王凱 蔣曙光 吳征艷

摘 要：針對安全工程專業(yè)缺乏電子信息及自動化相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課學習的現(xiàn)狀，自主研發(fā)安全監(jiān)測監(jiān)控課堂教學演練系統(tǒng)。建立寓做于教，課堂講授與實訓演練相結(jié)合的教學模式，剖析提煉教學重點，拓展前沿教學內(nèi)容。文章研究了教學內(nèi)容與教學演練系統(tǒng)的耦合關(guān)系，使得教學實訓裝置的實用性與先進程度滿足課堂教學創(chuàng)新實踐的要求。豐富了課堂教學內(nèi)容，擺脫了枯燥無趣的理論講解，全面提高了安全專業(yè)學生的學習效率及專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學效果。

關(guān)鍵詞：寓做于教；實訓演練；煤礦安全；監(jiān)測監(jiān)控；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）04-0017-03

隨著工業(yè)企業(yè)運行規(guī)模的不斷擴大，工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)也在發(fā)生著日新月異的變化。從大型廠區(qū)的生產(chǎn)線參數(shù)監(jiān)控、視頻監(jiān)控到工業(yè)以太網(wǎng)建設(shè)；大型寫字樓及商場的可視化消防監(jiān)控系統(tǒng)；煤礦企業(yè)井下的各種氣體的環(huán)境參數(shù)、通風機等機械設(shè)備的運行工況等，都離不開高性能控制器件及設(shè)備的支持。因此，根據(jù)現(xiàn)有的工業(yè)安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)特點，建立安全監(jiān)測監(jiān)控教學演練系統(tǒng)，使學生掌握工業(yè)安防的相關(guān)知識和應(yīng)用實踐，具有重要的意義[1]。

“安全監(jiān)測監(jiān)控”作為安全工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其主要內(nèi)容是講述監(jiān)測監(jiān)控在煤礦中的應(yīng)用、煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的原理和組成，其核心為可編程控制器，即PLC。為了提高學生工作后的應(yīng)用實踐能力，拓展對各類工業(yè)安防系統(tǒng)的案例進行分析。我們研究開發(fā)的PLC教學演練模擬控制系統(tǒng)在此思路上加以完善和改革，實現(xiàn)模擬與實驗結(jié)合，教學理論與課堂實訓演練結(jié)合[2]。綜合考慮系統(tǒng)操作的方便性，演練過程的安全性，演示項目開展的多樣性?？膳c上位機相連，亦可與實際操作設(shè)備相連，內(nèi)容豐富，效果明顯，可以模擬實際情況，為PLC的理論教學提供良好的實驗、學習以及科研條件，具有很強的使用價值。

一、“安全監(jiān)測監(jiān)控”課程現(xiàn)狀與困惑

中國礦業(yè)大學為了培養(yǎng)高素質(zhì)的專業(yè)人才，通過完成課程任務(wù)、學習專業(yè)知識、掌握實踐技能來形成自己的核心競爭力，并且具有全面的知識結(jié)構(gòu)。安全工程專業(yè)是在礦井通風與安全專業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，安全監(jiān)測監(jiān)控作為安全工程專業(yè)的一門專業(yè)課，隨著近幾年學生面向建筑、石油、化工、煤礦就業(yè)的發(fā)展，為了迎合就業(yè)現(xiàn)狀，必須對課程配置進行優(yōu)化拓展[3]。因此，實訓環(huán)節(jié)在整個教學過程中起著至關(guān)重要的作用。課堂教學的創(chuàng)新實踐過程對教學實訓裝置的實用性、先進程度要求比較高，既應(yīng)有真實的生產(chǎn)性功能又應(yīng)有很強的學習演練功能。所謂真實的生產(chǎn)性功能，就是實驗設(shè)備所完成的某一控制功能是來自實際的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，具備一定的應(yīng)用代表性，而不僅僅是設(shè)計出來的教學模型[4-6]。

教學演練是人們利用各種現(xiàn)代教學儀器和設(shè)備，將自然界的現(xiàn)象或者生產(chǎn)的過程進行模擬，以實物顯示的形式描述自然現(xiàn)象和生產(chǎn)過程。便于學習者理解，達到理想的教學效果，培養(yǎng)學生的實踐應(yīng)用能力。近年來，安全監(jiān)測監(jiān)控教學取得了很大的進步，但是還存在不少的問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面[7-9]。

（一）課程抽象，難于理解

目前大多數(shù)高校的PLC教學主要以書本講授為主，上課時教師拿著書本或者課件進行講解，由于PLC本身具有一定的抽象性，學生沒有興趣，不好理解，達不到預(yù)定的效果。

