李 莉，林立松，宋卫海

（山东农业工程学院 机械电子工程学院，山东 济南 250100）

我国高等教育快速发展，已经从大众化的教育阶段，进入了普及化的教育阶段，新的发展历史时期给教育发展新的历史任务。我国的高等教育的质量革命以“新农科、新工科、新文科、新医科”的质量建设为重要代表，让我国教育创新与改革步入快车道。“四新”建设促进建立覆盖全部学科类别的具有中国特色、具有世界水平一流的本科专业群。“四新”教育理念重点强调的是本科学科建设的实用、交叉和综合。

山东农业工程学院坚持“以农为基，以工为主，农工融合”的办学定位，近60年的发展历史，形成了以工学为主体，农业工程为特色，以服务现代农业为主线，多学科协调发展的学科专业体系。2019级机械电子工程专业进行了 “新工科”专业教学改革，人才培养定位是能在机械电子工程领域（特别是智能农业装备与系统方向）从事设计开发、运行管理、技术服务等方面工作的高素质创新型应用人才。在当前知识集成创新、交叉突破的时代，解决实际问题往往更需要多种学科知识的支持。“四新”建设中的“新工科”“新农科”深度融合，工科、农科之间打破学科壁垒，开展协同融合，并将一体化融合建设贯通到学科建设和课程教学中，是应用型本科高校人才培养的必然需求。

PLC（Programmable Logic Controller），中文名可编程序控制器，是一种数字运算操作电子系统。电气控制与PLC与相关应用的课程名称在各高校不同专业叫法不一，但普遍都是研究该技术的工业领域应用。近年来，精准农业技术的迅速发展与应用，农机技术不再单一性，而是通过将电子及计算机技术与传统农机技术相融合，实现农业机械智能化控制。为了满足现代农业的要求，农业机械逐步采用PLC对各功能部件进行全方位控制，从而实现精准施药、精确播种、合理施肥、节水灌溉等。

《电气控制与PLC》是山东农业工程学院电气工程及其自动化和机械电子工程专业的一门专业课程，是以农业应用为项目，将软件知识和硬件电路设计融合的课程，新工科与新农科一体化融合建设的需求下，该课程的教学改革大有潜力可挖掘。

1 电气控制与PLC课程教学现状

《电气控制与PLC》课程涉及到的知识面包括低压电器及电气控制线路，PLC定义、分类、发展，各机型的软硬件的认知、PLC指令的格式及功能，指令编写设计程序方法，硬件输入输出分配及电路的搭建，程序的运行与调试，另外还有通信网络、计算机控制等方面的相关知识。下面针对课程中PLC部分的内容改革进行陈述。目前很多应用型本科高校依然沿用“理论+实践”的教学模式开展教学，有以下几个方面的缺点：

1.1 课程内容陈旧，不能紧跟工农业快速发展步伐。

从PLC原理开始到PLC的I/O接口、软件编程、功能指令等，基本保留在理论的层面，理论部分学时较多；而实践部分学时不足，且实验设备以实验台或实验箱为主，实验内容多为验证性实验。

1.2 教学方法单一，不能激发学生的学习兴趣。

传统的教学模式主要形式是理论的讲授式教学，这种教学形式下的学生会缺乏自己思考的过程，学生也无法调动学习主动积极性；学生对PLC硬件以及相应的软件形成系统理论全面的认识相对困难，下意识中会认为学习只是为了应付考试获得学分，难以对PLC课程产生浓厚兴趣。

1.3 考核形式固化，不能全面评价学生工程能力水平。

传统的《电气控制与PLC》课程最终考核的模式仅仅是学生的平时成绩加上学生的期末考试成绩然后计算出学生的最终成绩，经考核后，虽然学生成绩达到合格线，学生大多仍然不会独立地使用PLC进行设计控制系统，很难达到《电气控制与PLC》课程的教学与考核要求。

1.4 创新教育匮乏，不能拔高学生的创新素养。

在传统教学模式中，大多数实验或实训都是验证性的、实验形式单一且实验项目相对固定。大多数情况都是学生根据老师的讲解进行实验验证，这就造成学生缺乏独立思考过程，无法依靠所学理论知识对实验题目进行设计的过程，项目化训练和实践能力的培养显得明显不足。但是，真正的职场所需要的职业素养，如口头表达能力、团队协作能力和组织协调能力等，都得不到培养和锻炼，这就造成学生学习的积极性和主动性很难被调动起来，也缺乏对学生创新精神、团队合作等职业精神的培养。而在“新工科”“新农科”人才培养上更需要突出能力素质。

1.5 教学资源不足，教材建设滞后。

目前关于PLC的教材琳琅满目，基本的内容结构是介绍 PLC的发展、定义、工作原理、硬件连接方法、通用化的编程语言、指令系统、经验法程序设计方法、PLC与上位机及其他PLC之间的通信与网络。而项目化教学的教材并不多，且适合农业工业融合的项目化教材建设不足。

