獨立學(xué)院“可編程控制器”課程教學(xué)改革與實踐

張曉丹 葉念渝

摘要：“可編程控制器”作為自動化專業(yè)的核心課程，是獨立學(xué)院培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的重點課程之一。針對目前獨立學(xué)院在該課程建設(shè)上“軟”、“硬”兩方面脫節(jié)的問題，提出“理論教學(xué)”、“實物教學(xué)”與“多媒體教學(xué)”三位一體的教學(xué)內(nèi)容、角色互換的互動討論式教學(xué)方式和“基礎(chǔ)+綜合+實戰(zhàn)”三階段的實踐教學(xué)方法。實踐結(jié)果表明：課程教學(xué)改革的實施實現(xiàn)了對“軟”、“硬”兩方面基礎(chǔ)建設(shè)的橋接，提升了學(xué)生的實踐能力和就業(yè)競爭力。

關(guān)鍵詞：獨立學(xué)院；可編程控制器；教學(xué)改革

作者簡介：張曉丹（1984-），女，河南南陽人，華中科技大學(xué)文華學(xué)院信息學(xué)部副系主任，講師；葉念渝（1946-），女，湖北武漢人，華中科技大學(xué)文華學(xué)院信息學(xué)部系主任，教授。（湖北 武漢 430074）

基金項目：本文系華中科技大學(xué)文華學(xué)院教改基金項目（項目編號：2011XXYZ01）、華中科技大學(xué)文華學(xué)院教改基金項目（項目編號：2011XXJY04）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0118-02

獨立學(xué)院是指由普通本科高校和社會力量按民辦的機制和模式，利用國家非財政性經(jīng)費舉辦的二級學(xué)院，其辦學(xué)目標是培養(yǎng)高級應(yīng)用型人才。這個目標定位與傳統(tǒng)意義上的學(xué)術(shù)型人才、工程型人才、技術(shù)型人才和技能型人才四種人才的分類是有所區(qū)別的，它凸顯了獨立學(xué)院區(qū)別于一本和二本學(xué)校的特殊性，同時比“高等職業(yè)教育”具有更高的起點。[1]可編程控制器是以微處理機為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置，是當(dāng)代工業(yè)自動化的三大支柱之一。“可編程控制器”課程作為自動化專業(yè)的核心課程，具有知識覆蓋面廣、更新發(fā)展速度快、理論與實踐并重、與生產(chǎn)實際和工業(yè)應(yīng)用緊密結(jié)合等特點，是獨立學(xué)院培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的重點課程之一。

獨立學(xué)院“可編程控制器”課程的建設(shè)應(yīng)該在掌握基本理論、知識和方法的基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)崗位需要的綜合素質(zhì)和實踐能力為本位。目前，關(guān)于該課程改革的研究主要關(guān)注于教學(xué)和考試側(cè)重理論學(xué)習(xí)，實驗環(huán)節(jié)薄弱等方面。[2-6]特別地，宋國慶等人依循CDIO理念對該課程進行改革。[7]原霞等人提出強化課堂實驗、大型實驗周和課程設(shè)計等實驗環(huán)節(jié)，改進教學(xué)方法。[8]趙亞琴等人提出采用工程化教學(xué)手段，以加強實踐教學(xué)。[9]然而，上述研究大多關(guān)注于“可編程控制器”課程本身，提出的思路和方法適用于科研院?；蚋呗毟邔Ｔ盒?，并未直接針對獨立院校。從學(xué)校特點、目標定位和辦學(xué)方針的角度看，獨立學(xué)院和其他類型院校的主要存在兩方面的不同：第一，獨立學(xué)院深受母體學(xué)校教學(xué)方式的輻射和影響；第二，獨立學(xué)院往往立足于地方和區(qū)域，更注重結(jié)合和發(fā)揮地方和區(qū)域的優(yōu)勢。因此，如何立足獨立學(xué)院的特點，改革“可編程控制器”課程，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，為地方和區(qū)域的社會和經(jīng)濟發(fā)展輸送人才是值得進一步探討的課題。

