以典型案例貫穿PLC課程的教學(xué)設(shè)計

任 淑

（南京技師學(xué)院 江蘇 南京 210033）

以典型案例貫穿PLC課程的教學(xué)設(shè)計

任 淑

（南京技師學(xué)院 江蘇 南京 210033）

如何在技工學(xué)校教好PLC這門課程，一直以來都是課程教學(xué)改革的關(guān)注點。本文以教學(xué)實踐為依據(jù)，提出了以典型案例為主線，貫穿PLC課程教學(xué)過程的教學(xué)設(shè)計思路、教學(xué)特點以及典型案例設(shè)計的教學(xué)方法。

典型案例；PLC課程；教學(xué)設(shè)計；案例整合

PLC的應(yīng)用日益廣泛，技工學(xué)校電工、機(jī)電一體化類專業(yè)大多都開設(shè)了PLC課程。如何在技工學(xué)校教好這門課程，一直以來都是課程教學(xué)改革的重點問題。

PLC的編程控制指令有三種：基本邏輯控制指令、步進(jìn)順序控制指令和功能控制指令。各種指令又屬具體的門類。大部分教材在各種類控制指令的應(yīng)用上選擇了各不相同的教學(xué)案例，其內(nèi)容缺乏前后的連貫性，教學(xué)效果事倍功半。在教學(xué)實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)選擇典型案例貫穿PLC課程教學(xué)，不失為一條事半功倍的教學(xué)途徑。現(xiàn)以《PLC原理與應(yīng)用》中 “交通燈控制課題”為例，對PLC課程教學(xué)設(shè)計加以研究。

對PLC課程的教學(xué)設(shè)計

教材在基本控制指令、步進(jìn)順序控制指令和功能控制指令三個方面分別闡述了不同的編程思想方法，各種類控制指令是并列關(guān)系，而教材在應(yīng)用案例選擇上的“散”，使得教師往往限于對各個案例功能的剖析，弱化了控制指令應(yīng)用的教學(xué)，而學(xué)生在對新控制指令一知半解的情況下，卻要花大力氣弄懂弄通案例本身所要實現(xiàn)的功能，無形中增加了教與學(xué)的難度。

在本課程教學(xué)上，筆者設(shè)計的以“交通燈控制課題”為主線的案例，貫穿PLC的三種控制指令編程教學(xué)，讓學(xué)生通過分別用三種不同的控制指令編程實現(xiàn)其控制功能，達(dá)到一題多解的教學(xué)效果。實踐證明，此法使得PLC課程教學(xué)的整體性和系統(tǒng)性大幅提升，教學(xué)難度有效降低，趣味性和實用性的增強，也使學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情得到明顯提高?，F(xiàn)將具體教學(xué)設(shè)計及過程簡述如下。

交通燈控制要求:設(shè)計交通燈白天與夜間的控制程序（見圖1）。

圖1 交通燈時序控制圖

（一）基本控制指令編程

1.引導(dǎo)學(xué)生將已具備的繼電控制知識遷移到梯形圖語言，使得學(xué)生獲取PLC基本控制指令知識。

2.引導(dǎo)學(xué)生編程、接線，實現(xiàn)交通燈控制功能（強調(diào)交通燈白天和夜間的控制功能的差異性，為后續(xù)步進(jìn)順序控制指令教學(xué)埋下伏筆）。

3.引導(dǎo)學(xué)生反思基本控制指令編程存在的問題：（1）工藝動作表達(dá)繁瑣；（2）梯形圖涉及聯(lián)鎖，關(guān)系復(fù)雜，處理麻煩；（3）梯形圖可讀性差，難以看出具體控制工藝過程（見圖2）。

圖2 交通燈控制圖

（二）步進(jìn)順序控制指令編程

1.承上啟下，指出為解決基本控制指令編程存在的問題，引入更為直觀簡便的步進(jìn)順序控制編程方法，運用程序設(shè)計工具——順序控制狀態(tài)流程圖來實現(xiàn)，其特點是：（1）將復(fù)雜的控制任務(wù)或工作過程分解成若干個工序；（2）使各工序的任務(wù)明確而具體；（3）使各工序間的聯(lián)系清楚，工序間的轉(zhuǎn)換條件直觀。

2.說明步進(jìn)順序控制的種類：有單流程順序控制和多流程順序控制。多流程順序控制常見的有選擇性分支與匯合、并行性分支與匯合、選擇性分支與并行性分支的組合等。仍以交通燈時序控制為例，進(jìn)行分析比較，解決如何分別用單流程、選擇性分支與匯合、并行性分支與匯合、選擇性分支與并行性分支的組合這四種順序控制方法編程實現(xiàn)其控制要求。

