新工科建设背景下电气工程应用型人才培养探究

摘  要：电器与PLC控制技术是电气类专业开设的一门学习工业控制自动化技术的重要专业课程。新工科背景下，传统课程教学模式已无法满足先进制造业对高素质应用型、创新型、复合型工程技术人才的培养需求。围绕电气工程应用型人才培养问题，文章在深入分析先进制造业未来数字化、网络化、智能化发展对技术人才专业能力需求的基础上，深度借鉴工程教育改革理念，深化产教融合，对电器与PLC控制技术课程的教学创新改革进行了有益探索，提出了满足新工科建设要求的电器与PLC控制技术课程教学改革方案和实施路径，旨在为课程教学质量的不断改善和电气类专业应用型人才的培养提质增效。

关键词：新工科;PLC;工程教育;翻转课堂;产教融合

中图分类号：G642    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2022）19-0119-05

随着新一轮全球科技革命和产业变革进程加速深化推进，新的突破性技术不断涌现并与先进制造产业加速融合。作为抢占全球制造业新一轮竞争制高点的主要突破口，工控自动化发展水平关系我国未来制造业全球地位[1]。PLC是在制造行業诸多领域被广泛应用的主流工控技术，在工业与信息技术深度融合发展的过程中，已成为未来制造业智能化演进的核心关键之一。作为一门应用型本科院校电气类专业开设的面向工控领域的主要课程，电器与PLC控制技术在工业自动化领域专业技术人才培养中占据十分重要的地位。新工科背景下，如何培养面向未来智能制造领域所需的具有创新理念、创业能力、创造精神的高素质复合型工程技术人才，是当前电器与PLC控制技术课程面临的一项重大挑战。

一、未来高端制造业人才专业能力需求与课程人才培养现状分析

伴随国内工业控制自动化水平的不断提升与工业4.0的到来，PLC应用领域从传统的冶金、机械、电力、电子行业等逐步扩大到新能源、新材料、新基建等新兴产业领域[2]。传统制造技术与AI、VR/AR、大数据、物联网、5G等信息技术手段深度交叉融合，粗放式、单一化的人力资源能力已无法满足互联、智能、数据、创新的产业发展模式需求，这种变革对行业工程技术人员在职业能力、科学素养、工程技能和发展潜力等方面都提出了更高的要求。

作为电气类专业学习工业控制自动化技术的重要课程，电器与PLC控制技术具有实践性强、应用性突出的特点，课程学习需要具备电路理论、电工技术、电机原理、自动控制原理以及计算机网络、嵌入式技术和软件编程开发等基础，理论知识点繁杂，加之不同厂家PLC产品特点不尽相同，课程的理论教学与实践教学环节设计实施受到方法、教材、学时、设备、场地及成本等条件因素影响，学生的理论知识掌握水平和应用能力培养成效有限，主要表现在：

1. 灌输式的教学模式下，学生被动参与学习，教学内容及扩展性受限于空间、时间以及以课堂PPT展示教学内容为主的教学手段，缺乏互动和引导，学生课堂积极性调动不充分，导致不同接受能力的学生个体在课堂学习知识的认知、理解程度上存在较大差异，学习成效无法达到课程培养大纲的要求。

2. 教学资源较为匮乏、陈旧，教材课程体系在内容和形式上没有紧跟PLC应用于智能工业控制领域的技术发展与实践前沿。学生对PLC技术的应用理解停留在课本概念层面，无法形成感性认识和激发学习兴趣，并且大量枯燥无味的设备指令代码及复杂的电气控制线路进一步降低了学生的学习热情，导致学生知识内化动力不足，后续实践应用能力较弱。

3. 随着5G的普及，大数据时代下的工业互联网应用环境推动PLC控制技术的应用领域不断向新兴产业扩展。但其实践教学还局限于单一实验室环境中在某个厂家平台下开展有限的固化验证性、演示性实验，缺乏开环实践实训环境创设条件，无法引入新的实训理念和实践手段，亦无法开展基于行业实际工程问题的应用型、研究型、探索型实践训练，导致课程实践教学与行业发展需求背离，学生实践创新能力培养效果不佳。

