郝建新,王春明,徐其威,李建科,張海濤,趙 瑋
(陸軍工程大學(xué),江蘇 南京 210007)
隨著智能化、信息化的不斷發(fā)展,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和民用建筑電氣中,可編程邏輯控制器、變頻器等成熟技術(shù)應(yīng)用類(lèi)電氣元器件的使用越來(lái)越廣泛,特別是在建筑工程中的應(yīng)用也越來(lái)越多,但是技術(shù)應(yīng)用類(lèi)電氣元件的品牌多、技術(shù)復(fù)雜、涉及知識(shí)面廣、更新?lián)Q代快,使得這類(lèi)技術(shù)應(yīng)用類(lèi)課程的教學(xué)很難與市場(chǎng)需求接軌,也不可能將所有的知識(shí)都學(xué)會(huì)。OBE全稱(chēng)是Outcome Based Education,中文是“成果導(dǎo)向教育”。這種教育理念注重目標(biāo)和結(jié)果,從學(xué)生個(gè)人出發(fā),不同于其他教育理念。OBE模式的實(shí)踐主要由構(gòu)思、實(shí)現(xiàn)、評(píng)估、總結(jié)和改進(jìn)構(gòu)成,是一種界定學(xué)習(xí)主體所達(dá)成的最終學(xué)習(xí)成果的教育方式,是一種根據(jù)學(xué)生預(yù)期未來(lái)達(dá)成的最終學(xué)習(xí)成果,對(duì)課程體系進(jìn)行反向設(shè)計(jì)的教育模式[1]。本文以西門(mén)子S7-200SMART[2]為例,從工程應(yīng)用的角度出發(fā),根據(jù)完成一個(gè)自動(dòng)化控制工程項(xiàng)目的工作流程,按照設(shè)計(jì)、集成、安裝、現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)、軟件編程、組態(tài)制作、功能調(diào)試的順序?qū)嵤?shí)踐教學(xué),突出應(yīng)用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施過(guò)程[3]。在教學(xué)過(guò)程中,從課程設(shè)置、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容選取、教學(xué)方法與教學(xué)手段改革、課程實(shí)踐教學(xué)條件運(yùn)用等方面作了重點(diǎn)探索[4],重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生如何使用技術(shù)支持網(wǎng)站及電話(huà)、查詢(xún)和閱讀產(chǎn)品手冊(cè)、理解和掌握PLC的基本原理及接線(xiàn)方法、正確使用軟件的幫助文本、良好的編程習(xí)慣與正確的程序架構(gòu)以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的分工和程序接口的預(yù)留,使學(xué)生體驗(yàn)整個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程,自制接近工程實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在工程環(huán)境下對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的教學(xué)進(jìn)行改革與探索[5]。學(xué)生分組協(xié)作完成人防工程三防功能PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的完整流程,注重借鑒 CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate)模式的PLC課程教學(xué)模式[6],從而使學(xué)生得到自我學(xué)習(xí)能力、溝通協(xié)調(diào)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、組織管理能力、匯報(bào)講解能力的提升,對(duì)傳統(tǒng)的PLC教學(xué)以及基于工程應(yīng)用的PLC課程教學(xué)改革策略進(jìn)一步探索[7]。
《信息系統(tǒng)安裝調(diào)試》技術(shù)應(yīng)用類(lèi)實(shí)踐課,主要學(xué)習(xí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng),其中視頻監(jiān)控系統(tǒng)6學(xué)時(shí)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)12學(xué)時(shí),自動(dòng)控制系統(tǒng)38學(xué)時(shí)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搭建、攝像機(jī)的安裝、硬盤(pán)錄像機(jī)的使用和調(diào)試?;馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)主要學(xué)習(xí)短路隔離器、火災(zāi)探測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警按鈕、聲光警報(bào)器以及聯(lián)動(dòng)模塊的安裝與接線(xiàn)和報(bào)警控制器的安裝與調(diào)試。自動(dòng)控制系統(tǒng)主要學(xué)習(xí)S7-200SMART的安裝與接線(xiàn)、編程軟件的使用、OPC軟件的使用、組態(tài)軟件的使用等內(nèi)容。
