PLC课程融合STEAM教育的教学模式探究

作者: 龚爱平 张海银

PLC课程融合STEAM教育的教学模式探究0

摘  要:随着“中国制造2025”的推进,探索制造类专业理实一体化课程的实践教学模式具有十分重要的现实意义。该文以PLC技术应用课程为例,通过对STEAM教育理念的内涵解读,探究基于STEAM教育理念的PLC技术应用课程教学模式。通过对教学模式的理论依据、教学目标、操作程序、实现条件和教学评价这五个元素进行STEAM教育与PLC课程教学模式的融合构建,本研究认为STEAM教育指向技能人才的培养,与制造类专业理实一体化课程在教育理念、教学内容和教学设计形式等层面深度契合。因此,基于STEAM教育的教学模式适用于PLC应用技术的实际教学,本研究对制造类专业人才培养具有很强的指导和借鉴作用。

关键词:STEAM教育;PLC技术应用;理实一体化课程;教学模式;融合构建

中图分类号:G642      文献标志码:A          文章编号:2096-000X(2022)33-0082-05

Abstract: With the promotion of "Made in China 2025", exploration of the practical education system in theory and practice integration course major in Manufacturing Engineering has very important realistic meaning. This paper explores the construction of PLC application technology course teaching mode based on STEAM education concept. After discussing the compatibility between STEAM education and PLC application technology course form theoretical basis, teaching objectives, operation procedures, realization conditions and teaching evaluation, the work proposes that STEAM education is aimed to cultivate skilled technicians, which is deeply consistent with the course content and teaching methods of theory and practice integration course major in Manufacturing Engineering. This study plays an important role in the design of PLC application technology course and is a reference on design and study of the other practical education system in theory and practice integration course.

Keywords: STEAM Education; Manufacturing Engineering major; theory and practice integration course; teaching method; fusion build

2016年6月,教育部印发的《教育信息化“十三五”规划》中首次明确提出“STEAM”教育是有别于传统的单学科、重书本知识的教育模式,是由科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Art)与数学(Mathematics)等学科共同构成的跨学科教育理念。STEAM教育强调问题生成和知识跨界,既体现出课程综合化、实践化、活动化的诸多特征,又反映课程回归生活、回归社会、回归自然的本质诉求。

可编程逻辑控制器(PLC)是西门子、三菱、汇川等国内外工业控制器品牌竞争的核心产品,PLC技术应用课程是大、中专院校制造类专业的核心课程,是一门理论性和实践性都很强的专业课程,其知识构成可分为理论知识和实践应用两个部分。在智能制造体系中,PLC不仅是机械装备和生产线的操控器,而且是现代工业控制信息的收集器和转发器,是“中国制造2025”和工业4.0的助力器,已逐步形成一门相对独立的新兴技术。

如何利用现有条件,通过教学方法和实践环节提高PLC技术应用课程的教学质量,从而提高学生分析和解决工程实际问题的综合能力,培养满足“中国制造2025”所需求的创新型人才,已成为工业大数据时代各制造类专业关注和重视的问题。STEAM教育作为“一种重实践的跨学科政策的教育理念和教育模式”,具有开放性、趣味性、体验性、实证性与发展性等特征,从一开始产生就顺应了我国课程改革的发展态势,探究制造类专业理实一体化课程开展STEAM教育,势必有助于推动我国技能型人才培养教育的发展与成熟。本文以PLC技术应用课程为例,探究STEAM教育的教学模式。

一、PLC技术应用课程教学存在的普遍问题

PLC技术应用课程的特点是综合性强,理论上需要具备电气控制、数字电路和计算机三个方面的基础知识,应用上要求学生有一定的工程实践基础。PLC技术应用教学改革一直是制造类专业课程改革研究的热点,目前有关PLC技术应用课程的教学改革基本上都是基于项目化教学。但总体来说,还是传统的单学科为了满足教学改革需求而设计的。图1的“基于PLC十字路口交通灯的控制”是大部分院校PLC课程必含的项目之一。本节以该项目为例,指出当前PLC课程项目化教学的过程中普遍存在的几个问题。

(一)缺乏项目的科学内涵

交通信号灯是维护交通秩序、保障交通安全和畅通的重要智能设备,可是为什么信号灯要选择红绿黄这三种颜色?红绿黄三种颜色如何有条不紊地工作?电气元件、线材的参数怎样选择?为啥不用传统的继电器控制?学生做该项目的过程中,因不知道其中的科学原理,很难提出创新的思维。

(二)匮乏技术和工程内涵

在大多数开设PLC技术应用课程的院校中,“基于PLC十字路口交通灯的控制”的实验设备大体均如图1所示,指示灯、接线端口及PLC都已固定在实验台上,学员不能更改这些实验模块的位置,在他们做该任务时,只要简单的对着接线孔插线和编写相应PLC程序。除了编写PLC程序含有技术外,其他工作所含技术匮乏,更缺乏工程内涵,这和国家教育部贯彻落实卓越工程师教育培养计划是矛盾的。