一、課程教學(xué)改革的現(xiàn)狀及問題

目前，大多數(shù)獨立院校在自動化專業(yè)均開設(shè)這一課程，并高度重視其在“軟”、“硬”兩方面的基礎(chǔ)建設(shè)。“軟”的方面，不僅將可編程控制器作為一門主干專業(yè)課程，而且根據(jù)市面上教材組織教師自主編寫適合區(qū)域性就業(yè)背景的教程講義。“硬”的方面，大多成立了專門的可編程控制器實驗室，并購買相應(yīng)的硬件設(shè)備，為培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力提供實驗環(huán)境和平臺。[10]“軟”、“硬”兩方面基礎(chǔ)建設(shè)的總體目的是使學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)和實際操作訓(xùn)練，熟練掌握可編程控制器的基本知識和技能，并且具有一定的應(yīng)用設(shè)計能力。然而，經(jīng)過近幾年的實施發(fā)現(xiàn)實際的教學(xué)效果不甚理想，究其原因是忽視了起橋梁作用的課程建設(shè)未能及時跟上，導(dǎo)致上述兩方面在教學(xué)過程中存在一定程度的脫節(jié)。具體存在以下問題：

1.枯燥的教學(xué)內(nèi)容

可編程控制器是一門理論性很強的課程，其理論教學(xué)內(nèi)容包含大量的概念、原理、指令和實際應(yīng)用方法。獨立學(xué)院作為我國高等教育大眾化進程中出現(xiàn)的新生事物，大多創(chuàng)辦不久，深受母體學(xué)校教學(xué)方式的輻射和影響。很多獨立學(xué)院的母體學(xué)校為“985”或“211”等研究型院校，由于人才培養(yǎng)的目標不同，其教學(xué)內(nèi)容更注重于理論知識的廣度和深度，對于理論基礎(chǔ)相對薄弱的獨立院校學(xué)生，如果無法展示指令輸出效果而直接死記硬背，那么將直接打擊其學(xué)習(xí)的積極性。

2.僵化的教學(xué)方式

可編程控制器的教學(xué)目的不僅僅是讓學(xué)生掌握基本的概念和原理，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生解決實際應(yīng)用問題的能力。所謂“條條大路通羅馬”，實際應(yīng)用問題的求解方式是多種多樣的，不存在唯一的標準答案，因此需要學(xué)生充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。傳統(tǒng)的教學(xué)模式通常都是以教師為中心，一般采用“教師講，學(xué)生聽”的“注入式”課堂組織方式，對可編程控制器的概念、原理和案例實現(xiàn)進行講解，學(xué)生主要依賴老師的講解，沒有充分發(fā)揮個人的主觀能動性。

3.薄弱的實踐環(huán)節(jié)

可編程控制器是一門實踐性很強的課程，需要培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對實際工程項目的能力和素質(zhì)。目前，大多數(shù)“可編程控制器”的實踐教學(xué)仍停留在對課堂講授內(nèi)容的驗證和鞏固階段，往往是學(xué)生在實驗室完成基礎(chǔ)實驗即可，缺乏實際的大型綜合型的項目歷練，不利于培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作素質(zhì)。此外，設(shè)置的實驗案例沒有結(jié)合地方和區(qū)域的發(fā)展情況，無法直接和社會崗位需求接軌，不利于為地方和區(qū)域的企業(yè)直接輸送人才。

綜上所述，如何根據(jù)獨立學(xué)院自身特點和發(fā)展情況，充分發(fā)揮地方和區(qū)域的優(yōu)勢，改革課程教學(xué)，橋接和利用“軟”、“硬”兩方面基礎(chǔ)建設(shè)的資源，加強學(xué)生的動手和實踐能力，培養(yǎng)與社會需要接軌的應(yīng)用型人才，為地方和區(qū)域的社會和經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)，值得深入研究和探索。

二、課程教學(xué)改革的具體實施方法

可編程控制器課程教學(xué)改革的目標是著重改善以上三個方面，使學(xué)生在學(xué)好基本理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實際設(shè)備情況，牢固掌握PLC控制的基本環(huán)節(jié)，掌握常用可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)、基本指令、高級指令以及在各種條件下實際應(yīng)用方法，掌握可編程控制器工作原理、使用、編程和安裝，同時也培養(yǎng)學(xué)生面對生產(chǎn)實際中工程項目的實踐能力和綜合素質(zhì)。根據(jù)該總體目標，提出課程教學(xué)改革的具體實施方法如下：

1.整合“理論教學(xué)”、“實物教學(xué)”與“多媒體教學(xué)”三位一體的教學(xué)內(nèi)容

充分利用多媒體教學(xué)優(yōu)勢，在課件中引用實物（如繼電器、具體型號的可編程控制器的電源配置、CPU配置、I/O系統(tǒng)等）的圖片、視頻等資料，課堂拆解展示可編程控制器相關(guān)的硬件實物，甚至帶領(lǐng)學(xué)生到工業(yè)現(xiàn)場參觀，使學(xué)生對可編程控制器有直觀感性的認識，消除其陌生感和距離感。此外，在講解書本的理論知識（如比較指令、位操作指令、數(shù)據(jù)移動指令、數(shù)據(jù)表格指令、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令和控制指令等）后，課堂調(diào)試可編程控制器程序，仿真運行結(jié)果，對理論結(jié)果進行驗證，以激發(fā)學(xué)生的興趣，消除對單純理論分析的厭惡感。

