張春鵬，王錫明，白 琨，谷 曼，鐘 華

(合肥學(xué)院 先進制造工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

隨著《中國制造2025》的出臺，對中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提出了更高的要求，進而對中國制造業(yè)人才的培養(yǎng)規(guī)模、規(guī)格與質(zhì)量等也提出了新的訴求。面對制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，制造業(yè)對人才的需求出現(xiàn)了以下幾個問題。一是制造業(yè)就業(yè)人員中，接受本科教育的人員占比較低。如表1所示，根據(jù)2016-2019年出版的《中國人口和就業(yè)統(tǒng)計年鑒》中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，近5年我國制造業(yè)從業(yè)人員中接受大學(xué)本科教育的從業(yè)人員占比逐年升高，但最高僅為5.9%，而高等職業(yè)教育的占比卻是逐年降低，遠遠不能滿足我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的要求。二是本科人才培養(yǎng)模式與制造業(yè)發(fā)展實際相脫節(jié)，人才培養(yǎng)體系缺乏開放性。企業(yè)對崗位能力的要求在不同的經(jīng)濟形勢下會有較大的不同。而學(xué)校對市場變化的需求則反應(yīng)遲鈍，使得人才供給與制造業(yè)發(fā)展人才需求之間缺乏良性互動。目前傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式下的本科畢業(yè)生崗位勝任力還不能滿足企業(yè)的實際需求。三是培養(yǎng)出來的本科大學(xué)生有文憑、無技能，動手實踐能力比較薄弱，不能與企業(yè)需求無縫對接，這是由于目前我國高等教育中長期以來一直存在著重理論、輕實踐的傾向所造成的。

在2016年6月教育部下發(fā)《關(guān)于中央部門所屬高校深化教育教學(xué)改革的指導(dǎo)意見》中指出，高校仍存在教育教學(xué)理念相對滯后、機制不夠完善、內(nèi)容方法陳舊單一、實踐教學(xué)比較薄弱等問題，深化教育教學(xué)改革，提高高校教學(xué)水平、創(chuàng)新能力和人才培養(yǎng)質(zhì)量是高等教育的核心任務(wù)，深化教育教學(xué)改革是新時期高等教育發(fā)展的強大動力。[1]而高校實踐教學(xué)對大學(xué)生的理論理解能力、動手能力、操作能力、協(xié)調(diào)能力、應(yīng)用能力、組織能力等，具有重要的促進作用；對完成培養(yǎng)熱愛專業(yè)所學(xué)、敢于承擔(dān)社會責(zé)任、綜合素質(zhì)全面發(fā)展的應(yīng)用型、創(chuàng)新型專業(yè)人才的目標，具有重要的支撐作用[2-3]。同年12月，由教育部、人力資源和社會保障部、工業(yè)和信息化部等部門共同編制的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》中明確指出：“有關(guān)高等學(xué)校、職業(yè)學(xué)校要創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，完善校企協(xié)同育人機制，對接職業(yè)標準和崗位規(guī)范，加快專業(yè)教學(xué)標準體系建設(shè)，強化學(xué)生實際操作能力培養(yǎng)?！薄巴ㄟ^完善相關(guān)法規(guī)制度和政策措施，鼓勵行業(yè)企業(yè)參與人才培養(yǎng)?！?/p>

表1 2015-2018年全國制造業(yè)就業(yè)人員受教育程度構(gòu)成

無論是制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，還是區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展無一不需要大批高層次應(yīng)用型人才做支撐[9]。而德國的“雙元制”教育體系聞名于世，為德國經(jīng)濟的高速發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)[10]。借鑒德國雙元制教育的經(jīng)驗，可以很好的解決以上問題。合肥學(xué)院以應(yīng)用型本科教育為核心，以多年模塊化教改為基礎(chǔ)，引入德國辦學(xué)資源和人才培養(yǎng)模式，聯(lián)合埃姆登應(yīng)用科學(xué)大學(xué)、德國大陸馬牌輪胎有限公司(以下簡稱大陸公司)，依托中德教育合作示范基地，舉辦國內(nèi)首個中德雙元制高等教育合作專業(yè)——機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)(雙元制)。通過雙元制高等教育，依據(jù)校企間的充分合作，協(xié)同確定培養(yǎng)目標、培養(yǎng)方案、教學(xué)內(nèi)容，滿足企業(yè)對人才能力的要求，培養(yǎng)具有國際化的視野、較強的工程實踐能力及創(chuàng)新意識、能在現(xiàn)代制造及相關(guān)領(lǐng)域從事工程技術(shù)應(yīng)用及管理等工作的高級國際化工程人才。不僅實現(xiàn)人才與相關(guān)企業(yè)的無縫對接，還最大限度縮短學(xué)生進入職場的適應(yīng)期，提高人才的就業(yè)競爭力，滿足中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級對人才的需求。

