陳甜

[摘 要]遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員機(jī)艙部高級船員自動化課程的培訓(xùn)難點主要在自動控制部分，本文介紹了單片機(jī)和可編程邏輯控制器的區(qū)別和聯(lián)系，對兩門漁船自動化的先導(dǎo)課程進(jìn)行了比較和剖析，詳細(xì)闡述了教學(xué)過程中采用比較教學(xué)法對提高漁船船員的學(xué)習(xí)效率和技術(shù)水平方面的優(yōu)勢，并通過具體數(shù)據(jù)驗證了相關(guān)結(jié)論。

[關(guān)鍵詞]電氣自動化;單片機(jī);可編程邏輯控制器;比較教學(xué)

[中圖分類號]G641 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

前言

比較教學(xué)法是指將內(nèi)容相近的知識點經(jīng)過提取和編排，組成比較式教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)員通過比較、比照、類比等積極的比較思維，概括總結(jié)出知識點之間的異同，深刻理解所學(xué)的知識，進(jìn)而形成比較式思辨能力的教學(xué)方法。

早期的遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員輪機(jī)長或大管輪的培訓(xùn)，主要偏重?zé)峁ず蜋C(jī)械方向，電子電氣居于次要地位。單片機(jī)目前國際上比較通用的名稱是微控制器簡稱MCU，它是現(xiàn)代檢測和控制領(lǐng)域不可或缺的組件?？删幊踢壿嬁刂破鲊H簡稱PLC，它是由傳統(tǒng)接觸器、繼電器控制系統(tǒng)結(jié)合計算機(jī)技術(shù)發(fā)展而來。單片機(jī)和PLC技術(shù)實際上是船舶電氣自動化的先導(dǎo)課程，它們銜接了傳統(tǒng)模擬控制技術(shù)和新時代的數(shù)字控制技術(shù)，對海洋和漁業(yè)工程人員的知識更新起著舉足輕重的作用。2015年1月1日實行的《中華人民共和國遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員管理辦法》遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員需配備電機(jī)員。對遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員電氣自動化知識的培訓(xùn)程度越來越不容易把握，如何合理分配、銜接和掌握這兩門相互聯(lián)系的課程，一直是漁業(yè)船舶機(jī)艙部高級船員人員培訓(xùn)的難點。

1 單片機(jī)和可編程邏輯控制器的區(qū)別和聯(lián)系

《中華人民共和國遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員管理辦法》于2015年實施后，遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員知識評估體系發(fā)生了很大改變，例如《漁船輪機(jī)基礎(chǔ)》理論考核取消，減少了考核科目，但把相應(yīng)知識點分散到相應(yīng)的主干課程中，如《船舶輔機(jī)》和《主動力推進(jìn)裝置》?！洞白詣踊窂拇蠊茌喓洼啓C(jī)長起也開始納入評估范圍，它和原《船舶電氣》合并，以《船舶電氣自動化》的形式出現(xiàn)。改革之后，知識和實踐聯(lián)系更為緊密，減輕了學(xué)員盲目學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，提高了學(xué)習(xí)效率和技術(shù)水平。計算機(jī)控制技術(shù)是《船舶電氣自動化》的專業(yè)基礎(chǔ)，在對遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員的培訓(xùn)教學(xué)中，可編程邏輯控制器是以少學(xué)時的課程出現(xiàn)，但同時在《船舶電氣》課程里又以電氣控制技術(shù)的形式重復(fù)學(xué)習(xí)。兩個重復(fù)性學(xué)習(xí)的課程盡管起源不同，但它們之間又有著千絲萬縷的聯(lián)系。以下是單片機(jī)（微控制器）和PLC（可編程邏輯控制器）的異同：

單片機(jī)和PLC在實際的測控領(lǐng)域充滿著高度重疊。隨著PLC成本的降低、高速化和小型化，兩者的應(yīng)用界限逐漸變得十分模糊。單片機(jī)目前的主要優(yōu)勢在于超低功耗，PLC的主要優(yōu)勢在于抗干擾。

