PROFIBUS 現(xiàn)場總線應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)方法探討

江 豪，王永華

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州450002)

近十年來工業(yè)自動化領(lǐng)域影響最深刻的技術(shù)毫無疑問應(yīng)該歸為現(xiàn)場總線技術(shù)。現(xiàn)場總線定義為安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線［1］。其主要應(yīng)用在制造業(yè)自動化、批量流程工業(yè)的生產(chǎn)控制。目前，在中國及歐洲的自動控制領(lǐng)域PROFIBUS 總線以其豐富的產(chǎn)品和眾多的應(yīng)用成為了總線應(yīng)用領(lǐng)域的佼佼者。PROFIBUS 還是國內(nèi)現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)之一，在水處理、煙草、發(fā)電、鋼鐵、紡織等行業(yè)得到很好的推廣和應(yīng)用。作為教育系統(tǒng)的高校應(yīng)該為學(xué)生開設(shè)科技前沿學(xué)科，特別是自動化或電氣自動化專業(yè)的學(xué)生需要在學(xué)習(xí)階段深入了解自動化的前沿技術(shù)，并進行應(yīng)用能力的培養(yǎng)。基于以上原因，以及讓學(xué)生更加有競爭力，我校自動化專業(yè)開設(shè)了PROFIBUS 現(xiàn)場總線應(yīng)用技術(shù)課程，并在教學(xué)、實踐、研究等方面積極進行課程教學(xué)方法的探討。

1 科學(xué)編排教學(xué)大綱

1.1 動態(tài)調(diào)整教學(xué)大綱

教學(xué)大綱的科學(xué)性直接影響課程教學(xué)的方方面面。對于理論及實踐教學(xué)，既強調(diào)學(xué)科理論的系統(tǒng)性、完整性，又重視實際工程應(yīng)用。在強調(diào)本課程基本理論的基礎(chǔ)上充分體現(xiàn)運用于生產(chǎn)實際中的新技術(shù)和新方法，以PLC 課程為基礎(chǔ)，重點拓展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，展開數(shù)據(jù)通信融合技術(shù)，以市場應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線作為主要講授內(nèi)容，結(jié)合教師科研項目的經(jīng)驗統(tǒng)籌安排和規(guī)劃教學(xué)大綱。

1.2 精選教材

有關(guān)現(xiàn)場總線技術(shù)的教材有很多，部分現(xiàn)場總線類教材出版的時間也較早，都是介紹現(xiàn)場總線基本原理和發(fā)展的書籍，不能就某一種總線進行深入的理論講解和應(yīng)用知識講解。就目前現(xiàn)場總線的發(fā)展和市場應(yīng)用成熟度而言，PROFIBUS 現(xiàn)場總線以絕對優(yōu)勢占據(jù)市場總線技術(shù)發(fā)展的主流，為此我們選用本?？偩€技術(shù)專家王永華教授編著的《現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用教程》［1］，該書講解深入淺出、理論結(jié)合實踐非常緊密，PROFIBUS 總線試驗平臺也為本校重點實驗室獨立開發(fā)設(shè)計的總線實驗裝置，保障了實驗教學(xué)的一體性，非常便于學(xué)生的深入學(xué)習(xí)。

1.3 選用先進教學(xué)手段

新技術(shù)，新知識，新課，外加較少的教學(xué)輔助資料，盡管教師在備課和課堂上的付出很多，但教學(xué)效果卻并不理想。與傳統(tǒng)的教學(xué)手段相比，必須要引入多種教學(xué)手段。多媒體手段可以利用大量的圖片信息載體，給教學(xué)活動注入了新的生機和活力，使傳統(tǒng)的課堂教學(xué)變得多姿多彩。另外一個動態(tài)感知的特點，就是利用課程的實驗室講解和參觀，感官性的認(rèn)知易于學(xué)生理解，可以取得較好的教學(xué)啟發(fā)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。課程伊始學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)對課程教學(xué)取得良好的效果起到了關(guān)鍵性的作用。

1.4 加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

為了滿足實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的要求，我校電氣學(xué)院首先建設(shè)了PLC 多功能實驗室，進而又在王永華教授的帶領(lǐng)下獨自設(shè)計開發(fā)了8 套PROFIBUS 綜合實驗裝置及一套大型的PA 試驗系統(tǒng)［2］。根據(jù)教學(xué)的進度及知識難易度自主地開發(fā)實驗內(nèi)容;對實驗進行分層，由淺入深，難度逐漸加大;控制每個試驗臺的人數(shù)，減少了學(xué)生之間的依賴性，使學(xué)生由基本操作開始到最后實現(xiàn)復(fù)雜的控制，得到全面綜合鍛煉，提高了學(xué)生動手能力和實驗技能。同時合理地調(diào)配實驗室系統(tǒng)的各種項目資源，充分吸納學(xué)生進行實際項目的開發(fā)，通過實際工程項目的設(shè)計開發(fā)培養(yǎng)學(xué)生扎實的總線技術(shù)應(yīng)用能力。