一、“控制技術(shù)”實驗存在的問題

可編程序控制器(Programmable Logic Controller)簡稱PLC，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。隨著工業(yè)4.0和《中國制造2025》的提出，對自動化技術(shù)的應(yīng)用需求會越來越廣泛，PLC的應(yīng)用范圍也會越來越廣，對精通PLC技術(shù)的人才需求也會隨之增加。在傳統(tǒng)的機械類專業(yè)中，有關(guān)PLC的課程實踐性強，但大部分學(xué)校的授課形式基本上都是：先理論，后實驗，且受限于實驗課時、實驗設(shè)備條件以及學(xué)生的動手能力及編程能力，實驗的內(nèi)容也只是單純的驗證梯形圖，學(xué)生興趣寥寥。另外，實踐教學(xué)部分的內(nèi)容往往脫離行業(yè)與企業(yè)的實際需求，停留于驗證理論的層面，沒有構(gòu)建實際的工作場景，與生產(chǎn)實踐需要脫節(jié)。[11]針對以上問題，合肥學(xué)院機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)(雙元制)“控制技術(shù)”授課教師，以雙元制為背景，初步探索了如何在較少的實驗課時里讓學(xué)生掌握PLC的使用方法、鍛煉學(xué)生的編程水平、提高學(xué)生解決實際問題的能力、提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

二、“控制技術(shù)”雙元制實驗教學(xué)改革總體思路

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和動手能力的重要環(huán)節(jié)，如能很好地發(fā)揮這一環(huán)節(jié)的作用，將對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)起到至關(guān)重要的作用[12]，實驗教學(xué)是提升學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的重要途徑和手段，是學(xué)生崗位職業(yè)能力形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。[13]以雙元制高等教育為背景，借鑒國內(nèi)院校實驗教學(xué)改革的經(jīng)驗，以合肥學(xué)院多年模塊化教改為核心，密切結(jié)合大陸公司對人才的企業(yè)需求，針對學(xué)生循序漸進的認知規(guī)律，以學(xué)生為中心，對“控制技術(shù)”實驗的教學(xué)內(nèi)容、教材、教法、教學(xué)手段和學(xué)生成績評價體系進行改革。在實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上，結(jié)合企業(yè)需求，注重綜合性與應(yīng)用性；在學(xué)生能力培養(yǎng)中，借鑒德國雙元制中“Workload”經(jīng)驗，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、應(yīng)用研究能力以及創(chuàng)新能力。

三、“控制技術(shù)”實驗教學(xué)改革內(nèi)容

(一)結(jié)合企業(yè)需求，確定實驗內(nèi)容，自編實驗教材

教材是傳授知識的載體，是學(xué)生獲取知識的重要工具。校企共同開發(fā)教材是“雙元制”教學(xué)課程體系實施的重要載體。[14]與傳統(tǒng)的“雙元制”高職教材偏重于實際操作、甚至就是為了某企業(yè)量身定制的教材不同，“雙元制”高等教育的教材一定要在本科教學(xué)的基礎(chǔ)上具有一定的理論廣度及深度，以滿足本科生的后續(xù)深造需求，同時要結(jié)合企業(yè)實際，以面向不同行業(yè)、但同類崗位的需求為原則，在校企雙方協(xié)商下，共同設(shè)計教材內(nèi)容并確定編排順序。同時，高質(zhì)量的實驗教材是保障實踐教學(xué)質(zhì)量的重要載體，需要綜合考慮技能操作、生產(chǎn)實踐、項目開發(fā)和校企合作等環(huán)節(jié)[11]。

1.實驗任務(wù)分層。針對企業(yè)生產(chǎn)實際情況，以及對相關(guān)知識點、技術(shù)能力的掌握要求，設(shè)計了PLC認知、基本指令、典型電動機控制、SCR順控指令、數(shù)碼顯示控制、十字路口交通燈控制、水塔水位控制、天塔之光控制、四節(jié)傳送帶控制、自控成型機等實驗任務(wù)作為主要的實驗教學(xué)內(nèi)容，包含了從PLC的硬件使用及外部接線、到軟件編程，以及常用的基本指令和功能指令，側(cè)重于學(xué)生實際操作能力的培養(yǎng)，以及發(fā)散思維的形成。同時把以上的實驗任務(wù)根據(jù)實踐層次的逐步提升，分成以下三個層次：基礎(chǔ)實踐、綜合實踐、拓展實踐，可以根據(jù)企業(yè)的需求、理論課教師的授課內(nèi)容以及學(xué)生的素質(zhì)水平，組合不同的實驗任務(wù)來進行實驗教學(xué)。既可以滿足普通本科專業(yè)的教學(xué)要求，也能開出滿足企業(yè)要求的實驗內(nèi)容，如圖1所示。