4. 课程考核方式和评价方式原始单一，普遍采用以学生期末考试成绩为主的学生学习成效和教师教学成效一次性评价标准，缺乏针对知识积累和能力获得的过程性评价和考核。课程教学质量的跟踪、反馈、评价、激励机制不够完善，无法为持续改进课程教学效果、提升人才培养质量提供借鉴依据。

综上，电器与PLC控制技术现有理论与实践教学体系无法满足新工科建设对复合型工程技术卓越人才的培养要求，亦与智能制造行业人才专业能力需求存在较大偏差。为此，本研究基于新工科建设对工科专业创新型人才培养的目标要求，从学生知识积累、能力锻炼和素质培养三个维度出发，以工程教育领域CDIO理念为核心，以信息技术支撑下的翻转课堂教学模式为切入点，以培养适应新产业需求和新技术发展工程技术人才为目标导向，深入研究了电器与PLC控制技术课程教学创新改革的方向和路径，并进行了有益的实践探索。

二、工程教育视角下以学生为中心的课程教学体系设计

未来工业互联网进程下的智能制造产业发展将使工业控制自动化技术不断与大数据、云计算、5G、人工智能等信息技术跨界交叉融合[3]。课程作为专业人才培养的基本组成单元，教学体系必须超前感知产业发展趋势并适应行业企业对人才专业能力的实际需要，同时重视对新技术基础理论的工程应用认知和实践[4]。国内外大量研究表明，相比传统工科教学模式，工程教育理念更符合社会和企业对工程技术人才培养的预期要求[5]。课程教学改革充分借鉴发挥了工程教育模式在培养复合型工程技术创新人才中的重要作用，针对电器与PLC控制技术课程教学中存在的资源、模式、手段、成效等短板，结合新工科建设要求，以智能时代工程教育视角构建学生竞争力与创造力培养为核心的PLC技术课程教学体系如图1所示。

课程教学体系以新工科建设对人才能力培养的综合要求为驱动，以为学生提供面向未来发展核心竞争力与价值创造力为目标，探索开辟适应PLC课程教学特点的全新工程教育路径，将工程教育模式精准内嵌于课程教学全过程[6]，以行业发展为引领重构教学内容、增强教学手段;以工程实践为导向设计教学案例、建设数字资源;以信息技术为支撑翻转传统课堂、激发学习效能;以实践应用为挑战检验学习成效、升维工程素养;以学生全面发展为依归，建立多元立体的课程评价与目标达成闭环反馈机制，持续评估、改进、提升、巩固课程教学效果。

三、课程教学改革实践探索

传统教学多以知识传导为主，教学过程枯燥、单一，且受时间、空间、手段限制，缺乏教学活力与教学创新[7]。本研究从电器与PLC控制技术课程教学的三大支撑点出发，探索并研究工程教育理念与PLC课程教学创新改革的全方位、系统性、全过程融合实践。

（一）以工程应用重塑课程内容体系

现有课程内容体系重理论轻应用、重课堂轻实践、重考试轻过程，学生普遍存在为考而学、学无所用的学习体验。因此，课程教学内容改革以解决复杂工业流程的实际应用场景为出发点，根据工业控制生产的真实项目对课程内容进行整体重塑，将PLC技术及其工控应用涉及的核心知识点及基础能力要求作为各授课单元的基本要点和目标组织课程内容体系，设计以项目驱动教学、理论支撑实践的涵盖思政、通识、数理、工具、器件、原理、方法、设备、计算机、设计、应用等面向行业知识技术、思维创新、工程应用、职业素养等共性培养需求的课程内容体系架构，如表1所示。

课程内容注重夯实计算机数理通识及电气控制等工程基础，按项目渐进式过程将课程内容凝练规划为学习工具、常规低压电器、电气控制线路、PLC技术、综合设计及课程思政六个教学目标模块。横向整合各模块细分教学内容的连贯性，形成由通识到专业、由理论到实践、由器件到设备、由设计到应用的全覆盖、立体化、多层次教学内容体系。

（二）以翻转课堂改变教学呈现形式

随着高性能移动数字终端设备的大量普及和以5G为核心的信息技术的推广应用，不同形式的“互联网+”教学手段不断涌现[8]。课程使用超星学习通平台，充分借助数字化、信息化技术，设计了线上线下深度融合的递归式多维协同翻转教学模式如图2所示。

