李曉丹，王曉磊，黃海龍，趙英，于 濤

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的PLC課程改革與實(shí)踐

李曉丹，王曉磊，黃海龍，趙英，于 濤

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，提出了對PLC課程進(jìn)行改革的必要性。文中分析了現(xiàn)有教學(xué)模式的不足，通過調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，加強(qiáng)學(xué)生對PLC課程的重視程度與實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；通過項(xiàng)目驅(qū)動法與考核評價的建立，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識與學(xué)習(xí)的主動性；通過引入虛擬仿真軟件的教學(xué)方式，全面提升學(xué)生的實(shí)踐能力。實(shí)踐證明：本次改革使學(xué)生的動手能力、邏輯思維能力和工程應(yīng)用能力得到了全面的鍛煉，對應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到了促進(jìn)作用，取得了良好的教學(xué)效果。

應(yīng)用型人才；PLC課程改革；虛擬仿真；項(xiàng)目驅(qū)動法

目前，我國的高等教育已由過去的精英教育向大眾化教育轉(zhuǎn)變，原因在于學(xué)生畢業(yè)人數(shù)不僅巨大，而且生源質(zhì)量也存在很大的差異，學(xué)校培養(yǎng)的人才與社會需求有些脫節(jié)。如何培養(yǎng)企業(yè)所需求的應(yīng)用型人才是今后課程改革的重點(diǎn)[1-3]。與此同時，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域中，采用PLC做控制器的自動化設(shè)備越來越普遍，PLC控制技術(shù)的應(yīng)用型人才越來越匱乏，急需解決[4-6]。遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院（以下簡稱我院）的PLC課程是機(jī)電專業(yè)的主干課程。傳統(tǒng)的教學(xué)方式已不能滿足企業(yè)單位的用人需求，因此非常有必要構(gòu)建出一套完整適合于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)體系，以解決目前的PLC課程理論與實(shí)踐脫節(jié)的問題。本文通過從調(diào)整教學(xué)計(jì)劃、改革課堂教學(xué)模式，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)與項(xiàng)目驅(qū)動法結(jié)合的教學(xué)模式，突出教學(xué)內(nèi)容的工程性和實(shí)踐性。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

一、調(diào)整教學(xué)計(jì)劃

首先，學(xué)時及PLC課程性質(zhì)發(fā)生變化。原來課程為選修課程，32學(xué)時，其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時占6學(xué)時。由于是選修課、考查課，學(xué)生對這門課程不重視，學(xué)習(xí)積極性不高，達(dá)不到良好的教學(xué)效果。另一個重要原因是PLC是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，學(xué)生學(xué)完的理論知識沒有完全通過實(shí)踐“消化”，同樣達(dá)不到良好的教學(xué)效果；改革后課程性質(zhì)變?yōu)閷I(yè)技術(shù)基礎(chǔ)必修課、考試課，學(xué)時變?yōu)?0學(xué)時，實(shí)驗(yàn)變?yōu)?6學(xué)時，加大了實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)時。其次，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上也發(fā)生了變化，之前基本都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；改革后增加了綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。這種改變加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，提高了學(xué)生的動手實(shí)踐能力，同時促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新、動腦、理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

二、項(xiàng)目驅(qū)動式引入PLC課堂

傳統(tǒng)的PLC教學(xué)中，都是老師按部就班地按課本章節(jié)進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生缺乏“主人”精神，講授的知識如填鴨般地灌給學(xué)生，這樣學(xué)生很容易沒有興趣和主動學(xué)習(xí)的熱情，教學(xué)效果很不理想。針對此問題，本次改革引入項(xiàng)目驅(qū)動式教學(xué)法激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)潛能，效果良好。項(xiàng)目驅(qū)動式教學(xué)法是指在老師給定設(shè)計(jì)任務(wù)，通過團(tuán)隊(duì)或小組合作的形式，共同完成設(shè)計(jì)任務(wù)，從而完成一個完整的教學(xué)任務(wù)[7-9]。

（一）給定設(shè)計(jì)任務(wù)