（二）缺少應(yīng)用實踐的相關(guān)演示

PLC的教學目的在于將所學的知識融會貫通，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計編程及應(yīng)用。但是沒有實驗，學生不動手，永遠也不會理解，只有自己動手，才能印象深刻。所以，增加PLC教學演練環(huán)節(jié)，對學生深刻理解課堂內(nèi)容，掌握安全監(jiān)測監(jiān)控的相關(guān)原理，鍛煉學生的動手能力就顯得尤為重要。

（三）教學演練系統(tǒng)分散，不便于組合功能演練

現(xiàn)階段好多監(jiān)測監(jiān)控實驗室購置了大量有針對性的實驗設(shè)備。但是，這些裝置都是分散的模塊，不便于進行組合功能的調(diào)試，在實驗課上，還要分功能組裝，浪費了大量的時間，借助本教改項目，開發(fā)一套自成一體，即插即用的PLC教學演練系統(tǒng)具有十分重要的意義。

為了彌補以上的各種不足，充分發(fā)揮PLC教學與工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)講解的引導性，應(yīng)結(jié)合教學及科研的前期工作，和“安全監(jiān)測監(jiān)控”課程的講解內(nèi)容，開發(fā)基于PLC控制的課堂教學模擬演練系統(tǒng)。立足于學生對安全監(jiān)控課程的深刻理解，全面拓展工業(yè)安防監(jiān)控案例，強化基本技能，實現(xiàn)自我能力的提高。

二、寓做于教、課堂實訓演練教學系統(tǒng)的應(yīng)用前景

開發(fā)多功能課堂演練實踐系統(tǒng)，拓展工業(yè)安防監(jiān)控領(lǐng)域相關(guān)的實用案例，形成完整安全檢測監(jiān)控基礎(chǔ)知識向應(yīng)用實踐演化的教學模式。使學生掌握可編程控制器、計算機及其他控制設(shè)備的綜合應(yīng)用，掌握工業(yè)安防監(jiān)控的基本原理，演練工業(yè)安防關(guān)鍵組件的實踐[10-12]。課堂教學演練系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，不僅能夠豐富教師的教學內(nèi)容，提高學生的興趣，提高教學效果，而且能夠為專業(yè)教師在復(fù)雜控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等方面的講解提供支持。

（一）寓做于教、課堂實訓演練教學改革項目的內(nèi)容

研究一套適合教師課堂教學和學生學習，寓做于教、課堂實訓演練相結(jié)合的工業(yè)安防監(jiān)控教學模式，克服課程缺乏專門課堂教學實訓演練的現(xiàn)狀，增強教學效果。本課題要完成的工作主要包括以下幾個方面。

1.煤礦安全監(jiān)控向工業(yè)安防拓展的教學改革方案。為了拓展安全監(jiān)測監(jiān)控課程涉及的知識面，迎合現(xiàn)階段安全工程專業(yè)學生去建筑、化工、石油、煤礦等行業(yè)就業(yè)的形勢。將授課內(nèi)容由煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控向工業(yè)安防領(lǐng)域拓展，建立完善的教學內(nèi)容改革方案并予以實施。

2.建立寓做于教，課堂講授與實訓演練結(jié)合的教學模式。結(jié)合課程特征和學生就業(yè)形勢，提高課程實踐能力提高的環(huán)節(jié)，通過實物和系統(tǒng)演示增強學生學習基本理論的效果，實現(xiàn)寓做于教，課堂講授與實訓演練相結(jié)合的授課模式。

3.剖析提煉教學重點，拓展前沿教學內(nèi)容。在信息化發(fā)展日新月異的今天，工業(yè)安全監(jiān)測監(jiān)控課程的講授內(nèi)容也應(yīng)與時俱進。在全面掌握基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合就業(yè)形勢，拓展前沿教學內(nèi)容，提高學生的科技創(chuàng)新能力和應(yīng)用實踐能力。

4.教學內(nèi)容與教學演練系統(tǒng)的耦合分析。為了實現(xiàn)PLC課堂教學演練系統(tǒng)的預(yù)期目標，根據(jù)教學內(nèi)容對演練系統(tǒng)進行分析，提出合理可行的系統(tǒng)方案。教學演練系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，便于課堂使用，在組裝的過程中，要特別注意各個部分的合理布局，安全可靠，便于操作，提高課堂演練效率，實現(xiàn)教學內(nèi)容與演練的耦合。

