李 萍 祁 鯤 劉麗華

北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院 北京 100192

PLC是專為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的一種數(shù)字運算控制器。采用可編程的存儲器存儲面向用戶的指令，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)、算術(shù)運算等操作，通過數(shù)字或模擬輸入或輸出通道控制各類自動化生產(chǎn)流水線。PLC是將計算機技術(shù)與繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的出現(xiàn)可解決傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)中繼電器裝置多、接線復(fù)雜、可靠性低、耗能高以及靈活性較差等問題，目前已被廣泛應(yīng)用于水泥、鋼鐵、石油化工、紡織、輕工食品、飲料、啤酒等電氣自動化行業(yè)中。

電氣控制與PLC技術(shù)應(yīng)用是一門實踐性非常強的專業(yè)主干課，是廣大工科院校電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，也是我校自動化專業(yè)的專業(yè)選修課程。課程實驗在電氣工程實驗室的PLC電氣控制實驗平臺進行。原有的實驗裝置簡陋，安全性差，實驗?zāi)K功能少，擴展實驗內(nèi)容有較大局限性，而且采用的PLC型號非目前工業(yè)領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品，影響學(xué)生就業(yè)后快速上手；且原有實驗裝置從開發(fā)手段到實驗內(nèi)容遠落后于現(xiàn)代PLC技術(shù)發(fā)展水平，與當(dāng)前通用的PLC實驗教學(xué)平臺先進程度有較大的距離；無法體現(xiàn)教育教學(xué)先進性，學(xué)生缺乏創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)實驗條件。因此目前實驗裝置所開設(shè)的實驗不能滿足電氣工程專業(yè)、自動化專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證[1]中關(guān)于“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)的目標(biāo)要求，不能滿足電氣工程專業(yè)、自動化專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生與企業(yè)實現(xiàn)無縫對接。

1 PLC實驗室建設(shè)必要性

鑒于上述問題，提出PLC實驗室建設(shè)，經(jīng)對全國知名教學(xué)儀器生產(chǎn)廠家有關(guān)PLC實驗?zāi)K的性能、價格、實驗種類等進行考察；選購目前企業(yè)應(yīng)用主流PLC控制器及配套實驗裝置，可模擬工業(yè)生產(chǎn)流程，可實現(xiàn)較復(fù)雜對象的控制。優(yōu)化設(shè)計實驗?zāi)K配套功能，完成電氣控制PLC實驗平臺的更新?lián)Q代(實驗室條件改建，實驗臺各模塊調(diào)試)，重點通過實踐教學(xué)改革制定層進式實驗項目，引入先進的實驗教學(xué)理念、實驗方法、手段和實驗內(nèi)容并滲透到課內(nèi)實驗、課程綜合實踐、開放實驗、創(chuàng)新實踐、畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)中，開拓學(xué)生視野，完善知識儲備，達到“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)的目標(biāo)，具有創(chuàng)新能力。

開發(fā)出符合專業(yè)培養(yǎng)方案的課內(nèi)實驗教學(xué)、開放實驗、大學(xué)生創(chuàng)新、畢業(yè)設(shè)計等PLC相關(guān)實驗項目，形成該課程完整的實驗教學(xué)體系[2]，同時通過實踐教學(xué)改革對課程體系中其他相關(guān)課程實踐項目進行優(yōu)化，進一步完善培養(yǎng)方案，提高學(xué)生實踐技能和專業(yè)素質(zhì)，使其具有解決復(fù)雜工程問題的能力和較高的科研水平。因此，PLC實驗室建設(shè)是必要的，是開展教學(xué)活動的前提條件。實驗室建設(shè)內(nèi)容包括規(guī)劃實驗實物模型和計算機布局、安裝、電源分配等工作，根據(jù)實物模型搭建模擬實驗系統(tǒng)，對選購的模塊最大限度開發(fā)利用。

2 PLC實踐教學(xué)體系建設(shè)依據(jù)與內(nèi)容

2.1 PLC實踐教學(xué)體系建設(shè)以教學(xué)目標(biāo)為依據(jù)

(1)根據(jù)電氣工程專業(yè)和自動化專業(yè)制訂的培養(yǎng)方案；(2)根據(jù)PLC課程教學(xué)計劃、內(nèi)容要求與目標(biāo)；(3)根據(jù)專業(yè)與課程教學(xué)規(guī)范要求；(4)根據(jù)電氣工程專業(yè)和自動化專業(yè)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)；(5)實驗項目開發(fā)與設(shè)置，符合基本認(rèn)知規(guī)律。

2.2 PLC實踐教學(xué)體系建設(shè)以教育理論為依據(jù)

(1)以應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，專業(yè)認(rèn)證評價標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。根據(jù)理論教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，將理論教學(xué)和實踐教學(xué)有機融合，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和提高分析、處理實際問題的能力。

(2)實踐教學(xué)是素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，而較高層次實踐教學(xué)環(huán)節(jié)(綜合實踐、創(chuàng)新實踐等)是培養(yǎng)具有“解決復(fù)雜工程問題”高水平應(yīng)用型人才的主要途徑。