3.單流程順序控制編程一體化教學(xué)。經(jīng)過前期對基本控制指令編程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了交通燈控制功能，無需再對案例本身進(jìn)行功能解析。此時的教學(xué)重點是要教會學(xué)生掌握單流程順序控制狀態(tài)流程圖設(shè)計方法，引導(dǎo)學(xué)生將交通燈時序控制過程時序分解成若干個工序，明確各工序中哪些燈工作，找出工序間的轉(zhuǎn)換條件。突出順序控制編程的六個設(shè)計步驟：一是I/O分配；二是將整個過程按任務(wù)要求分解，其中，每個工序均對應(yīng)一個狀態(tài)；三是弄清每個狀態(tài)的功能、作用；四是找出每個狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件；五是畫出狀態(tài)流程圖（SFC圖）；六是對應(yīng)狀態(tài)梯形圖，列出語句表程序；最后引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)SFC圖編程和調(diào)試方法，實現(xiàn)交通燈控制功能。

4.選擇性分支與匯合順序控制編程一體化教學(xué)。首先引導(dǎo)學(xué)生分析上述單流程控制編程的缺陷。缺陷在于夜間控制的實現(xiàn)必須是在執(zhí)行白天控制以后，不符合實際控制要求，需要改進(jìn)，進(jìn)而引入選擇性分支與匯合順序控制。在選擇性分支與匯合順序控制編程教學(xué)中，重點突出如何設(shè)計交通燈白天、夜間控制選擇分支，其次是選擇性分支狀態(tài)的編程方法：從驅(qū)動、轉(zhuǎn)移、匯合三個方面分別闡述。最后引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)SFC圖編程和調(diào)試方法，實現(xiàn)交通燈控制功能（見圖3）。

圖3 選擇性分支與匯合順序控制狀態(tài)流程圖

5.并行性分支與匯合順序控制編程一體化教學(xué)。首先，從交通燈時序控制角度說明東西向、南北向信號燈是滿足交通時序條件要求同時執(zhí)行的兩個并行分支，引導(dǎo)學(xué)生比較上述單流程控制、選擇性分支與匯合順序控制編程，會發(fā)現(xiàn)將東西向、南北向信號燈設(shè)計在一個流程中，容易引起混淆。指出須用一個更為合理的編程方法——并行性分支與匯合順序控制，從而引入并行性分支與匯合順序控制編程教學(xué)。在并行性分支與匯合順序控制編程教學(xué)中，首先，突出如何設(shè)計東西向、南北向信號燈分支；其次，采用比較法強調(diào)并行性分支、匯合狀態(tài)、轉(zhuǎn)移條件的編程與選擇性分支、匯合狀態(tài)、轉(zhuǎn)移條件編程的區(qū)別，以及并行性分支與匯合的驅(qū)動、轉(zhuǎn)移、匯合編程方法；再次，引導(dǎo)學(xué)生掌握區(qū)別于選擇性分支與匯合的并行性分支與匯合的編程、調(diào)試方法，實現(xiàn)交通燈控制功能（因與組合流程順序控制相近，故此程序圖略）。

6．組合流程順序控制編程一體化教學(xué)。引導(dǎo)學(xué)生綜合比較上述各編程方法的優(yōu)劣，采用選擇性分支與并行性分支的組合編程、調(diào)試，實現(xiàn)交通燈時序控制功能（見圖4）。

從這里看出，僅在步進(jìn)順序控制指令教學(xué)設(shè)計中，交通燈時序控制編程就達(dá)到一題四解。（參見表1及圖4）

表1 I/O地址分配表

圖4 組合流程順序控制狀態(tài)流程圖

（三）功能控制指令編程

通過以上基本控制指令、步進(jìn)順序控制指令編程教學(xué)，學(xué)生對PLC編程已經(jīng)入門，但對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，則需要運用功能指令和功能模塊共同完成教學(xué)。在學(xué)到傳送比較指令及其應(yīng)用時，引導(dǎo)學(xué)生掌握以觸點比較指令編程、調(diào)試，實現(xiàn)交通燈控制。接下來鼓勵學(xué)生積極思考用傳送指令編程，實現(xiàn)交通燈控制。

通過這段教學(xué)，讓學(xué)生進(jìn)一步體會到PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，PLC的控制方式是存儲邏輯，是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的一種計算機(jī)。從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)行更高層次學(xué)習(xí)的積極性，為后續(xù)學(xué)習(xí)各類功能指令打下良好的基礎(chǔ)（見圖5）。

圖5 觸點比較指令實現(xiàn)交通燈控制程序圖

以典型案例為主線貫穿PLC課程教學(xué)特點

（一）引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行建構(gòu)性學(xué)習(xí)

以典型案例貫穿課程教學(xué)，從而實現(xiàn)知識構(gòu)建梯次、整合教學(xué)內(nèi)容，營造學(xué)習(xí)情境、引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行建構(gòu)性學(xué)習(xí)。