學(xué)生們的先修課程從未學(xué)習(xí)過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng),但學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的理論知識(shí),因而需要學(xué)生課前查詢(xún)資料或觀(guān)看教學(xué)視頻,了解視頻監(jiān)控系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、功能和用途,了解前端設(shè)備的功能和使用方法,如數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、NVR網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)、S7-200SMART等。
教學(xué)目的是幫助學(xué)生掌握三個(gè)系統(tǒng)各個(gè)組件的功能和使用方法,搭建并完成三個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、接線(xiàn)和功能調(diào)試,進(jìn)一步加深對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解和吸收,使學(xué)生具備初步的工程意識(shí)和良好的動(dòng)手能力。
教學(xué)模式采用教師示范、學(xué)生模仿,這種教學(xué)模式的教學(xué)弊端比較多。首先,教師需要精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容,課前要試驗(yàn)所有的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,還要調(diào)試好所有的教學(xué)器材,做好所有的應(yīng)急預(yù)案,確保教學(xué)過(guò)程的順利有序。其次,學(xué)生始終處于被動(dòng)接受知識(shí),缺乏主動(dòng)思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的訓(xùn)練,也無(wú)法鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力[8]。
學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和參與度不高,對(duì)所學(xué)的知識(shí),學(xué)生無(wú)法形成永久性記憶,課程結(jié)束后,學(xué)生所學(xué)知識(shí)就已經(jīng)忘了一大半了,效果較差。
學(xué)習(xí)興趣是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力,是教學(xué)效果極大提升的催化劑。采取不同的教學(xué)手段提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度是教學(xué)改革的首要目的。學(xué)生有了學(xué)習(xí)興趣,學(xué)習(xí)就由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng),學(xué)習(xí)的積極性、自主性、創(chuàng)新性就被激發(fā)出來(lái),學(xué)習(xí)情緒才能高漲,克服困難的意志才能增強(qiáng),從而提高學(xué)習(xí)效率。當(dāng)一個(gè)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣時(shí),總是積極主動(dòng)而且心情愉快地去學(xué)習(xí),不認(rèn)為學(xué)習(xí)是一種沉重的負(fù)擔(dān)。有興趣的學(xué)習(xí)不僅在課堂上使學(xué)生全神貫注,積極思考,課后也會(huì)使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí),甚至可以達(dá)到廢寢忘食的地步。
實(shí)踐課教學(xué)的最終目的是使學(xué)生加深理解理論知識(shí)或掌握自主完成各種工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)管理等的能力,為學(xué)生今后從事相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)個(gè)人價(jià)值、服務(wù)社會(huì)的愿景。如何在課程中樹(shù)立學(xué)生的工程意識(shí)是教學(xué)改革的重要目的。所謂“工程”意識(shí),不僅僅是課堂上的宣貫,更多的是經(jīng)過(guò)親自體驗(yàn)認(rèn)識(shí)問(wèn)題,學(xué)習(xí)思路,嘗試不同方法,解決實(shí)際問(wèn)題,進(jìn)而總結(jié)規(guī)律,形成特定認(rèn)識(shí)[9]。工程項(xiàng)目是以工程建設(shè)為載體的項(xiàng)目,是為達(dá)到一定目的的一次性工程建設(shè)任務(wù),需要按照一定的程序、在一定時(shí)間內(nèi)完成,并應(yīng)符合質(zhì)量要求。在課程教學(xué)中,要體現(xiàn)工程建設(shè)過(guò)程的程序、重要節(jié)點(diǎn)、施工要求等等,使學(xué)生樹(shù)立正確客觀(guān)的工程意識(shí)。