(三)艺术性乏味

上文提到,“基于PLC十字路口交通灯的控制”的实验设备上的指示灯、接线端口及PLC均已固定在实验台上,学员不能更改这些实验模块的位置,在他们做该任务时,只要简单的接线和编写PLC程序。因实验室已备好了不同长度的连接线,学生接线时可随意选择连接线的长短,一般在连接线充足的情况下,为了省事,大多数学生均选最长的连接线。但因实验台上无线槽或固定连接线的装置,导致学生接线非常混乱,存在多线交叉的现象,做出的产品凌乱不堪,缺乏美观。

(四)数学贫乏

该项目中,电气元件、线材、PLC及实验板等材料的各种参数是需要根据项目要求进行数学计算的,但大多数院校利用该类型实验板上课时,均忽略了这块知识点。红绿灯的亮和灭的时间集在编写程序时,可以是一个周期数列,但同学们最终提交的程序,大多数是单流程编程法或基于状态转移的编程法,编程思想比较局限。整个项目忽略了数学知识的应用。

在建设高质量教育体系努力实现教育强国的今天,高等教育如何体现教育的“高等性”与“职业性”?本文从我国国情出发,立足我国的课程改革,以PLC技术应用课程为例,研究、探索基于STEAM教育理念的制造类专业理实一体化课程的一个解决方案。

二、基于STEAM教育理念的PLC课程教学模式构建

教学模式是指在某种教学思想或教学理论指导下建立起来的一种较为稳定的教学活动结构框架和活动程序,通常包括五个因素:理论依据、教学目标、操作程序、实现条件和教学评价,这五个因素之间的有规律联系就是教学模式的结构。

(一)理论依据

STEAM教育理念鼓励学生在科学、技术、工程和数学领域的发展和提高,培养学生的综合素养,从而提升其全球竞争力。该理论的教学思想遵循新工科的建设内涵和特征,也遵循卓越工程师教育培养计划。

PLC的知识体系由理论知识体系和实践应用体系构成。理论知识体系包含PLC构成原理、软硬件结构、编程指令;实践应用体系包含PLC控制系统的设计及电气设备的安装和调试。因此,PLC技术应用课程和STEAM教育理念之间存在隐含规律,它们之间互相成就,STEAM教育理念为PLC课程构建提供夯实的理论依据。

(二)教学目标

任何教学模式的核心都是教学目标,教学目标对构成教学模式的其他因素起着指向和制约作用,它影响着教学模式的操作程序和师生在教学活动中的配合关系,也是制定教学评价指标的依据和尺度。基于STEAM教育的制造类专业理实一体化课程教学模式需要在学习过程中注重学生的科学认知,注重体验教学,培养学生的创新能力,技术、工程、艺术和数学互相结合,打破常规学科界限。

因此,基于STEAM教育的PLC课程教学目标要求学生能够利用科学、技术、工程、艺术和数学五元素中的全部或两项以上对项目进行分解,并对项目进行探究,提高学生学习的能力,养成良好的思维和学习习惯。发展好奇心和求知欲,培养坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度与科学精神,形成科学的价值观,培养学生的团队合作精神。表1描述了STEAM元素与PLC技术应用课程的内容融合关系。PLC知识体系是基于现代工业控制系统的知识和技能体系,教学要借鉴项目开发建设的思想指导教学过程,融合STEAM教育理念,从项目开发实际角度出发,通过对本课程的学习和训练,使学生熟悉PLC的基础知识,掌握PLC的指令系统和编程方法,培养学生分析、解决生产实际问题的能力,能够应用PLC完成实际控制系统的设计、安装及调试,达到与从业相关的职业技能要求,成为真正意义上的技术应用型人才为教学最终目标。

(三)操作程序

操作程序制定了在教学活动中教师和学生在不同阶段应该完成的任务,即规定了师生应该先做什么、后做什么。每一种教学模式都有与其融合的逻辑步骤和操作程序。STEAM教育理念的教学模式是一种建立在建构主义教学理论基础上的探究式教学模式,它适用于各类理实一体化课程的教学,尤其是实践性和操作性较强的课程,有利于教师按本校实训室现有设备,构建自己的教学策略开展教学。教师能比较准确掌握学生在不同任务阶段的知识与技能掌握情况,然后开展因材施教,满足不同学习能力的学生需求,充分体现“以学生为本”的教学理念。

以“基于PLC十字路口交通灯的控制”为例,这是一项具体的日常可见的工程项目,适合采用STEAM教育理念的项目教学模式开展教学。首先,老师应该让学生清楚该项目的硬件系统由哪些部分构成?指示灯、传感器、PLC模块、电源模块及按钮等构成足够吗?怎样让学生可以懂得程序编写思路、编程方法技巧,并应用到编程学习中,提高编程能力,转化成自己的知识和技能。因而,在基于STEAM教育理念的PLC课程教学模式的教学活动中,教师的角色应体现如下几点。

(1)将和项目有关的科学原理告诉学生,让学生去探索项目中所隐含的科学规律;如本文所提及的十字路口交通灯,教师可以提出如下问题进行探讨:交通灯的控制经历了什么样的过程?为什么选红黄绿这三种颜色作为信号灯颜色?低压电器工作怎样实现闭合与断开?高、低电平是什么?为什么要用PLC来实现交通灯的控制?等等科学问题,以提升学生科学精神。

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