(1)基礎(chǔ)實踐層?；A(chǔ)實踐層的主要實驗任務(wù)都是一些基礎(chǔ)的實驗任務(wù)，例如PLC的認知，基本指令應(yīng)用等。通過該層次的訓(xùn)練，學(xué)生能夠熟練掌握最基本的PLC軟硬件操作，為后續(xù)的實驗奠定基礎(chǔ)。

(2)綜合實踐層。綜合實踐層的實驗任務(wù)主要是解決一些常見的實際問題，偏重于電氣控制工程中的一些典型應(yīng)用。學(xué)生在熟練掌握基礎(chǔ)實踐層的條件下，組建任務(wù)協(xié)作小組，以各種方式進行資料收集、調(diào)研等，從開始設(shè)計第一張程序流程圖，到最終的程序驗證，從而設(shè)計出符合任務(wù)要求的解決方案，以此來達到提高學(xué)生的自學(xué)能力和團隊協(xié)作能力。

(3)拓展實踐層。拓展實踐層的任務(wù)來源于企業(yè)生產(chǎn)。主要根據(jù)企業(yè)的實際設(shè)備，以及企業(yè)工程師提出的技術(shù)問題并結(jié)合學(xué)校實驗室現(xiàn)有硬件條件而開發(fā)的。通過該層次的訓(xùn)練，學(xué)生可以對相關(guān)企業(yè)的設(shè)備進行初步的掌握，縮短學(xué)生的入職培訓(xùn)時間，降低企業(yè)的培訓(xùn)成本。同時，開發(fā)出來的實驗任務(wù)也可以用于普通專業(yè)的實驗教學(xué)，使學(xué)生更加貼近行業(yè)，使實驗內(nèi)容更加符合實際。也可以在此基礎(chǔ)上與別的企業(yè)進行合作，開發(fā)新的實驗任務(wù)，提高教學(xué)設(shè)備的使用效率，有利于節(jié)約教學(xué)成本。對教師而言，也是一次學(xué)習(xí)提升的過程，使得教師能夠更加的貼近實際、貼近生產(chǎn)，跟上行業(yè)技術(shù)的發(fā)展速度。

圖1 實驗任務(wù)分層

2.實驗內(nèi)容整合

在前期確定的實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以啟迪學(xué)生的創(chuàng)新意識、開拓學(xué)生的科學(xué)思維為目標，按照循序漸進的原則，[15]系統(tǒng)編寫了適用于“控制技術(shù)”課程的實驗教材。在該實驗教材中，針對學(xué)生循序漸進的認知規(guī)律，對實驗內(nèi)容進行了系統(tǒng)的整合，逐步達到培養(yǎng)目標。

以“PLC基礎(chǔ)實驗”為例，本實驗主要由PLC認知和基本指令兩個實驗任務(wù)組成，任務(wù)內(nèi)容及培養(yǎng)目標如圖2所示。在每個實驗任務(wù)下面又分別安排了三個任務(wù)內(nèi)容，學(xué)生通過完成相關(guān)的任務(wù)，從而達到培養(yǎng)目標。例如：在“PLC認知”實驗任務(wù)中，通過“S7-200硬件連線”這個實驗內(nèi)容，學(xué)生的實踐技能要達到3個培養(yǎng)目標：

(1)掌握PLC與PC的通訊設(shè)置。學(xué)生要掌握PLC通信電纜與PC的硬件通訊連接，并進行相關(guān)的驅(qū)動安裝及軟件設(shè)置，最終成功實現(xiàn)PLC與PC的數(shù)據(jù)通訊。

(2)掌握S7-200的使用方法。例如：輸入、輸出端子的接法，公共端子的使用方法，外部電源或PLC內(nèi)部電源的使用注意事項等，從而對PLC的使用有初步的了解。

(3)初步解決一般硬件故障及軟件編程問題。通過解決在硬件連線及軟件編程中遇到的問題，如：編譯錯誤導(dǎo)致的程序無法運行或無法下載等，從而讓學(xué)生學(xué)會如何排查故障、解決故障。