2 創(chuàng)新教學(xué)方法

任何一個學(xué)科課程教學(xué)效果取決于教學(xué)方法和手段，以吸引的方式對學(xué)生進行授課，以主動的方式讓學(xué)生學(xué)課，以興趣帶動學(xué)習(xí)，以樂趣培養(yǎng)學(xué)習(xí)的動力，以現(xiàn)身說法培養(yǎng)學(xué)生的樂趣，以動手效果進一步激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.1 培養(yǎng)自學(xué)能力

往往會有這樣的學(xué)生，學(xué)習(xí)效果特別好，而且總是會延展到課外的知識領(lǐng)域，這部分學(xué)生自學(xué)能力比較強，表現(xiàn)在課程預(yù)習(xí)效果，課后復(fù)習(xí)成效。多方面多角度的課外知識有利且能高效地促進課程學(xué)習(xí)，但自學(xué)能力需要慢慢培養(yǎng)。在沒有考試及其他方面壓力情況下，主要以小設(shè)計小開發(fā)為出發(fā)點，啟發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)課程，激發(fā)學(xué)習(xí)動力，從而培養(yǎng)學(xué)生課前課后的自學(xué)能力。

2.2 建設(shè)精品課程

精品課程的建設(shè)可動態(tài)彌補課程體系與現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展脫節(jié)的不足，可提高教學(xué)效果和效率，豐富了課程教學(xué)內(nèi)容，做到了知識點新、教學(xué)組織多樣、學(xué)生參與度高;提高了實驗教學(xué)的起點，改革了教學(xué)模式，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和實效性;結(jié)合精品課程編著的教材實現(xiàn)了教材的系統(tǒng)性、先進性與實用性的統(tǒng)一;結(jié)合實際工程項目，較好地實現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，促進了教與學(xué)的發(fā)展［3］。

2.3 打造教學(xué)名師

在精品課程的建設(shè)中，師德高尚、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、學(xué)術(shù)水平和教學(xué)水平雙高的課程負(fù)責(zé)人是保證課程質(zhì)量的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，形成以“名師”為核心，以優(yōu)秀主講教師為骨干，以中青年為教輔的教學(xué)組織，在優(yōu)化師資隊伍結(jié)構(gòu)的同時，逐步形成一支學(xué)歷高、年富力強，學(xué)術(shù)水平高，教學(xué)質(zhì)量好，團隊協(xié)作精神強的授課教師梯隊。優(yōu)秀的學(xué)術(shù)帶頭人是必不可少的，只有在優(yōu)秀的學(xué)術(shù)帶頭人的帶領(lǐng)下，課程建設(shè)才可能有高的起點，提出高且新的標(biāo)準(zhǔn)，并最終達(dá)到高的水平;課程建設(shè)過程才能盡量少走彎路，且有利于在課程組中營造活躍與和諧的學(xué)術(shù)氛圍，進而形成團結(jié)向上的合力。本課程的前期PLC 課程已為省級精品課程，在此基礎(chǔ)上逐步打造現(xiàn)場總線課程的省級精品課程。自主設(shè)計的實驗室及教材也充分體現(xiàn)了教學(xué)名師的帶動作用。

2.4 說課

“說課”就是教師口頭表述具體課題的教學(xué)設(shè)想及其理論依據(jù)，也就是授課教師在備課的基礎(chǔ)上，面對同行或教研人員，講述自己的教學(xué)設(shè)計，然后由聽者評說，達(dá)到互相交流，共同提高的一種教學(xué)研究和師資培訓(xùn)的活動。

要把重點安排在解說如何實施學(xué)法上。主要解說學(xué)生要“怎樣學(xué)”和“為什么這樣學(xué)”的道理。要講出教者是怎樣根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點、年齡、心理特征，運用哪些學(xué)習(xí)規(guī)律指導(dǎo)學(xué)生進行學(xué)習(xí)的;還要講清教者是如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動積極思維、強化學(xué)生主動意識的。

3 設(shè)計實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

根據(jù)新時代、新特點、新階段對人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，確定現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用教程的原則為“牢固掌握基本理論，著重實踐能力培養(yǎng)，突出應(yīng)用能力及創(chuàng)新精神”。加強應(yīng)用性綜合知識的培養(yǎng)，著重于實踐動手能力的訓(xùn)練，以掌握PROFIBUS 現(xiàn)場總線的基本知識為主線，將實踐教學(xué)和課外實踐學(xué)習(xí)作為重點，在實踐中培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。優(yōu)化課程內(nèi)容設(shè)計，增加開放式實驗項目，完善多模塊、分層次的階梯式教學(xué)模式［4］。不斷地增加能提高實踐動手能力的實驗的開設(shè)和開放，優(yōu)化實驗室資源，加快將科研探索及部分科研成果引入實踐教學(xué)的進度。采用漸進式教學(xué)模式，逐步培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。充分利用多角度、多方位的教學(xué)資源，完善課程教學(xué)及實踐環(huán)節(jié)。