（二）寓做于教、課堂實訓演練教學改革項目的實施方案

1.煤礦安全監(jiān)控向工業(yè)安防監(jiān)控拓展的教學改革

實施方案。為了拓展“安全監(jiān)測監(jiān)控”課程涉及的知識面，迎合現(xiàn)階段安全工程專業(yè)學生去建筑、化工、石油、煤礦等行業(yè)就業(yè)的形勢，將授課內(nèi)容由煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控向工業(yè)安防領(lǐng)域拓展，在教材方面增加工業(yè)安防監(jiān)控的典型案例分析，最大限度地讓學生了解和掌握工業(yè)安防監(jiān)控的相關(guān)知識和應(yīng)用實踐案例，進一步完善教學內(nèi)容。在課堂內(nèi)容講授中，適時地增加工業(yè)應(yīng)用案例的相關(guān)內(nèi)容，全面提高學生的創(chuàng)新思維能力和應(yīng)用實踐能力。建立從教材內(nèi)容到課堂講授一體化的綜合改革方案，并在學生之間通過調(diào)研統(tǒng)計的方式，檢驗教學改革的效果和成效。

2.踐行寓做于教，開啟課堂講授與實訓演練的綜合教學模式。結(jié)合課程特征和學生的就業(yè)形勢，增強課程實踐能力提高的環(huán)節(jié)，在充分分析課程實踐目標的基礎(chǔ)上，劃分合理的課程實踐教學層次，根據(jù)以視頻安防監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用能力為主導的總體框架，對原有實踐教學進行轉(zhuǎn)化、重組，進一步提高實踐環(huán)節(jié)的比重，使能力的形成在縱向多元化、橫向?qū)哟位蠘?gòu)建具有一定綜合度，以課題、項目為主導，由學生在課堂實訓演練系統(tǒng)的引導和教師的輔導下完成循序漸進，由淺入深，由簡到繁的教學模式。（1）基本技能訓練：先從安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)備PLC出發(fā)，掌握關(guān)鍵監(jiān)控矩陣及監(jiān)控中心設(shè)備的工作原理、基本功能及技術(shù)指標；熟練掌握各種不同類型的設(shè)備的安裝、調(diào)試的方法、步驟及注意事項。（2）綜合性演練：綜合性演練也按技術(shù)應(yīng)用能力模塊形成主題，設(shè)置綜合性的演練項目，以參數(shù)測定、參數(shù)優(yōu)化、方案比較、系統(tǒng)優(yōu)化等為目標，學生自行研究弄清原理，組建演練系統(tǒng)，完成演練過程，使實踐演練手段為能力形成服務(wù)，而不是為驗證理論服務(wù)。（3）應(yīng)用能力實訓：以工業(yè)安防監(jiān)控應(yīng)用能力為主題，設(shè)置綜合性課題和項目，通過實訓使學生能夠了解工業(yè)安防監(jiān)控系統(tǒng)風險評估及系統(tǒng)集成與維護方法。因此具有明確的應(yīng)用能力指向，并以學生最終完成的結(jié)果和能力的大小作為考核的依據(jù)。通過實物和系統(tǒng)演示提高學生學習基本理論的效果，實現(xiàn)寓做于教，課堂講授與實訓演練相結(jié)合的授課模式。

3.剖析提煉教學重點，拓展前沿教學內(nèi)容，創(chuàng)新教學實踐。在信息化發(fā)展日新月異的今天，工業(yè)安全檢測監(jiān)控課程的講授內(nèi)容也應(yīng)與時俱進。在全面掌握基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合就業(yè)形勢，拓展前沿教學內(nèi)容。為激發(fā)學生對該門課程的學習興趣和培養(yǎng)其創(chuàng)新能力，除了教師在理論課講授過程中，強調(diào)實踐和應(yīng)用結(jié)合外，特別是在課堂演練教學環(huán)節(jié)方面，我們著力改進了教學演練條件和內(nèi)容，提出以“驗證理解——模仿設(shè)計——改進創(chuàng)新”為主導的實踐教學模式，讓學生充分參與實際的動手操作和調(diào)試，將深奧的基礎(chǔ)理論與監(jiān)控技術(shù)方法，以直觀合理的方式處理并進行演練。師生間的充分交互，有效地調(diào)動了學生學習的主動性和積極性。進而引導學生的自主自覺學習，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能和動手能力，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，提高學生的科技創(chuàng)新能力和應(yīng)用實踐能力。

4.強化課堂教學創(chuàng)新實踐內(nèi)容，開發(fā)課堂教學演練系統(tǒng)。為了實現(xiàn)PLC課堂教學演練系統(tǒng)的預(yù)期目標，根據(jù)教學內(nèi)容對演練系統(tǒng)進行分析，提出合理可行的系統(tǒng)方案。教學演練系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，便于課堂使用，在組裝的過程中，要特別注意各個部分的合理布局，安全可靠，便于操作，提高課堂演練效率，實現(xiàn)教學內(nèi)容與實踐演練的耦合。