(3)“理論、方法引導(dǎo)—實踐領(lǐng)會—問題探索—理論和實踐相互印證—新問題探索—理論、方法發(fā)展”互動教學(xué)模式是培養(yǎng)具有解決復(fù)雜工程問題能力的漸進式學(xué)習(xí)方法的有效途徑。

(4)把握認(rèn)識規(guī)律：從簡單到復(fù)雜，從低級到高級，從特殊到一般，感知大量事物變化過程，建立牢固而清晰的表象，逐步由表及里認(rèn)識到客觀事物存在的規(guī)律。實踐項目內(nèi)容設(shè)置循序漸進逐步深入，并有機匹配到實踐教學(xué)不同環(huán)節(jié)中，最終達成解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.3 PLC實踐教學(xué)體系建設(shè)的方法與內(nèi)容

(1)符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案、課程教學(xué)目標(biāo)、工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)前提下，實驗實物模型選取、組合，確定實驗項目。

(2)設(shè)計實驗裝置合理布局與可靠安裝，操作平臺設(shè)置具有安全性、科學(xué)性、易于規(guī)范化操作、易于層次化教學(xué)。

(3)針對解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)目標(biāo)，研究系列化、層次化實驗教學(xué)方案設(shè)計和互動式實驗教學(xué)模式。實驗教學(xué)方案包括系列化實驗總體規(guī)劃與層次化實驗項目內(nèi)容設(shè)計。實驗內(nèi)容按照不同層次的教學(xué)形式分類，優(yōu)化每個實驗項目，使其具有典型性、代表性，突出理論教學(xué)重點、難點，突出應(yīng)用現(xiàn)實意義，每個實驗項目貫穿“理論教授—方法引領(lǐng)—實踐領(lǐng)會-問題探索—理論和實踐相互印證—新問題探索—理論、方法發(fā)展”的理論和實踐相互促進的互動式教學(xué)模式。

(4)研究組態(tài)軟件強化學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。利用組態(tài)軟件開發(fā)動態(tài)監(jiān)視畫面[3]，對PLC的動作進行實時跟蹤，逼真生動反映實驗效果，可有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生不斷優(yōu)化實驗程序的積極性。

3 解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)方法

構(gòu)建符合認(rèn)知規(guī)律的課程實踐教學(xué)體系，實現(xiàn)系列化、層次化實驗教學(xué)方案的實施和互動式、興趣化實驗教學(xué)模式的開展，漸進地達成解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)。

在實踐教學(xué)過程中重點要解決的問題包括以下兩方面。

(1)提高實踐教學(xué)與理論教學(xué)的契合度。要求學(xué)生緊跟實踐教學(xué)計劃，按照實踐教學(xué)內(nèi)容全面掌握PLC功能，知識儲備與知識框架更加充足與牢固，為高層次實踐活動打基礎(chǔ)，為提升創(chuàng)新能力提供源泉。

(2)不斷完善實踐教學(xué)體系，實現(xiàn)學(xué)生具備的技能、素養(yǎng)與對口就業(yè)單位達到無縫對接。與對口單位進行必要的技術(shù)互動，不斷完善PLC實踐教學(xué)訓(xùn)練體系和優(yōu)化實踐項目，對學(xué)生全面專業(yè)能力、素質(zhì)的提升非常重要。

以解決復(fù)雜工程問題能力為培養(yǎng)目標(biāo)，開展系列化、層次化、互動式教學(xué)方法可有效解決上述實踐教學(xué)過程中的問題。以下為系列化實踐教學(xué)活動中教學(xué)方法的運用。

(1)課內(nèi)實驗

實踐中通過掌握PLC歷史發(fā)展脈絡(luò)，明白PLC的由來、作用、意義、必要性，從而進一步把握其發(fā)展趨勢。實驗內(nèi)容需要設(shè)置繼電器控制實驗，讓學(xué)生了解早期電氣自動化控制特點，突出這種控制方式的缺點。PLC的出現(xiàn)是為了克服繼電器控制缺點，實驗安排PLC認(rèn)識實驗，學(xué)生在掌握PLC基本功能、原理、控制方法、特點的基礎(chǔ)上，熟悉編程環(huán)境，掌握調(diào)試方法，并與繼電器實驗對比分析采用PLC控制優(yōu)越性，以加深學(xué)生對PLC作用、功能理解，同時利用組態(tài)軟件生動的畫面實時監(jiān)控PLC控制狀況，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。課內(nèi)實驗環(huán)節(jié)主要讓學(xué)生領(lǐng)會指令的功能并靈活運用，以及掌握不同控制對象典型的編程方法及技巧，例如電機啟動、定時正反轉(zhuǎn)；帶有中斷的十字路口交通燈時序控制；可變換的流水燈、數(shù)碼管、造型燈的控制等。掌握定時器、計數(shù)器、移位等基本指令功能、作用、應(yīng)用方法，以及梯形圖典型單元、環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，使每個學(xué)生都能學(xué)會PLC 接線、編程與調(diào)試，為綜合性、設(shè)計性實驗做準(zhǔn)備。