2 电气控制与PLC课程项目化教学目标

在教学改革的浪潮中，很多同类课程也都在进行教学改革，包括翻转课堂、信息化教学手段、甚至项目化教学研究，但是融合“新工科”与“新农科”一体化建设，结合项目化教学理念，进行PLC课程的项目化教学设计的研究还鲜有发现。

山东农业工程学院《电气控制与PLC》课程设置了明确的课程教学目标。

2.1 知识目标

熟悉PLC的基础知识、了解PLC结构及工作原理，掌握PLC基础编程知识。

2.2 能力目标

能够根据农业及工业需求，利用PLC熟练完成项目设计以满足现场的需要。具备PLC输入输出配置及程序设计的能力，具备控制系统设计与调试的能力。

2.3 素质目标

具有细致严谨、实事求是的科学态度，良好的实验素养和观察、分析、判断和解决实际问题的能力。

3 电气控制与PLC课程项目化教学设计

《电气控制与PLC》课程项目化教学遵循如下“四新”设计原则。一是新内容。课程教学内容打破常规的知识化章节形式，选择农业与工业项目作为教学内容。二是新方法。《电气控制与PLC》课程全程采用“教学做研”一体化教学，结合翻转课堂+信息化教学手段，进行教学方法创新。三是新评价。课程采用形成性考核方式，全方位的过程性评价。四是新活动。选拔优秀学生参加自动化类学科竞赛、参与教师课题研究、尝试申报专利等科技创新活动。按照“四新”原则进行的项目化教学设计如下。

3.1 新内容

根据项目化教学设计要求，对课程内容进行重构。《电气控制与PLC》课程设置了农业大棚灯光控制设计、农业大棚出入口设计、农业大棚卷帘机控制、苹果自动分拣控制系统设计、农药配料控制系统设计、农业大棚模拟量控制设计、农业大棚电气综合控制设计等7个农业方向实验项目，还设置了人行横道指示灯控制、十字路口交通灯控制、大小球自动分拣控制、全自动洗衣机控制、机械手控制系统设计、病床呼叫控制系统设计、多层电梯PLC控制系统设计等7个民用及工业方向实验项目，农业项目+工业项目结合满足“新农科”与“新工科”融合培养，所有实验项目入选实验项目库。

3.2 新方法

为了满足项目化教学的实效，教学采用了多种教学方法进行。《电气控制与PLC》课程全程采用“教学做研”一体化教学。为了让学生对农业环境与工业现场的控制要求更加明确，课程利用互联网技术，引入大量课程音视频资源还原现场作业。所有教学过程均以项目化教学开展，课堂创新翻转课堂+各种信息化手段进行组织，可以达到教学师生更好互动，以学生为中心参与教学全过程，提高了教学效果。

3.3 新评价

在《电气控制与PLC》课程的教学设计中，通过合理的考核机制去评价学生的项目化学习效果。不再以传统的依赖试卷考核的方法片面的考查学生的学习情况。改革后的《电气控制与PLC》课程的成绩由三部分组成，课堂表现占比5%，平时成绩占比15%，课内外创新实践与仿真占比20%，期末考试占比60%。课堂表现和平时成绩可以由学习通平台给出成绩；课内实验、课外实践与仿真部分（主要指第二课堂作品），由学生提交微视频到学习通，学生之间进行互评得出成绩；老师给出期末考试成绩。以上网络平台+生生互评+教师评阅的考评过程，体现了考评主体多元化。考评内容过程性的特征，看的是学生的真能力，增加了课程的挑战度。

3.4 新活动

课程教学的过程中加强创新教育，鼓励学科竞赛、科研创新、专利申报等科技创新活动。引入相关自动化大赛的竞赛项目丰富第二课堂内容，一方面促进学生创造性思维、创新创业能力等方面的培养，另一方面不断的扩充教学项目库，为教学积累大量的资源。

4 课程项目化教学改革实践

4.1 项目化教学内容整合

“农+工”项目化教学内容整合，共同构建《电气控制与PLC》的知识体系，农业项目和工业项目不同场景的应用，设计内容也完整的体现了教学内容的连贯性，项目化教学的内容结构如图1所示。

图1 项目化教学的内容结构

4.2 项目的具体实施过程

《电气控制与PLC》的项目化教学过程是将“教学做研”相结合，理论实践一体化的过程。每一个学习项目都在实验室完成，每个项目的教学是按照以下6步进行，下面以项目六——农业大棚模拟量控制为例进行说明。

第一步，明确任务。利用库指令进行PLC模拟量控制设计。该项目是半开放性项目，要求同学基于前面实验设计的基础，挑选部分功能与模拟量控制形成一个农业大棚综合性控制方案，控制对象可以为温度控制，湿度控制，二氧化碳控制，光照控制等。要求独立完成全过程，且至少实现其中一种模拟量的控制。明确任务的环节让学生知道在下面的几次课，要做什么，实现什么控制，达到什么目标。学生带着任务的紧迫感和求知欲去学习，积极性明显提高。