（1）課堂教學中便于理論與實踐演練的結(jié)合。課堂演練實踐系統(tǒng)不僅讓學生了解PLC的實際構(gòu)成和編程方法，更重要的是讓學生了解各部分的功能以及PLC的控制過程，在課題演練過程中掌握PLC的實際應(yīng)用方法，為實驗過程中的實踐和編程打下堅實的基礎(chǔ)。

（2）建立一個人機友好型的PLC課程教學演練環(huán)境。基于PLC的課程教學演練系統(tǒng)能夠擺脫理論知識講解枯燥，提高“安全監(jiān)測監(jiān)控”課程的教學效果，培養(yǎng)學生濃厚的學習興趣，逐步成為課堂教學的重要環(huán)節(jié)，因此，開發(fā)一個人機友好型的PLC教學演練系統(tǒng)就顯得尤為重要。

（3）課堂教學演練系統(tǒng)是為教學而設(shè)計，鑒于教學的特殊性，其應(yīng)該具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小巧，便于攜帶的特征，能夠隨時進行編程和實驗，操作十分方便。突出教學演練裝置的實用性，具有模擬量和開關(guān)量等多種輸入輸出方式，具有很好的可擴展性。本實驗系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計思路，在以后的教學過程中，可以根據(jù)實際的需要，開發(fā)合適的模塊，使實驗系統(tǒng)不斷地發(fā)展，可同時滿足教師課堂教學和學生實驗的需求，增強學生的動手能力。同時，隨著教學的發(fā)展，可以繼續(xù)進行相關(guān)的模塊設(shè)計，使實驗系統(tǒng)的功能更加強大。

（三）課堂教學演練系統(tǒng)教學改革項目的成效

本項目為了拓展“安全監(jiān)測監(jiān)控”課程涉及的知識面，迎合現(xiàn)階段安全工程專業(yè)學生去建筑、化工、石油、煤礦等行業(yè)就業(yè)的形勢，進行了煤礦安全監(jiān)控向工業(yè)安防拓展中寓做于教、課堂實訓演練的教學改革。主要成效如下。

1.將授課內(nèi)容由煤礦安全檢測監(jiān)控向工業(yè)安防領(lǐng)

域拓展，建立了完善的教學內(nèi)容改革方案并予以實施。增強課程實踐能力提高的環(huán)節(jié)，通過實物和系統(tǒng)演示提高了學生學習基本理論的效果，實現(xiàn)寓做于教，課堂講授與實訓演練相結(jié)合的授課模式。

2.“工業(yè)安全監(jiān)測監(jiān)控”課程的講授內(nèi)容實現(xiàn)與時

俱進。在全面掌握基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合就業(yè)形勢，拓展前沿教學內(nèi)容，提高學生的科技創(chuàng)新能力和應(yīng)用實踐能力。

3.根據(jù)教學內(nèi)容對演練系統(tǒng)進行分析，提出合理可行的系統(tǒng)方案。教學演練系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，便于課堂使用，在組裝的過程中，要特別注意各個部分的合理布局，安全可靠，便于操作，提高課堂演練效率，實現(xiàn)教學內(nèi)容與演練的耦合。

4.提高學生的創(chuàng)新和動手能力。寓做于教、課堂實訓演練的教學模式可以實現(xiàn)課堂教學內(nèi)容的豐富多樣，學生可以根據(jù)不同的演練情景，利用不同的輸入輸出元件，編寫相應(yīng)的控制程序，提高學生的編程能力和創(chuàng)新能力。

三、結(jié)論

為了迎合安全工程專業(yè)學生由煤礦向工業(yè)領(lǐng)域拓展就業(yè)的現(xiàn)狀，文章對課堂教學、實訓演練、工業(yè)安防等方面進行全方位拓展，對安全監(jiān)測監(jiān)控課程向工業(yè)安防領(lǐng)域拓展改革進行了論述。

1.建立了寓做于教，課堂講授與實訓演練相結(jié)合的教學模式，剖析提煉教學重點，拓展前沿教學內(nèi)容。完成了課程向工業(yè)安防領(lǐng)域拓展，建立了完善的教學內(nèi)容改革方案并予以實施。

2.研制了一種新型的可編程控制器教學演示系統(tǒng)

——PLC教學模擬控制板，能夠擺脫理論知識講解枯燥，提高“安全監(jiān)測監(jiān)控”課程的教學效果，培養(yǎng)學生濃厚的學習興趣，并逐步成為課堂教學的重要環(huán)節(jié)。

3.研究了教學內(nèi)容與教學演練系統(tǒng)的耦合關(guān)系，使得教學實訓裝置的實用性與先進程度滿足了課堂教學創(chuàng)新實踐的要求。提高了學生的創(chuàng)新和動手能力，實現(xiàn)了課堂教學內(nèi)容的豐富多樣，全面提升了課程的課堂教學效果。

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