2 傳統(tǒng)教學(xué)模式的課程配置和管理

浙江海洋大學(xué)的海洋和漁業(yè)工程專業(yè)是專門培訓(xùn)遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員機(jī)艙部開設(shè)的航海類專業(yè)，開設(shè)課程的主體內(nèi)容主要涉及船舶和海洋工程的動力部分和電氣工程的強(qiáng)電部分。傳統(tǒng)船舶電氣自動化教學(xué)模式的課程配置，以浙江海洋大學(xué)海洋和漁業(yè)工程專業(yè)為例，單片機(jī)課程設(shè)置在第二學(xué)年的第三學(xué)期，理論和實踐學(xué)時為24+8，培訓(xùn)計劃安排必修大學(xué)物理和電工電子學(xué)課程之后;PLC課程設(shè)置在第三學(xué)年的第四學(xué)期，理論和實踐學(xué)時總和為24+8。兩門課程授課在培訓(xùn)計劃的時段和形式上相對完全獨立。兩門課程的實踐項目分別是八項和四項。實際可編程邏輯控制器的四項實驗項目和單片機(jī)課程的實踐項目相近。初級PLC的應(yīng)用，均能用單片機(jī)替代。單片機(jī)和可編程邏輯控制器是電氣自動化的核心器件，它們是連接基礎(chǔ)理論和技術(shù)應(yīng)用的紐帶，起著承上啟下的作用。兩門課的總學(xué)時量為64課時，時間跨度長，而且授課內(nèi)容相互重疊的部分很多。例如在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上單片機(jī)與可編程邏輯器件均由相應(yīng)的中央處理器、存儲器和輸入輸出接口構(gòu)成;在技術(shù)實用技術(shù)方面，單片機(jī)和PLC應(yīng)用技術(shù)均應(yīng)用于船舶機(jī)艙自動控制領(lǐng)域，但在培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的模擬機(jī)艙實踐環(huán)境下，兩者培訓(xùn)所需的實踐學(xué)習(xí)項目區(qū)別很小。

很多漁船船員由于兩門課彼此分立，授課教師又極少將兩門課作比較學(xué)習(xí)，而兩種用作數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制的技術(shù)的很多應(yīng)用領(lǐng)域重疊，導(dǎo)致即便是經(jīng)過重復(fù)學(xué)習(xí)，依然不能分清兩者的區(qū)別和聯(lián)系。很多學(xué)員分甚至分不清弱電和強(qiáng)電系統(tǒng)分別會優(yōu)先采用哪一種控制器。另一方面，因為缺乏比較對比，船員的實際應(yīng)用會出現(xiàn)明顯混淆。例如，兩種控制器的運行方式和輸入輸出模式：單片機(jī)為逐行運行，逐行輸出;PLC為集中掃描，集中輸出。若孤立講授PLC集中掃描和輸出的運行方式，缺乏比較舉例，大多數(shù)學(xué)員不容易理解。

3 比較教學(xué)法的應(yīng)用

3.1 比較教學(xué)的組織架構(gòu)

單片機(jī)（微控制器）和PLC（可編程邏輯控制器）在應(yīng)用過程中雖然同為自動控制系統(tǒng)單元，但長期作為兩門課程獨立教學(xué)，必然有其歷史的客觀的必要性。傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式往往是多年經(jīng)驗累積的結(jié)果，教學(xué)計劃相對成熟和嚴(yán)密，貿(mào)然采用不成熟的教學(xué)改革方案，易給學(xué)員的專業(yè)實習(xí)帶來嚴(yán)重的不良影響。新的教學(xué)改革方案必須要經(jīng)過嚴(yán)格的科學(xué)論證之后，才能付諸實施。作者在擔(dān)任浙江海洋大學(xué)遠(yuǎn)洋船舶機(jī)艙部培訓(xùn)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程和《PLC技術(shù)》課程的任課教師期間，只是建議將相應(yīng)培訓(xùn)計劃中原本并行的兩門少學(xué)時的課程分別安排在同一學(xué)期的前4周和后4周。在完成教學(xué)大綱基本要求的理論和實踐教學(xué)后，更注重將基礎(chǔ)理論應(yīng)用于實際機(jī)艙環(huán)境的能力。所有時間項目都與當(dāng)前自動化機(jī)艙各種前沿技術(shù)密切相關(guān)，并且重視將單片機(jī)技術(shù)和PLC技術(shù)可以重疊的應(yīng)用實例作比較學(xué)習(xí)。

實踐項目的控制系統(tǒng)方案可以用單片機(jī)或PLC迭代實現(xiàn)。實踐項目的冗余設(shè)置，一方面可以強(qiáng)化兩者在實踐應(yīng)用中的相似點，另一方面又在不斷的比較中，獲得對兩種控制器件更加深刻的認(rèn)識。雖然在大多數(shù)機(jī)艙環(huán)境中，單片機(jī)和PLC（可編程邏輯控制器）可以互相替換，但是兩者在應(yīng)用細(xì)節(jié)上有巨大差別：單片機(jī)的工作電壓一般較低，信號易受干擾，通常需要采用光電耦合的方式，隔離輸入輸出;單片機(jī)的驅(qū)動能力較弱，控制輸出時需要借助功率放大設(shè)備和外接驅(qū)動電源。盡管可編程邏輯控制器件首次配置的成本較高，但它具備不可忽視的優(yōu)點：可靠性高、操作簡單、驅(qū)動能力強(qiáng)、硬件組合易于實現(xiàn)和擴(kuò)展。通常在要求較高和系統(tǒng)較復(fù)雜的狀況下，采用單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)最終的性價比反而會低于PLC。