為達(dá)到課程改革育人的這些目的,而按照人才培養(yǎng)方案,課程的課時(shí)是無(wú)法調(diào)整的,只能在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式上進(jìn)行改革。針對(duì)本實(shí)踐課所對(duì)應(yīng)理論知識(shí)部分在先修課程的教學(xué)內(nèi)容的詳略程度以及“突出重點(diǎn),舉一反三”的教學(xué)理念,取消火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)踐課目,簡(jiǎn)化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)踐課目,重點(diǎn)訓(xùn)練自動(dòng)控制系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)踐內(nèi)容主要在于各種前端和硬盤(pán)錄像機(jī)(或報(bào)警控制器)的安裝以及通信與電源線(xiàn)路的敷設(shè)和接線(xiàn),編程內(nèi)容較少且簡(jiǎn)單。只要掌握了工程資料的查詢(xún)和閱讀方法、自主學(xué)習(xí)能力和工程技能知識(shí),工作中只要按照使用說(shuō)明書(shū)就可以完成相關(guān)工作。在先修課程中對(duì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的前端和報(bào)警控制器以及系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)講解,因此取消其相關(guān)實(shí)踐課目。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在先修課程中雖無(wú)詳細(xì)講解理論知識(shí),但學(xué)生已經(jīng)掌握了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其實(shí)踐訓(xùn)練內(nèi)容就是通過(guò)專(zhuān)用的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)(與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)類(lèi)似)連通數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)以及對(duì)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)的參數(shù)設(shè)置。一般在6學(xué)時(shí)內(nèi),學(xué)生即可完成視頻監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)實(shí)踐內(nèi)容。在看到自己的圖像顯示在屏幕上時(shí),其喜悅的心情和訓(xùn)練的信心將激增,就為后續(xù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。短時(shí)間內(nèi)完成視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)踐內(nèi)容,能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性,尤其是在深化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的程序后,例如設(shè)置帶云臺(tái)的攝像機(jī)自動(dòng)巡檢路徑、設(shè)置警戒范圍等,會(huì)使學(xué)生探索新知識(shí)、新領(lǐng)域的信心極大增強(qiáng)。
自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)踐課目訓(xùn)練,可以使學(xué)生了解工程建設(shè)流程,了解系統(tǒng)資料收集途徑,掌握如何根據(jù)需求查找設(shè)備資料以及如何閱讀資料,掌握利用軟件的幫助文本,理解在工程中如何學(xué)習(xí)新設(shè)備、新知識(shí)的自學(xué)方法,從而達(dá)到授之以漁的作用。
以自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)為例,采用基于OBE理念的教學(xué)模式,學(xué)生要在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)完成人防工程三防控制系統(tǒng)中一鍵轉(zhuǎn)換三防功能的自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成有監(jiān)控層、控制層、設(shè)備層。監(jiān)控層采用組態(tài)王,控制層采用S7-200SMART可編程邏輯控制器,設(shè)備層有5個(gè)閥門(mén)、2臺(tái)風(fēng)機(jī)、1個(gè)溫濕度傳感器(4~20mA),通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)。
3.2.1 繪制設(shè)計(jì)圖紙并完成接線(xiàn)
指導(dǎo)學(xué)生在西門(mén)子技術(shù)支持網(wǎng)站下載S7-200SMART系統(tǒng)手冊(cè),并快速閱讀手冊(cè)目錄,利用書(shū)簽找到實(shí)訓(xùn)中所使用型號(hào)CPU的接線(xiàn)圖。根據(jù)自己的理解,學(xué)生提出接線(xiàn)圖中令自己感到困惑的地方,由教師逐一進(jìn)行解答。直到所有學(xué)生無(wú)疑問(wèn)時(shí),教師開(kāi)始針對(duì)實(shí)踐中用到的接線(xiàn)圖進(jìn)行提問(wèn),直到所有學(xué)生都弄清楚PLC是如何采集和輸出開(kāi)關(guān)量和模擬量的。再以同樣的方法指導(dǎo)學(xué)生理解閥門(mén)、水泵、溫濕度傳感器的接線(xiàn)圖。在此基礎(chǔ)上,采用提問(wèn)、討論等形式,指導(dǎo)學(xué)生掌握PLC與閥門(mén)、水泵控制箱之間的連接方法。學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上繪制PLC自控箱的設(shè)計(jì)圖紙。在此期間,一定要讓學(xué)生明白在實(shí)際工程中控制箱和自控箱可能是不同廠(chǎng)家生產(chǎn),也可能是同一廠(chǎng)家生產(chǎn)的,設(shè)計(jì)圖紙時(shí)一定要多溝通,深入理解控制箱的控制原理圖,多思考控制箱與自控箱之間的連接方式,樹(shù)立良好的工程意識(shí)。