第二步，资讯。为了对后期设计更有把握，由教师提供相关资讯，使学生掌握与任务相关的理论基础知识；在理论知识讲解中，穿插丰富的实例，进行示范性练习，让学生打好设计的基础，扫除设计中的障碍。本项目的资讯部分包括模拟量模块选择及设置；库指令及安装；模拟量控制的设计方法，为农业大棚模拟量控制项目实施中模拟量程序编写做好准备。

第三步，计划。农业大棚模拟量控制项目的学时计划安排4学时，在计划阶段，对学生分成小组，各小组学生根据控制要求讨论个人的程序设计思路和方案。

第四步，实践与操作。根据设计思路进行实施，建立项目，输入程序，调试运行。建议教师最后给出样例程序，全体学生一起分析、研讨甚至纠错，总结设计程序的经验。

第五步，效果评价。通过程序调试结果，比较各组设计的优点与缺点，对学生设计的程序进行点评，学生之间进行互评，包含学生的学习态度考核，最后给出学生过程性考核的成绩。将评价信息反馈给学生作为下一次工作任务的参考。

第六步，知识巩固。农业大棚模拟量控制项目控制量还有很多。给学生布置课后的开放性研究项目，要求学生按照实验原理和方法查阅相关农业知识，参考在线课程资源中基本的模拟量控制案例，以开放模式的学生自主训练为主，让学生课后至少2个模拟量控制的功能实现。

4.3 学生考核的具体方法

《电气控制与PLC》课程考核与评价注重考核形式的多样性，除了课堂项目完成情况互评，平时课堂还会灵活利用网络工具，加大网络在线测试、抢答、讨论区、在线答疑的力度，提高灵活性，加强分析问题和解决问题能力的考核。

4.4 大赛项目的参与与引领

《电气控制与PLC》课程还为学生参加全国大学生“西门子杯”工业自动化挑战赛打好坚实的知识基础，同时以大赛赛题作为课程项目库的扩充内容，如以智能工厂、智能车间、智能生产线、电梯、智能农业装备中某个连续生产过程的升级改造为背景，让学生创新的完成相关项目的工艺分析、生产优化、智能算法开发、控制系统设计、实施以及异常处理等工作，对课程的资源建设起到引领作用，促进学生全方位能力的提升。

5 课程教学改革成效

这门课程从设计到建设到实施，已经经历了2年时间。以2017级电气工程及其自动化专业和2018级机械电子工程专业学生作为对照组，2017级采用了理论课+课内实验的方式进行教学，2018级以“四新”建设为背景，以“农+工”选取项目进行课程项目化教学改革。农科与工科相互融合的项目化教学已经取得良好的教学效果，不仅在很大程度上提升了课程学生的运用综合知识的能力、基本工程实验的实践操作能力和创新设计意识，也大大激发了学生未来从事科学的研究与探索的兴趣以及潜能，在一定程度上发扬了理论联系实践、实践验证理论、求真务实的学风以及团队协调合作的人文素养精神。通过项目化、任务驱动式的课程教学，学生进行更加贴近实际工程实践的学习和训练，能够真正理解与掌握《电气控制与PLC》的课程内容和教学理论知识，这种项目化的教学模式得到学生众多的支持和欢迎，其教学模式取得的良好效果，具体的表现是这三个方面：

5.1 学生学习兴趣浓厚，成绩得到了普遍提高。按照课程项目设计的评价指标实施课程考核，得到2017级电气工程及其自动化专业和2018级机械电子工程专业学生成绩的分布。如图2所示。

图2 学生成绩分布直方图

从成绩分布看《电气控制与PLC》课程的改革是有成效的，成绩的良好率提高，低分段占比下降。

5.2 有效培养了学生团队之间的协调、合作和沟通的能力。进行分组的教学不仅仅有效提升了学生的团队协作意识，小组成员分工合作，成员之间相互配合，共同完成团队目标，培养了学生的团队精神；随堂讨论，课后答辩，微视频录制等实践教学过程，更是提高了学生的语言表达和人际交往的能力。

5.3 有效引导学生进行自主的学习，提高学生的创新设计水平。小组项目的完成和小组作品的展示，不仅仅使学生提高了满足感，更提高学生学习课程的信心，从而有效提升学生了自主学习探索能力，学生们逐渐开始主动联系老师，积极参加校、市、省级乃至全国的竞赛项目，这样大大提升了学生的创新设计能力。

6 结语

“四新”建设背景下以“农工融合”为基础进行项目化教学，为《电气控制与PLC》课程教学改革提供了新的路径，在教学实践中对教师学生都提出了一些挑战。新的改革效果显著，获得师生督导和行业企业一致好评，但改革之路任重道远，依然有很多方面不完善，比如能满足“农工融合”项目化的《电气控制与PLC》课程教材还是空白。随着课程教学资源的不断完善，教学模式的持续探索，必将在新的教育时代课程改革方面提供有益的参考。