2.角色互換及互動討論式的理論教學(xué)方式

改變傳統(tǒng)的“老師機械講，學(xué)生被動聽”的教學(xué)方式，合理安排45分鐘的課堂時間。前10鐘讓學(xué)生當(dāng)“老師”回顧過往課程的內(nèi)容，老師在旁聆聽并糾正。接下來20分鐘由老師講解本節(jié)課中理論知識的基礎(chǔ)、重點和難點，夯實理論基礎(chǔ)。最后的15分鐘，老師設(shè)置案例或習(xí)題，并引導(dǎo)學(xué)生相互討論，主動思考，運用前面講述的原理對案例進行剖析，對習(xí)題進行求解，從而實現(xiàn)理論知識的“現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，靈活運用”。使用該方法，既可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又可以提高學(xué)生的思辨能力，還可以鍛煉學(xué)生的表達能力，從而增強學(xué)生的綜合素質(zhì)。例如，在講解自動倉儲自動控制的程序時，首先讓學(xué)生回顧自動倉儲的原理和基本組成，以及電氣接線方法和傳感器的使用方法，然后老師講解自動倉儲的基本工作流程、控制程序的模塊劃分及總體思路，最后學(xué)生討論梯形圖程序的具體實現(xiàn)。

3.基礎(chǔ)+綜合+實戰(zhàn)”三階段層次遞進型的實踐教學(xué)方式

“基礎(chǔ)+綜合+實戰(zhàn)”三階段的課題設(shè)置如表1所示。在“基礎(chǔ)”階段，通過布置大量知識單一、功能獨立且具有代表性的基礎(chǔ)性實驗案例，使學(xué)生全面熟悉GE實驗室中現(xiàn)有實驗設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)，深刻理解PLC程序的分析、設(shè)計、實現(xiàn)的方法，并掌握將程序?qū)懭胗布羞M行調(diào)試運行的流程。一方面有助于學(xué)生理解授課內(nèi)容，另一方面使學(xué)生具備基本的動手能力。在“綜合”階段，設(shè)置知識復(fù)合、功能集成且具有工業(yè)應(yīng)用價值的綜合性課程設(shè)計項目，讓學(xué)生自由分組并選擇其中一個感興趣的項目實施。自行選定題目后，根據(jù)已學(xué)過的知識和參考相關(guān)教材，設(shè)計方案，選擇儀器設(shè)備，編制程序。通過小組的分工合作、團隊配合，提升學(xué)生綜合運用理論知識分析、解決實際問題的能力。在“實戰(zhàn)”階段，一方面通過與地區(qū)和區(qū)域的企業(yè)合作建立實訓(xùn)基地，輸送學(xué)生直接參與企業(yè)的生產(chǎn)實際項目，從而積累項目經(jīng)驗，實現(xiàn)學(xué)生畢業(yè)后在可編程控制器技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域“零距離上崗”的目標；另一方面，鼓勵和組織學(xué)生參與可編程控制器的相關(guān)競賽，通過這種與其他院校的學(xué)生在知識和能力上的直接碰撞，使學(xué)生開闊眼界，認識差距，激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)和研究的動力，實現(xiàn)“以賽促學(xué)”的目標。

表1 “基礎(chǔ)+綜合+實戰(zhàn)”三階段的課題設(shè)置

階段 課題題目 能力與目標

基礎(chǔ) 數(shù)值與邏輯控制 掌握數(shù)值類型以及邏輯控制基本概念

PLC梯形圖 掌握梯形圖編程語言

PLC接口電路 了解常用的電氣開關(guān)符號，會讀接口電路

現(xiàn)場總線與網(wǎng)絡(luò)通信 了解工業(yè)現(xiàn)場總線和通信協(xié)議

綜合 交通信號燈的控制 掌握十字路口交通燈的程序設(shè)計方法，熟悉PLC指令的應(yīng)用

多種液體自動混合裝置的控制 掌握PLC與外圍控制電路的實際接線，掌握延時指令

LED數(shù)字電子鐘的控制 學(xué)會用PLC控制LED數(shù)碼管，掌握移位指令

基于觸摸屏的電機轉(zhuǎn)速測量控制設(shè)計 熟悉觸摸屏的使用方法，掌握數(shù)據(jù)傳送指令

三相異步電動機的變頻調(diào)速控制 掌握通過模擬量給定實現(xiàn)變頻器速度控制的設(shè)計方法

汽車制造機械手控制 掌握順序編程指令，實現(xiàn)簡單的觸摸屏人機界面編程應(yīng)用

自動倉儲自動控制設(shè)計 了解接近傳感器、光電傳感器的使用方法；掌握PAC編程控制倉儲設(shè)備

MPS模塊化生產(chǎn)線控制設(shè)計 了解模塊化生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)與設(shè)備，掌握用PAC編程控制模塊化生產(chǎn)線