该模式针对课内理论教学设计了课前导学、课中研讨、课后提升三个教学环节，学生作为教学主体在教师引导下全程互动式参与、体验、完成各环节线上和线下学习与训练任务。

课前：教师根据课程教学目标选取工程案例，设计具有启发性、引导性和连贯性且难易适中的学习任务，利用现代信息技术制作课程导学资源并通过线上平台发布;学生通过阅读分享、视频自学、互动交流、挑战答题等方式完成导学任务，形成对下一阶段课堂学习知识点及其应用的初步理解，反馈存在问题及学习体会;教师通过线上平台获取学生学习反馈并进行问题分类、记录个体差异，对下一阶段课堂学习的内容、重难点、形式进行设计调整。

课中：通过案例引入激发学生学习兴趣与工程认知，综合采用课堂讨论、个人分享、分组交流等灵活多样的方式进行案例分析和答疑解惑;利用视频动画、虚拟仿真软件对课堂讲授知识点的应用开展可视化教学，引导学生进一步加深对所学技术理论及其工程应用的直观理解，消除学生对所学课程“学无可用”的困惑感;最后，通过课堂随测，对学生参与课堂互动教学的效果以及对知识点的掌握程度进行评估。

课后：系统性梳理前述教学环节存在问题，通过线上、线下混合方式指导答疑、资源分享、专题作业巩固提升学生学习成效。按项目模式开展分组进阶任务训练，通过分组讲解、分组讨论、分组问答培养学生分析能力、表达能力、协作能力和实践应用能力，充分实现学以致用，切实破除学习个体“打酱油”现象。

（三）以产教融合推动实践体系创新

实践教学作为工程教育理念的最后一环和课程培养体系的“最后一公里”，是衔接理论学习与工程实践的关键环节[9]。课程实践教学体系建设紧紧围绕PLC行业发展对工程技术能力的培养要求，以产教融合为引领打造课内实操、课外实训、企业实践三层衔接、能力递进的“2+2”实践教学体系：以教育部产学研实验室建设项目为载体，联合企业构建创新实践平台开展产学研合作;以教育部产学研师资培训项目为依托，引入行业企业具有丰富项目经验的工程技术人员参与实践教学指导，扎实推进校企合作育人;以学科竞赛为支撑牵引，大力培育学科赛事训练平台，以赛助研、以研辅教、以教促赛，充分发挥产教研赛在培育学生工程实践及科研创新能力上的突出优势。

课程以实际工业场景下的工程应用问题打造实战化综合工程实训项目。项目实战训练以团队分组形式参照实际工业项目流程开展。学生全程参与项目需求分析、技术选型和方案设计，严格按照工程规范分析设计方案的合理性、可行性，发现问题并提出解决思路，真正做到学以致用，充分培养学生团队意识、创新意识、挑战自我的进取精神以及钻研问题的工匠精神。

四、多元评价视角下的教学评价机制改革及成效分析

教学评价是保障课程教学质量稳定和教学效果持续改进的有效手段，也是课程培养目标达成的重要依据[10]。本课程学生综合成绩评价和课程教学效果评价，从多个维度、不同尺度进行了科学合理设计，多条线反馈并做到客观、真实、准确地反映课程教学效果和学生综合能力。其中，学生考核设计注重各教学环节的全过程、全方位考察，形成覆盖线上、线下，包括课前学习准备、课堂测评、互动交流、分组研讨、课后作业、项目考核等多元课程加权评分机制，综合考评学生的自主学习能力、知识掌握能力、工程实践能力、应用创新能力;教师评价设计注重考察教师能否将工程教育理念精准融于新工科建设要求中，以及教师自身的工程素养和专业能力，评价范围从课前的项目选取、资源建设、任务设计、知识储备，到课中的案例引导、课堂组织、技术手段、氛围驾驭，再到课后的辅导答疑、作业设计、创赛指导、产教融合等，从多个角度设计评价指标，通过教学对象、教师个人、专业同行、工程人员、用人单位等不同评价主体进行分类评价，最终建立覆盖“教与学”“过程与结果”“课内与课外”“学校与企业”的多元化立体式课程综合评价反馈机制，充分保证电器与PLC控制技术课程教学创新改革向縱深推进发展。