同時，針對學(xué)生循序漸進的認知規(guī)律，特別設(shè)計了一些有代表性的小的實際應(yīng)用項目。例如,在圖2中的“PLC基礎(chǔ)實驗”，給學(xué)生設(shè)計了一個實際應(yīng)用項目——“二層樓走廊燈的控制”，把該項目分為兩個連續(xù)的小問題來解決：第1個問題，開燈、關(guān)燈完全手動控制；第2個問題，開燈是采用手動，關(guān)燈采用自動控制。在前后兩問的對比下，引導(dǎo)學(xué)生自己選擇合適的定時器指令、自鎖電路、互鎖電路來解決該問題。同時，根據(jù)學(xué)生所選電路的不同，擴展講解按鈕和開關(guān)的物理區(qū)別以及使用要求，強化學(xué)生的實踐能力。在此基礎(chǔ)上，又根據(jù)企業(yè)成型工序中使用的成型設(shè)備的技術(shù)要求，結(jié)合學(xué)校的實驗設(shè)備，與企業(yè)工程師共同開發(fā)了圖1中的自控成型機實驗任務(wù)，讓學(xué)生對定時器指令、自鎖電路、互鎖電路的實際應(yīng)用，有了更加深刻的認識。

圖2 PLC基礎(chǔ)實驗內(nèi)容及安排

(二)實驗教學(xué)方法和教學(xué)手段

1.利用Workload，提高學(xué)生自學(xué)能力

在德國應(yīng)用型大學(xué)里，一般采用學(xué)習(xí)負荷(Workload)去描述一個大學(xué)生在學(xué)習(xí)上的時間花費。Workload包括課堂學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)以及準備考試和考試本身所花費的時間三大塊。在合肥學(xué)院中，1學(xué)分所對應(yīng)的Workload為14學(xué)時。如能更好、更充分的利用Workload，則可以在學(xué)生自學(xué)能力的提高上起到更好的作用。

例如,在“PLC基礎(chǔ)實驗”中，課前布置的Workload內(nèi)容主要包括以下幾點：PLC的概念及歷史，PLC控制系統(tǒng)與繼電器接觸器控制系統(tǒng)的區(qū)別，S7-200PLC與PC的通訊設(shè)置，編程軟件STEP7-Micro/Win的基本使用簡介，PLC在制造業(yè)中的“柔性”體現(xiàn)等。在上課的時候，讓學(xué)生站到講臺上，講解自己所做的Workload的內(nèi)容。不需面面俱到，可以根據(jù)自己的興趣選擇一到兩個點來講解。教師在旁邊點評，別的學(xué)生也可以提問。同樣的，在Workload中，也可以對“PLC基礎(chǔ)實驗”中的實際應(yīng)用項目進行思考，初步設(shè)計出解決方案，然后在課堂上進行實際的編程驗證，在前后對比中找出解決實際問題的最簡方案，提高學(xué)生的自學(xué)能力。

2.加強設(shè)計性實驗教學(xué)

加大綜合性、設(shè)計性實驗的比例，讓學(xué)生帶著問題去實驗，培養(yǎng)學(xué)生解決問題、思考問題的能力。例如，在“SCR順控指令實驗”中，首先讓學(xué)生在Workload中自學(xué)什么是SFC編程方式，使用時需要注意哪些問題，實現(xiàn)順序控制的4種方式等。再以“雙燈自動閃爍信號生成”為例，要求學(xué)生選擇合適的控制方式，自主設(shè)計完成。在完成此例基礎(chǔ)上，要求學(xué)生設(shè)計完成三燈、四燈等多燈自動閃爍信號生成，以上都可以算作是Workload的工作內(nèi)容。同時還要求學(xué)生思考：若用定時器指令，如何實現(xiàn)上述功能；如果用特殊繼電器，能否實現(xiàn)上述功能？以上幾種方法，哪種簡單或者學(xué)生自己喜歡用哪種方法；是不是自己喜歡的方法就能解決類似的問題。以此類推，通過一系列的問題，加強學(xué)生的分析、思考、總結(jié)能力, 以學(xué)生為中心，教學(xué)生“樂學(xué)”“會學(xué)”“學(xué)會”[16]。

3.創(chuàng)新教學(xué)方法的使用

轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，從以教師為中心，變成以學(xué)生為中心，從知識輸入轉(zhuǎn)向能力輸出。采用多媒體等方式，自制課件，邊講邊做，由淺入深，在實驗臺上充分鍛煉學(xué)生的動手實踐能力。設(shè)計相關(guān)實驗的腳本，制作微視頻，使得學(xué)生能在課后碎片化的時間里學(xué)會一到兩個知識點。