實戰(zhàn) 鋼鐵生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng) 熟悉各種工業(yè)生產(chǎn)實際過程（如鋼鐵生產(chǎn)、汽車制造、自動倉儲和污水處理等），分析和抽取過程中涉及的控制點，了解團隊的組織成員及各成員承擔(dān)的角色，明確自己的職責(zé)和范圍以及溝通渠道和方式，完成自己承擔(dān)的子模塊開發(fā)任務(wù)，并協(xié)助團隊實現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)

汽車制造流水線控制系統(tǒng)

自動倉儲雙軸位置控制系統(tǒng)

基于IFIX的污水處理系統(tǒng)

三、課程教學(xué)改革實踐效果

華中科技大學(xué)文華學(xué)院對可編程控制器課程建設(shè)十分重視，于2009年與GE Fanuc公司合作共建了可編程控制器的實踐平臺——GE實驗室，包括可編程控制器基礎(chǔ)實驗室和實訓(xùn)裝置實驗室。其中，基礎(chǔ)實驗室由10套標準北美PAC培訓(xùn)系統(tǒng)控制器、10臺PLC模擬試驗臺和10臺電源構(gòu)成，實訓(xùn)裝置實驗室由過程控制綜合實驗裝置、MPS模塊化生產(chǎn)制造系統(tǒng)、三周運動機構(gòu)、立體倉庫實訓(xùn)裝置構(gòu)成。同時，作者結(jié)合GE實驗室的實際設(shè)備，編寫了《GE可編程控制器原理》校內(nèi)講義，考慮到為本地區(qū)的武漢鋼鐵公司、神龍汽車有限公司和九州通醫(yī)藥集團等龍頭企業(yè)輸送人才，在教程講義編寫上選擇性地加重了可編程控制器在鋼鐵生產(chǎn)、汽車制造和醫(yī)藥倉儲等應(yīng)用領(lǐng)域的內(nèi)容。

在此基礎(chǔ)上，于2010年進一步對課程教學(xué)進行改革，目前已經(jīng)實踐了三屆學(xué)生，取得一定成效：組織學(xué)生參加2011年和2012年“GE平臺大學(xué)生自動化控制設(shè)計大賽”，針對武漢暴雨后的“看?！爆F(xiàn)象，設(shè)計了基于IFIX的污水處理系統(tǒng)，并獲得優(yōu)秀獎；根據(jù)專業(yè)學(xué)生就業(yè)去向統(tǒng)計，在可編程控制器技術(shù)的相關(guān)領(lǐng)域?qū)W生就業(yè)數(shù)量從2010年的12人提升到2012年的19人。

四、結(jié)束語

針對獨立學(xué)院的特點和畢業(yè)生的就業(yè)需求，結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗，提出了“擺脫母體學(xué)校教學(xué)方式的輻射和影響，充分發(fā)揮地方和區(qū)域優(yōu)勢”的獨立學(xué)院“可編程控制器”課程教學(xué)改革的總體思路。具體實施方法包括：整合“理論教學(xué)”、“實物教學(xué)”與“多媒體教學(xué)”三位一體的教學(xué)內(nèi)容；角色互換及互動討論式的理論教學(xué)方式；“基礎(chǔ)+綜合+實戰(zhàn)”三階段層次遞進型的實踐教學(xué)方式。此外，自主編寫適合本校學(xué)生的實驗教材，安排學(xué)生工廠實習(xí)，在實習(xí)中培養(yǎng)和提高學(xué)生的團隊合作素質(zhì)，從而達到為地方和區(qū)域的社會和經(jīng)濟發(fā)展輸送人才的目的。從就業(yè)形勢看，課程教學(xué)改革取得了較為滿意的效果。下一步，將深化與地方和區(qū)域相關(guān)企業(yè)的合作，建立長期穩(wěn)定的實踐基地，同時獲取母體學(xué)校在實驗平臺方面的優(yōu)質(zhì)資源，彌補獨立學(xué)院在硬件建設(shè)方面的不足。

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（責(zé)任編輯：王意琴）