为检验教学创新改革方案实际成效，课程自2020年起选择校内机电大类培养实验班开展了三个批次的验证性教学。学生学习效果综合评价基于改进设计的多元化课程教学考核评价机制，分为课内评价和课外评价，评价权值各占50%，采取过程性评价与终结性评价相结合的方式，进一步强化过程评价对学生知识、技巧、思维、方法、创新能力养成的指标性作用。其中，理论教学过程评价覆盖课前、课堂、课后三个阶段，有针对性地选取了能够反映学生学习过程、知识内化和应用能力的指标，按单次成绩取加权平均，分别按课前15%、课中20%、课后15%赋权，综合50%期末测试成绩取得课内评价成绩;实践教学评价覆盖课内实验实训、科研竞赛、企业实践及项目实战四个环节，以项目挑战作为课外终结性评价，考查学生学以致用的能力。通过对实验班学生综合成绩以及学习目标达成度的分析表明，采用工程教育理念并通过信息技术支持下的翻转课堂，对提升学生学习兴趣、动力及热情有明显促进作用，学生对课程知识内化理解程度以及工程实践素质和科技创新能力得到大幅提升，相比其他未开展验证教学的专业班级，教学效果得到显著改善。

五、结语

综上所述，以工程理念驱动教学过程，将专业基础理论与行业技术前沿以及工程实际应用联系贯通，深度融合翻转教学、虚拟仿真、项目实践及产学竞赛等教学手段的电器与PLC控制技术课程改革创新实践，实现了“以教师教学为中心”向“以学生学习为中心”的转变，全面激发了学生学习热情与发展潜能，实现了学生从学到做、从理论到实践、从应用到创新、从个性发展到素质提升的层层递进。这促进了教师教学水平、专业技能和产学研协同育人能力的提升，对新一轮科技革命和产业变革环境下电气类专业核心课程教学体系的优化和卓越工程技术人才的培养提供了有益借鉴。

参考文献：

[1] 姚锡凡，景轩，张剑铭，等. 走向新工业革命的智能制造[J]. 计算机集成制造系统，2020，26（09）：2299-2320.

[2] 陶飞，戚庆林. 面向服务的智能制造[J]. 机械工程学报，2018，54（16）：11-23.

[3] 宋旭光，左马华青. 智能制造时代需要怎样的技能人才[J]. 东北大学学报（社会科学版），2022，24（01）：16-24.

[4] 阮岩. 融合工程教育理念的PLC课程体系的教学变革[J]. 高教学刊，2018（09）：127-129.

[5] 赵国勇，许云理，曲宝军，等. 面向工程教育认证的电气控制技术与PLC课程改革[J]. 中国现代教育装备，2020（05）：57-59.

[6] 孙晓波，刘智慧，肖士勇，等. 新工科背景下电气控制与PLC应用课程教学改革研究[J]. 中国现代教育装备，2021（01）：43-44+51.

[7] 张小力，刘江，路颜，等. 电气控制与PLC技术课程教学改革与创新[J]. 中国现代教育装备，2020（23）：71-73.

[8] 李琳，李艳青. 论高校翻转课堂与工程教育模式的融合[J]. 华北水利水电大学学报（社会科学版），2017，33（02）：116-119.

[9] 蔡晓敏，韩燕，景妍妍. 新工科背景下电气控制与PLC技术创新实践能力研究[J]. 中国现代教育装备，2021（05）：85-87.

[10] 蔡纪鹤，毛国勇，史建平. 面向工程教育认证的PLC课程评价改革与实践[J]. 亚太教育，2020（20）：28-29.

（薦稿人：刘辉，赣南科技学院机电工程系副教授）

（责任编辑：邹宇铭）

基金项目：江西省教育科学“十三五”规划课题“‘新工科视角下电气工程应用型人才‘产学研创新培养模式的探索”（课题编号：20YB360）。

作者简介：李慧（1981—），女，硕士，赣南科技学院机电工程系讲师，研究方向为电气与工业控制自动化。