教師結(jié)合課堂所學(xué)內(nèi)容，利用多媒體軟件播放一些日常生活中學(xué)生所熟悉的工程實(shí)例工作場景，使學(xué)生了解PLC技術(shù)在工程中的實(shí)際應(yīng)用，自動化控制的奇妙。設(shè)計(jì)的任務(wù)應(yīng)由簡單到復(fù)雜，逐層深入，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。例如：三項(xiàng)異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，自動生產(chǎn)線傳送帶控制、交通信號燈的實(shí)現(xiàn)等。教師再根據(jù)課程內(nèi)容將任務(wù)進(jìn)行分解，根據(jù)所分解的任務(wù)學(xué)習(xí)相關(guān)知識點(diǎn)，突出知識點(diǎn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，使學(xué)生切身參與到分析學(xué)習(xí)中，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使在實(shí)現(xiàn)任務(wù)方案的分析討論中掌握課程的知識點(diǎn)。

（二）實(shí)施分組討論，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，首先針對任務(wù)進(jìn)行分解，然后針對分解的具體任務(wù)進(jìn)行分組討論。學(xué)生分組的原則是將3～4名學(xué)生按能力進(jìn)行分解，一組中不能全是能力強(qiáng)的學(xué)生，也不能都是能力較弱的學(xué)生，選擇其中能力比較強(qiáng)的學(xué)生任組長負(fù)責(zé)任務(wù)的實(shí)施。任務(wù)實(shí)施的過程中，可以利用課余時間查找資料，成員之間的討論等手段確定設(shè)計(jì)方案。在此期間，教師負(fù)責(zé)掌控方案設(shè)計(jì)的合理性和可行性，并對小組方案進(jìn)行評價，指出優(yōu)缺點(diǎn)及不足。方案結(jié)束后利用虛擬仿真軟件進(jìn)行硬件搭接、軟件編程、調(diào)試運(yùn)行，使學(xué)生完成對自己方案及程序的驗(yàn)證，加強(qiáng)對知識點(diǎn)的理解和鞏固。通過這樣的小項(xiàng)目的實(shí)施，可以改變傳統(tǒng)的以教師為主體、以老師為主導(dǎo)的授課方式，轉(zhuǎn)變成學(xué)生為主體，以學(xué)生為主導(dǎo)的課堂教學(xué)，不但可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)的主觀能動性和學(xué)習(xí)興趣，還可培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

（三）建立項(xiàng)目評價機(jī)制作為平時成績的考核

對學(xué)生項(xiàng)目的完成情況做出科學(xué)的評價，并作為平時成績，最后計(jì)入期末總成績。評價的方法為以小組為單位進(jìn)行成果匯報，內(nèi)容包括方案的設(shè)計(jì)及項(xiàng)目實(shí)施的過程中所遇到的難題及解決辦法，心得和體會。小組匯報完后，教師給出評價，并給出成績。在給出評價時，對學(xué)生所取得的表現(xiàn)和成績要給予肯定的同時，也要對其不足提出改進(jìn)意見，以便更加深入地理解和掌握所學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生的能力得到提升。這種方法還能鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

三、將虛擬仿真軟件引入課堂，進(jìn)行“虛實(shí)”結(jié)合，提高課堂效果

將虛擬仿真軟件引入課堂，給學(xué)生構(gòu)建一個虛擬的、形象的實(shí)踐環(huán)境[10-12]，讓學(xué)生在課堂上就能完成在PLC實(shí)驗(yàn)臺完成的設(shè)計(jì)任務(wù)，使學(xué)生能夠有更多的機(jī)會得到實(shí)踐，豐富了教學(xué)手段。下面為本次教學(xué)改革引入虛擬仿真軟件的實(shí)施過程。

（1）對于指令的練習(xí)，可以采用仿真軟件進(jìn)行隨堂練習(xí)。通過仿真軟件的指令聯(lián)系，使學(xué)生明白指令的真正含義及如何應(yīng)用，否則在黑板上講指令，學(xué)生很快就會感覺枯燥乏味，失去了興趣。如圖1所示。點(diǎn)下仿真啟動按鈕，再點(diǎn)擊I0.0、I0.1、I0.2下的開關(guān)，開關(guān)就會閉和，即表示I0.0、I0.1、I0.2有輸入，而當(dāng)Q0.0、Q0.1由黑色變?yōu)榧t色表示Q0.0、Q0.1有輸出，程序中變紅色的代表觸點(diǎn)和線圈有效，黑色代表無效。通過這種手段，使學(xué)生可以迅速理解和掌握指令的用法和軟元件應(yīng)用，并掌握軟件調(diào)試的方法，避免了學(xué)生寫完語句不知道對錯的情況，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