繪制好圖紙后,學(xué)生按圖完成PLC的接線(xiàn)工作。教師檢查無(wú)誤后方可通電試驗(yàn)。
3.2.2 軟件編程并調(diào)試
通電正常后,用網(wǎng)線(xiàn)將計(jì)算機(jī)和PLC連通。指導(dǎo)學(xué)生利用編程軟件的幫助文本建立編程軟件與PLC的通信。利用幫助文本,教師逐步講解如何利用系統(tǒng)位和移位指令編寫(xiě)一個(gè)跑馬燈程序,使PLC的輸出Q0.0至Q0.7間隔0.5秒循環(huán)接通,學(xué)生同步完成程序的編寫(xiě)和下載。在PLC的輸出點(diǎn)及所連接的中間繼電器循環(huán)吸合的聲光刺激下,學(xué)生會(huì)產(chǎn)生極大的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過(guò)模仿教師的程序可編寫(xiě)使PLC的輸出Q0.0至Q1.2間隔0.5秒循環(huán)接通的跑馬燈程序,并在自己試驗(yàn)臺(tái)的PLC實(shí)現(xiàn)此功能,再要求學(xué)生借助幫助文本采用定時(shí)器指令編寫(xiě)跑馬燈程序。經(jīng)過(guò)這樣的反復(fù)訓(xùn)練,學(xué)生基本就掌握了常用指令的使用方法。然后按照電機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制、持續(xù)控制、正反轉(zhuǎn)控制的順序編寫(xiě)相應(yīng)的程序。每段程序編好后,立即下載并在線(xiàn)調(diào)試,讓學(xué)生看到設(shè)備和程序的對(duì)應(yīng)變化情況。就這樣將三防控制功能程序拆分成簡(jiǎn)短的子程序,讓學(xué)生在編程過(guò)程中不斷的體驗(yàn)成功的喜悅,激勵(lì)學(xué)生去探究更多的未知。
學(xué)生在編程和調(diào)試過(guò)程中會(huì)遇到很多不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題,因此教師要具有扎實(shí)的理論功底、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、多年的教學(xué)經(jīng)歷。首先,教學(xué)內(nèi)容涉及范圍廣、知識(shí)層面寬。硬件設(shè)計(jì)涉及繪圖軟件、電氣知識(shí)、接線(xiàn)和設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等。軟件設(shè)計(jì)涉及網(wǎng)絡(luò)知識(shí)、計(jì)算機(jī)知識(shí)、美術(shù)知識(shí)、編程知識(shí)等。學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中,會(huì)遇到很多不能預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題,甚至有些問(wèn)題的解決方法在資料上也查不到,需要采用不同的手段去不斷的調(diào)試。其次,有的學(xué)生會(huì)提前完成規(guī)定的學(xué)習(xí)任務(wù),還會(huì)主動(dòng)學(xué)習(xí)教學(xué)內(nèi)容外其他知識(shí),也會(huì)問(wèn)很多教學(xué)內(nèi)容之外的問(wèn)題。最后,根據(jù)學(xué)生完成任務(wù)的情況,需要不斷調(diào)整教學(xué)進(jìn)度,以滿(mǎn)足不同水平學(xué)生的進(jìn)度。
經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)改革,本課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式已逐漸成熟,經(jīng)過(guò)調(diào)研畢業(yè)后的學(xué)生,有以下幾點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn):(1)增加了就業(yè)面。在找工作時(shí),有些企業(yè)要求懂PLC的學(xué)生優(yōu)先。學(xué)生可以拿出自己做的自動(dòng)控制系統(tǒng)的視頻和照片,就會(huì)引起用人單位的興趣。(2)鍛煉了能力。由于自動(dòng)控制系統(tǒng)是自己一步一步摸索,一點(diǎn)一滴調(diào)試出來(lái)的,對(duì)知識(shí)的了解和記憶就比較深刻,入職后,接觸到相關(guān)設(shè)備時(shí),心里就有底。但是,也有需要改進(jìn)的地方,學(xué)生反映學(xué)習(xí)的內(nèi)容比較少,而工作遇到的情況較多,雖然自己通過(guò)查資料、試驗(yàn),也可以解決問(wèn)題,但效率較低。因而基于OBE理念的技術(shù)應(yīng)用類(lèi)實(shí)踐課程改革需要聚焦教學(xué)內(nèi)容、革新教學(xué)模式、激發(fā)學(xué)生的探索興趣,必將對(duì)教學(xué)目的起到事半功倍的效果。