(2)課程綜合實踐、開放實驗

設(shè)計的實驗內(nèi)容注重模擬實際工程應(yīng)用，側(cè)重學(xué)生自主設(shè)計如軋鋼機控制、裝配流水線控制等實驗。教師提出任務(wù)與要求，學(xué)生自主分析、設(shè)計、編程、調(diào)試。教師負(fù)責(zé)查閱學(xué)生項目設(shè)計的可行性，以關(guān)鍵原理、方法引導(dǎo)，提問式指導(dǎo)，共性難點啟發(fā)式探討，推演出不同方法指導(dǎo)學(xué)生探究，并通過實驗結(jié)果對比進行總結(jié)、歸納。通過學(xué)生“自主設(shè)計+教師引導(dǎo)”、提問、討論等互動方式開展實踐教學(xué)活動，使學(xué)生能夠熟練地進行PLC 硬件設(shè)計與軟件編程，培養(yǎng)學(xué)生基本專業(yè)技術(shù)實踐技能和逐步形成分析問題的方法和解決問題的思路。

(3)大學(xué)生創(chuàng)新實踐、畢業(yè)設(shè)計

創(chuàng)新實踐是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新能力的重要載體和關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4,5]。在注重模擬實際工程應(yīng)用、學(xué)生自主設(shè)計的基礎(chǔ)上，強調(diào)綜合性，多模塊、多功能、多參數(shù)、多任務(wù)，復(fù)雜工程控制系統(tǒng)，如水位控制、多層電梯控制、機械手模擬控制、直流電機雙閉環(huán)調(diào)速、交流電機變頻調(diào)速等。學(xué)生根據(jù)既定的任務(wù)與要求，查閱資料自主分析、設(shè)計、編程、調(diào)試。教師負(fù)責(zé)審核學(xué)生項目設(shè)計的可行性，以關(guān)鍵原理、方法引導(dǎo)，難點探討，對設(shè)計方法分析、總結(jié)以明晰思路，通過對難點反復(fù)試驗，分析結(jié)果，修正實驗方法，進而創(chuàng)新實驗方法。較高層次的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)還要涉足研討、開發(fā)PLC未來發(fā)展方向的實驗內(nèi)容?；ヂ?lián)網(wǎng)時代，PLC網(wǎng)絡(luò)化是必然趨勢。PLC系統(tǒng)不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是開放式PLC網(wǎng)絡(luò)，可與上位計算機管理系統(tǒng)實現(xiàn)信息交流；還可以通過現(xiàn)場總線技術(shù)與其他安裝在現(xiàn)場的智能化設(shè)備，如智能化儀表、傳感器、電磁閥、智能型驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)等，互相傳輸信息，構(gòu)成一個現(xiàn)場工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。高層次訓(xùn)練不僅鍛造學(xué)生具有扎實的PLC應(yīng)用專業(yè)素養(yǎng)和解決復(fù)雜工程問題的能力，而且具有把握專業(yè)未來發(fā)展趨勢的能力。

4 PLC實踐教學(xué)體系建設(shè)與實踐教學(xué)方法總結(jié)

實踐教學(xué)中采用“理論教授—方法引領(lǐng)—實踐領(lǐng)會—問題探索—理論和實踐相互印證—新問題探索—理論、方法發(fā)展”的理論和實踐相互促進式教學(xué)模式，實踐教學(xué)活動中采用引導(dǎo)式、提問式、探究式、討論式教學(xué)方法，理論和實踐有機統(tǒng)一，且在實踐中進一步探索新理論、新方法，并逐步推進實踐教學(xué)內(nèi)容的提升，達到學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”的能力與科研水平的提高。

利用組態(tài)軟件強化學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。采用組態(tài)軟件開發(fā)動態(tài)監(jiān)視畫面，對PLC的動作進行實時跟蹤，加強學(xué)生對實驗內(nèi)容理解深度，提高實踐活動中的師生間互動效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實驗項目、內(nèi)容以分層式遞進深入，有機匹配到不同的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，包括課內(nèi)實驗教學(xué)、綜合實踐、開放實驗、大學(xué)生創(chuàng)新、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)，在貫穿學(xué)生體系化培養(yǎng)方案中形成完整的單科課程的教學(xué)培養(yǎng)方案，具有系統(tǒng)性、層次性，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，有利于完善學(xué)生知識體系與能力提升，且益于學(xué)生創(chuàng)新意識、科學(xué)素養(yǎng)、實踐精神和團隊合作精神的培養(yǎng)。

教師通過實驗室建設(shè)、實驗項目設(shè)計、層進式實驗環(huán)節(jié)安排、互動式教學(xué)模式開展，在師資隊伍上，教師逐步具備較高理論水平和積累了豐富的實踐教學(xué)經(jīng)驗；在學(xué)生層面上，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性、創(chuàng)造性，形成教與學(xué)的相互促進、相生相長的良性循環(huán)。

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