3.1 獨立設(shè)計與完成實踐內(nèi)容

根據(jù)教學(xué)的進度和學(xué)生學(xué)習(xí)的深入程度，在較大的試驗要求框架內(nèi)，學(xué)生自己進行試驗的規(guī)劃和制定，獨立完成實驗，然后再進行深入實驗，直至最后達(dá)到較高層次的實驗要求。另外一種方式就是將實踐教學(xué)的培養(yǎng)分為初級、中級和深入3 個階段進行。初級階段側(cè)重于課堂討論和基本程序設(shè)計;中級階段側(cè)重于中型實際工程項目的拆解學(xué)習(xí)，采用消化成熟程序編寫技巧的方法快速理解PLC 編程的方法和途徑;深入階段由教師提出要求，學(xué)生自主設(shè)計，推選優(yōu)秀學(xué)生進行設(shè)計講解，并歸納總結(jié)，最后在實驗臺上進行調(diào)試和演示［5］。

3.2 自主設(shè)計實驗平臺

課題組成員根據(jù)多年的科研經(jīng)驗積累，自行設(shè)計開發(fā)了“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實驗平臺”，該實驗平臺既可以完成先進的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、IEC61131 －3 編程的實驗，也可以完成常用PLC 常規(guī)編程實驗，起到了很好的銜接作用［6］。同時，為學(xué)生在學(xué)完本課程后的進一步學(xué)習(xí)提供了良好的環(huán)境。

3.3 重視畢業(yè)設(shè)計

提供科技開發(fā)平臺，組織學(xué)生參加國家及省挑戰(zhàn)杯、大學(xué)生科技競賽、電子制作競賽，大學(xué)生科技項目、西門子大學(xué)生培訓(xùn)計劃等科技創(chuàng)新活動，不斷提高學(xué)生動手實踐能力和科技創(chuàng)新能力。最重要的是所有的課外練習(xí)或者國家性的參賽訓(xùn)練都和最后的畢業(yè)設(shè)計掛鉤，在早期就規(guī)劃自己的畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容，這樣可以將對現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用感興趣的學(xué)生提前引入到總線知識的深入學(xué)習(xí)里，多渠道地培養(yǎng)學(xué)生的編程及電氣設(shè)計能力，直至畢業(yè)設(shè)計時能夠獨立完成一個中等規(guī)模的項目預(yù)設(shè)計及程序編寫［1］。

4 改革考核方式

傳統(tǒng)教學(xué)考核的方式多半是以試卷考試加實驗考核的綜合方式進行，這對于一般的課程確實可以起到鞏固理論知識的作用，但對于PLC 或者現(xiàn)場總線這樣以應(yīng)用為主的課程，單從卷面考試加實驗考核的綜合方式不能夠全面地促進本課程的教與學(xué)。經(jīng)過長時間的探索和不斷總結(jié)，我們改革考核方式，利用綜合課程大作業(yè)練習(xí)、上機實際操作訓(xùn)練、課后作業(yè)編程電子提交方式、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)交流討論方式、課堂學(xué)生講課方式、期末考試等給出學(xué)生綜合成績。將平時實際程序編寫鍛煉及動手能力的培養(yǎng)都考評入最后的綜合成績，這將大大降低學(xué)生對于期末考試的成績依賴，在平時學(xué)習(xí)階段以平和的心態(tài)潛移默化地學(xué)好PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術(shù)課程［4］。

5 結(jié) 語

現(xiàn)場總線技術(shù)課程在國內(nèi)的高校為研究生或者本科生的開設(shè)尚處于起步階段，講授教材及實驗裝置的缺乏都制約著該課程教學(xué)成效及學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。因而，應(yīng)制定以實踐教學(xué)為主導(dǎo)，教學(xué)內(nèi)容緊跟技術(shù)發(fā)展的教學(xué)大綱;應(yīng)設(shè)計開發(fā)確實可行的實驗系統(tǒng)及實驗內(nèi)容，融入教師的項目開發(fā)經(jīng)驗;應(yīng)多方面綜合考核學(xué)生，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生PROFIBUS 總線實際應(yīng)用能力的教學(xué)目的。

［1］王永華.現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［2］西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［EB/OL］.(2008 －10 －12)［2013 －09 －28］.www.ad.siemens.con.cn/downloads/S7 －300.

［3］齊海波.提高教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)教研方法［J］.中國高等醫(yī)學(xué)教育，2010(5):127 －128.

［4］李 林.電氣控制技術(shù)過程的教改研究［J］.中國科技信息，2010(1):231.

［5］周 靜.《機械設(shè)計》教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力的一次教改嘗試［J］.人力資源管理，2010(4):186.

［6］趙坤嬌，景效國.PROFIBUS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)從站組態(tài)軟件的研究與開發(fā)［J］.熱力發(fā)電，2009(1):87－89.