針對不同的實驗內(nèi)容采用不同的教學(xué)法。例如在“十字路口交通燈控制實驗”中，采用項目教學(xué)法，項目實施方案如下圖3所示。首先向?qū)W生發(fā)布項目任務(wù)。然后指導(dǎo)學(xué)生做項目計劃，利用Workload時間，對十字路口交通燈的實際工作情況進行實地觀察，也可以通過網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)研，最后根據(jù)實驗設(shè)備的實際情況結(jié)合實際的觀察或調(diào)研結(jié)果來編制程序流程圖。允許提前編寫程序，在實驗設(shè)備上完成硬件連線、程序修改及最終的成果展示。

圖3 十字路口交通燈控制實驗項目實施方案

4.改革學(xué)生實驗成績評價體系

經(jīng)過多年的實踐，結(jié)合我校模塊化改革的基礎(chǔ)，初步摸索出了一套適合本實驗的考核體系，采用加權(quán)平均法，在安全操作S、實驗預(yù)習(xí)M1、實驗方案設(shè)計M2、實驗程序設(shè)計M3、思考題M4，這五個方面相應(yīng)得分的基礎(chǔ)上，依照權(quán)重得出每位學(xué)生的實驗綜合評價成績M。為了培養(yǎng)學(xué)生的安全意識、按章操作的職業(yè)素養(yǎng)，借鑒德國雙元制教育的經(jīng)驗，把安全操作S的權(quán)重設(shè)計為最大，把學(xué)生安全意識的培養(yǎng)貫穿于整個實驗教學(xué)過程當(dāng)中。即：實驗綜合評價成績M=S×0.3+M1×0.1+M2×0.25+M3×0.25+M4×0.1。

要求學(xué)生在Workload中按照教師的要求進行實驗預(yù)習(xí)，強化學(xué)生在實驗預(yù)習(xí)中獨立自主的設(shè)計實驗方案，分析實驗過程中有可能遇到的問題，并如何去解決。提倡學(xué)生在Workload中學(xué)習(xí)查找別的品牌的PLC的使用方法或相關(guān)資料，與實驗所用的PLC進行對比，加深PLC特有的梯形圖編程的概念及使用方法，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。為了防止學(xué)生相互間的抄襲，要求“方案不唯一，程序不唯一，結(jié)果唯一”，即對學(xué)生設(shè)計的實驗方案不唯一，編寫的程序不做唯一要求，只對程序運行結(jié)果有唯一要求。既克服了抄襲現(xiàn)象，又加強了學(xué)生發(fā)散思維能力的培養(yǎng)。

四、結(jié)語

引導(dǎo)一部分地方本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變是國家重大決策部署，其內(nèi)涵是推動高校把辦學(xué)思路轉(zhuǎn)到服務(wù)于地方經(jīng)濟社會發(fā)展上，把辦學(xué)模式轉(zhuǎn)到產(chǎn)教融合、校企合作上來，將人才培養(yǎng)的重心轉(zhuǎn)到應(yīng)用技能型人才上，轉(zhuǎn)到增強學(xué)生的就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力上來[17]，培養(yǎng)的是具有一定管理能力和解決復(fù)雜問題的現(xiàn)場工程師。同時，由于現(xiàn)代企業(yè)管理結(jié)構(gòu)的扁平化及工作組織去中心化的趨勢，對員工的工作要求變得更加復(fù)雜，對員工個體或團隊的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力及管理能力有了更高的要求。而對“雙元制”高等教育中“控制技術(shù)”的實驗進行教學(xué)改革，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、綜合實踐能力和創(chuàng)新意識，并不過度強調(diào)對應(yīng)某個崗位的操作熟練程度，這就要求學(xué)生具備更強的自我管理能力和自我責(zé)任感。這正是隨著現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展，對人才一貫以來的素能要求。

教育部貫徹落實的重大教育改革項目“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”也是旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，兩者培養(yǎng)目標也高度重合，幾乎一致，所以在中國應(yīng)該賦予雙元制專業(yè)其應(yīng)有的地位，將這種潛在需求變成真正的市場需求。[18]合肥學(xué)院作為中德務(wù)實合作的成功典范及中德教育合作示范基地，將中德不同文化的教育理念相結(jié)合，把德國成功的“雙元制”高等教育在中國進行推廣，加快了“雙元制”高等教育在中國的本土化進程，實現(xiàn)了企業(yè)、學(xué)校、學(xué)生三方共贏。而我國目前也正處于這樣的教育改革時期，相信借鑒德國成功的“雙元制”經(jīng)驗，對我國的高等教育改革會有所幫助。