小渠，李杰.石油高?！肮I(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)方法改革研究［J］.石油教育，2014（2）：93-95.

Exploration on the Teaching Method Reform of Electrical Control and PLC

XIA Wen-he， YANG Qing， QIN Lian-sheng

（School of Electrical Engineering and Information， Southwest Petroleum University， Chengdu，

Sichuan 610500， China）

Abstract： According to the professional certification of engineering education and the demand for automation professionals in petroleum and petrochemical industry， the characteristics of “Electrical Control and PLC” course and the problems existing in practical teaching are analyzed. Combine the professional training objectives and graduation index points to adjust the corresponding course teaching goals. The introduction of online teaching channels improves the flexibility of online teaching， and enriches the flexibility of teachers and students， Combined with the new era background， focus on the construction of curriculum resources， greatly increase teaching cases through various channels， introduce project-based teaching method to improve students interest， increase and adjust practical teaching links， and strengthen students practical operation ability. Through a series of teaching reform measures， the teaching effect has been effectively improved， and the teaching mode of the course is more in line with the training requirements of the industry for automation professionals.

Key words： engineering education certification; case teaching; project teaching method; electric control