圖1 指令練習(xí)圖

（2）通過虛擬仿真軟件實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目驅(qū)動法教學(xué)。在搭接硬件電路時，電路的通斷可以通過觀察電流是否流過判別硬件接線是否存在連接問題，紅色代表電流順利通過，反之黑色表示線路不通，這樣就可以簡單地查找硬件問題。另外，由于實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺的演示也只能通過小燈的方式來演示，不夠形象，且不能反應(yīng)實(shí)際工作的場景。本次采用的虛擬仿真軟件含有一個開放式的元器件庫、多個3D控制對象，用戶可以自己通過系統(tǒng)自帶的各種功能部件，自由搭建用戶所需要的電、液、氣的自動控制系統(tǒng)。教師根據(jù)虛擬軟件所帶的元件庫及3D控制對象，提煉出能夠?qū)崿F(xiàn)的工程項(xiàng)目，按給定項(xiàng)目的要求分給某個項(xiàng)目組。項(xiàng)目組成員首先針對項(xiàng)目要求給出設(shè)計(jì)方案，繪制電路控制原理圖，然后在虛擬仿真環(huán)境中繪制硬件接線圖，進(jìn)行軟件控制方案的設(shè)計(jì)及軟件編程。接著進(jìn)行調(diào)試、仿真，通過3D圖形觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，驗(yàn)證硬件及軟件的正確性。這一過程中肯定要遇到很多問題，需要成員間進(jìn)行協(xié)作、討論，讓學(xué)生學(xué)會思考是何處出現(xiàn)了問題，是硬件問題還是軟件問題，以此來找出解決問題的途徑，最后教師給出綜合評價。具體項(xiàng)目的三維仿真圖片如圖2、3所示。

圖2 四節(jié)傳送帶三維仿真圖

圖3 液體混合三維仿真圖

四、改革效果

通過本次改革，近年來學(xué)生的考試及格率均在90%以上，在未改革前及格率在80%左右。在指導(dǎo)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)方面，學(xué)生的積極性得到了提高，完成的質(zhì)量也得到提升，原因在于本次改革使學(xué)生對PLC的實(shí)踐應(yīng)用能力得到全面鍛煉；同時已有很多學(xué)生將PLC控制應(yīng)用到各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目及科技競賽項(xiàng)目完成作品的制作，如圖4、圖5所示。圖4為校級大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目雙軸伺服控制實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)械手搬運(yùn)過程的模擬；圖5為參加省級機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽作品。

圖4 雙軸伺服控制實(shí)驗(yàn)臺

通過調(diào)整教學(xué)計(jì)劃和虛擬仿真軟件與項(xiàng)目驅(qū)動法結(jié)合的教學(xué)方式，提高了學(xué)生對本門課的學(xué)習(xí)興趣及主動性，學(xué)生的考試成績得到了顯著提高；同時通過硬件搭接檢驗(yàn)了學(xué)生電路是否正確，通過虛擬仿真驗(yàn)證了所編制程序正確性；通過對仿真過程中遇到軟硬件問題的解決，使學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力有了大幅度的提高。通過本次改革，已經(jīng)使很多學(xué)生可以參與到機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中做控制，并取得優(yōu)異的成績，對應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到了促進(jìn)作用。

圖5 機(jī)械設(shè)計(jì)競賽作品

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TH164

B

1674-327X (2017)05-0116-03

10.15916/j.issn1674-327x.2017.05.035

2016-12-26

2016年遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革項(xiàng)目(20160295)；遼寧工業(yè)大學(xué)2016年教學(xué)改革項(xiàng)目(2016001)

李曉丹(1982-)，女，天津人，副教授。

(責(zé)任編校：付春玲)