通過選擇“交通燈時序控制”這樣一個生活中常見的課題，能夠激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，帶動學(xué)生積極思考，主動探索。通過應(yīng)用該典型案例貫穿課程教學(xué)，能夠達(dá)到三個教學(xué)目的。一是實現(xiàn)學(xué)生知識構(gòu)建上的從繼電控制的邏輯控制指令入門，到步進(jìn)順序控制指令編程的簡便直觀，再到功能控制指令實現(xiàn)的循序漸進(jìn)、由繁到簡，最后深入提高的過程。二是從簡單到復(fù)雜層層引導(dǎo)，加強了控制指令之間應(yīng)用的有機(jī)聯(lián)系，促進(jìn)了學(xué)生的理解，保證了學(xué)生學(xué)習(xí)思維的連貫性和學(xué)習(xí)內(nèi)容的系統(tǒng)性，使學(xué)生通過教學(xué)不斷地發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題，在比較中學(xué)習(xí)，在比較中鑒別，在比較中掌握，在比較中融會貫通，在循序漸進(jìn)中提高，培養(yǎng)學(xué)生的獨立精神，通過教學(xué)使學(xué)生具有判斷能力、行動能力和自發(fā)的繼續(xù)學(xué)習(xí)能力。三是使學(xué)生初步掌握了基本控制指令、步進(jìn)順序控制指令、功能控制指令的編程方法。

需要指出的是，以典型案例貫穿課程教學(xué)只是實現(xiàn)了教學(xué)的基本目標(biāo)：領(lǐng)會掌握不同的控制指令的編程方法。在其后的教學(xué)中還要完成教學(xué)大綱的總體要求，即拓展到其他案例，引導(dǎo)學(xué)生針對不同案例的控制要求，運用恰當(dāng)?shù)目刂浦噶罹幊蹋龅礁鱾€擊破，分步掌握。

（二）教學(xué)案例內(nèi)容典型化

教學(xué)案例內(nèi)容的典型化，可以盡量多地涵蓋知識點，實現(xiàn)多種控制指令編程，達(dá)成一題多解，有助于達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，提高學(xué)生的綜合能力。

《PLC原理與應(yīng)用》教材提供的主要案例有工作臺自動循環(huán)控制，Y-△降壓啟動，雙速電動機(jī)控制、三速電動機(jī)控制、帶式輸送機(jī)、彩燈控制、液體混料、工業(yè)洗衣機(jī)、恒壓供水控制等。在教學(xué)設(shè)計上，需要將教學(xué)案例進(jìn)行整合。如將工作臺自動循環(huán)控制、Y-△降壓啟動、雙速電動機(jī)控制、三速電動機(jī)控制等歸為一類，在教學(xué)中設(shè)計要求分別采用基本控制指令、單流程順序控制指令、傳送比較功能控制指令編程。另外，應(yīng)盡量設(shè)計貼近生產(chǎn)實際的案例，這樣的案例具有綜合性特征，從而也使得編程必須具備綜合性。如設(shè)計帶式輸送機(jī)案例在原有順序啟動傳送功能基礎(chǔ)上，增加當(dāng)其中任一電動機(jī)發(fā)生故障情況下均能合理逆序停止的控制要求，達(dá)成將原本只需要用單流程順序控制指令編程的單一功能案例，提升到必須要用組合流程順序控制指令來完成的復(fù)雜功能案例，這樣可以有意識地鍛煉提高學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力。

仍需要指出的是，典型案例的設(shè)計整合，必須根據(jù)教學(xué)目標(biāo)要求，側(cè)重能力培養(yǎng)和實際應(yīng)用。本課程主要培養(yǎng)學(xué)生掌握PLC在電氣控制工作領(lǐng)域的應(yīng)用，案例內(nèi)容必須與實際應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展水平相適應(yīng)，具有控制電路技術(shù)革新與改造的特征。

以典型案例貫穿教學(xué)，一定要讓學(xué)生在“任務(wù)驅(qū)動”下手腦并用，學(xué)做合一，梯次完成操作訓(xùn)練、進(jìn)行控制功能實現(xiàn)的驗證和先后學(xué)習(xí)成果的比較，真正實現(xiàn)以“學(xué)生為中心”和“在評價中學(xué)習(xí)”。

[1]肖明耀.PLC原理與應(yīng)用[M].北京：中國勞動出版社，2007.

[2]班華.中學(xué)教育學(xué)[M].北京：人民教育出版社，1994.

[3]張萬忠.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)（第2版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]張運剛，宋小春，郭武強.從入門到精通——三菱FX2N PLC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

G712

A

1672-5727（2010）12-0095-03

任淑（1957—），女，江蘇南通人，南京技師學(xué)院高級講師，研究方向為工業(yè)電氣自動化。