通過以上教學(xué)組織和教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，將單片機(jī)和比較學(xué)習(xí)，學(xué)員通常對單片機(jī)和PLC技術(shù)的理解會相對加深，同時也能鍛煉學(xué)員將知識應(yīng)用于實踐的能力。在電氣控制系統(tǒng)的控制模塊的選擇上，將會形成初步的認(rèn)識。

3.2 整體教學(xué)的優(yōu)勢和所需注意的問題

將兩門課程在培訓(xùn)計劃的教學(xué)順序調(diào)整后，還需在具體教學(xué)過程中注意相關(guān)細(xì)節(jié)：

（1）單片機(jī)在弱電系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛，可編程邏輯控制器主要用于弱點與強(qiáng)電的銜接，在制定教學(xué)計劃時需要特別強(qiáng)調(diào)它們之間的異同點。例如需要重點突出單片機(jī)控制強(qiáng)點設(shè)備，必須通過功率放大器件推動繼電器，以完成控制動作。

（2）教學(xué)課時的縮減。傳統(tǒng)獨立教學(xué)的總課時量為64課時，若將兩門課程銜接整合到比較教學(xué)的過程中，很多相互重疊的內(nèi)容就可以得到刪減，節(jié)省教學(xué)成本，也提高了學(xué)員學(xué)習(xí)的效率，同時也可以調(diào)整基礎(chǔ)理論的重復(fù)教學(xué)，適當(dāng)增加實踐應(yīng)用內(nèi)容的占比。

4 教學(xué)改革效果的驗證

浙江海洋大學(xué)遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員培訓(xùn)中心，在2016年，2017年，2018年遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員培訓(xùn)的自動化課程的培訓(xùn)計劃中，均設(shè)置有單片機(jī)原理及應(yīng)用，PLC原理及應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容。2017年、2018年在采用教學(xué)改革措施的過程中，2016年依舊按照已有培訓(xùn)計劃展開教學(xué)進(jìn)程。《船舶電氣自動化》課程在每期遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員培訓(xùn)的初考合格率部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

從表中可以看出2016年未調(diào)整培訓(xùn)計劃，遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員的在交通部組織的高級遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員《船舶電氣自動化》課程的初考合格率在60%左右，但在2017年和2018年度實行比較教學(xué)的教學(xué)改革后，相對于2016年有了較大提高。

針對遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員培訓(xùn)的特殊性，采用比較教學(xué)法后有如下優(yōu)勢：

（1）減少重復(fù)學(xué)習(xí)的資源浪費。前文中提到，單片機(jī)和PLC原理及其應(yīng)用課程除單獨開課之外，分別在《船舶自動化》、《船舶電氣》課程中重復(fù)學(xué)習(xí)，很大部分原因在于多龍治水的弊病。遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員機(jī)艙部高級船員的培訓(xùn)內(nèi)容涉及熱力學(xué)、機(jī)械、電氣，知識較為龐雜，采用比較教學(xué)法，有利于改善教學(xué)計劃的合理分配。

（2）使知識體系結(jié)構(gòu)更為清晰。通過比較學(xué)習(xí)，可以使很多概念、性質(zhì)和應(yīng)用更為明確，提高教學(xué)效率。

（3）知識應(yīng)用于實踐的可操作性更強(qiáng)。在現(xiàn)在的自動化機(jī)艙控制系統(tǒng)中，往往應(yīng)用PLC和單片機(jī)協(xié)同工作：單片機(jī)用于數(shù)據(jù)采集和傳輸;PLC用作系統(tǒng)控制。若兩門課程隔離單獨教學(xué)，將不利于課程理論和實踐的聯(lián)系。

5 總結(jié)和展望

比較教學(xué)的教學(xué)方式在教學(xué)內(nèi)容相似或相近的課程中優(yōu)勢明顯。但同時也需注意傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往是多年經(jīng)驗總結(jié)的結(jié)果，教學(xué)體系相對完善，采用新的教學(xué)改革方案必然有一些考慮不周的地方。尤其是當(dāng)前MOOC在線教學(xué)平臺日趨成熟，新的教學(xué)管理模式也在不斷改進(jìn)。如何最大化的利用最新的教學(xué)技術(shù)，最優(yōu)教學(xué)管理方式，對于遠(yuǎn)洋漁業(yè)船員尤其是大管和輪機(jī)長等高級船員的培訓(xùn)，還需進(jìn)一步在實踐中驗證。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 林正范.高等教育心理學(xué)[M].浙江大學(xué)出版社，2010.

[2] 王蘭軍.單片機(jī)和可編程控制器[M].山東科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

[3] 郭朝有，常廣暉，張超杰.艦船機(jī)械計算機(jī)控制技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2018.