面向卓越工程師培養(yǎng)的PLC控制技術(shù)理論與實(shí)踐課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

許仙珍　單長(zhǎng)考　鄒萍

摘要 PLC控制技術(shù)理論與實(shí)踐是針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)而開(kāi)設(shè)的一門課。根據(jù)卓越計(jì)劃的培養(yǎng)要求和PLC課程的特點(diǎn)，依托現(xiàn)有的實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圍繞優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行改革，實(shí)施理實(shí)一體化教學(xué)模式。實(shí)踐結(jié)果表明，改革后的課程教學(xué)更適應(yīng)卓越工程師培養(yǎng)的要求，提高了學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 PLC控制；教學(xué)改革；卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）08-0148-03

1 引言

隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)的到來(lái)，國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，大學(xué)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的質(zhì)量已成為影響我國(guó)綜合國(guó)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素。為此，國(guó)家教育部2010年啟動(dòng)了“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”），其目標(biāo)是培養(yǎng)和造就一大批能夠適應(yīng)和支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展、具有創(chuàng)新能力和國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的卓越工程師，重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力和工程創(chuàng)新能力。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，突出能力培養(yǎng)的課程體系建設(shè)和實(shí)施是其中的關(guān)鍵。只有將卓越工程師的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)融入專業(yè)課程教學(xué)中，對(duì)教學(xué)模式、內(nèi)容和方法進(jìn)行改進(jìn)，強(qiáng)化工程意識(shí)、素質(zhì)與實(shí)踐，才能保證卓越計(jì)劃目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

PLC作為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一，與工業(yè)過(guò)程聯(lián)系緊密，一直以來(lái)PLC控制技術(shù)這門課就是自動(dòng)化、電氣及其自動(dòng)化等專業(yè)的主干課程。常熟理工學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)是“卓越計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè)之一。原有的“理論+實(shí)踐”分離式教學(xué)模式離卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)還有一定差距。因此，按照卓越工程師培養(yǎng)的要求，對(duì)PLC控制技術(shù)課程教學(xué)開(kāi)展一些探索性的改革與實(shí)踐，把理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)合二為一，采取集中式一體化教學(xué)，課程也隨之更名為PLC控制技術(shù)理論與實(shí)踐（以下簡(jiǎn)稱課程），突出工程能力的培養(yǎng)。本文主要圍繞教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)、教學(xué)方法改革、評(píng)價(jià)體系建立等方面介紹課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐過(guò)程中的工作與經(jīng)驗(yàn)。

2 教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

PLC課程主要講述PLC硬件構(gòu)成、指令系統(tǒng)和實(shí)際應(yīng)用，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和實(shí)用性。目前市場(chǎng)上PLC生產(chǎn)廠家和型號(hào)非常多，功能也各有特點(diǎn)。根據(jù)蘇州地區(qū)PLC市場(chǎng)占有率和卓越工程師工程能力培養(yǎng)的需求，選擇西門子S7系列PLC，以其中的模塊式S7-300PLC為主講機(jī)型。授課的知識(shí)點(diǎn)包括PLC概述、硬件與組態(tài)、編程基礎(chǔ)與指令系統(tǒng)、梯形圖設(shè)計(jì)方法、PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用。通常的授課順序基本上按硬件→指令→設(shè)計(jì)方法→控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的順序進(jìn)行。這樣的授課順序往往造成理論知識(shí)實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候會(huì)有脫節(jié)。如模擬量模塊在硬件部分就已經(jīng)介紹完，到最后才會(huì)用到相應(yīng)模塊進(jìn)行模擬量采集，而此時(shí)學(xué)生已忘記模擬量模塊接線和相關(guān)組態(tài)知識(shí)了。

因此在內(nèi)容的安排上，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了梳理，根據(jù)卓越工程師培養(yǎng)要求，以工程實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以任務(wù)為導(dǎo)向，以項(xiàng)目為載體，將知識(shí)點(diǎn)融入一個(gè)個(gè)具體的項(xiàng)目中去，形成教學(xué)模塊。圖1給出課程模塊框圖，根據(jù)項(xiàng)目的難易程度，分成基礎(chǔ)篇、設(shè)計(jì)篇和綜合篇三大塊內(nèi)容：基礎(chǔ)篇主要介紹PLC硬件構(gòu)成、組態(tài)和軟件使用等基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)；設(shè)計(jì)篇主要介紹編程方法、程序設(shè)計(jì)與調(diào)試；綜合篇主要講述系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念，從PLC三大典型應(yīng)用（數(shù)字量邏輯控制、模擬量閉環(huán)控制和運(yùn)動(dòng)控制）中各提煉出一個(gè)典型工業(yè)應(yīng)用案例，給出從硬件選型及接線、PLC編程調(diào)試到上位機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)與組態(tài)及通信設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與實(shí)施過(guò)程及控制效果。調(diào)整后的每一個(gè)教學(xué)模塊包括理論教學(xué)和實(shí)踐訓(xùn)練兩部分內(nèi)容，知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)明確，具有較好的系統(tǒng)性和相對(duì)獨(dú)立性，便于理實(shí)一體化教學(xué)的開(kāi)展。

3 實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)

實(shí)踐課程是卓越工程師培養(yǎng)的重要途徑，是鞏固、加深理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生三大能力和提高綜合素質(zhì)的有力手段。PLC作為工業(yè)界主要控制器，該課程具有很強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性。為能有效地培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，學(xué)院從2011年開(kāi)始加大投入，加強(qiáng)PLC實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)。

目前，常熟理工學(xué)院擁有先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)聯(lián)合示范實(shí)訓(xùn)中心、電氣實(shí)踐中心等PLC實(shí)踐平臺(tái)。先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)聯(lián)合示范實(shí)訓(xùn)中心是學(xué)校與西門子（中國(guó)）有限公司于2011年聯(lián)合共建并投入使用。該中心包括小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)、故障安全型自動(dòng)化控制系統(tǒng)和集散控制與創(chuàng)新三個(gè)實(shí)驗(yàn)室。

小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室配置6臺(tái)套ST-200PLC、TD400C文本顯示器和以太網(wǎng)模塊，主要面向低年級(jí)和非電類理工專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)，是自動(dòng)化卓越班學(xué)生大一暑期期間進(jìn)行PLC認(rèn)識(shí)性實(shí)習(xí)和操作技能訓(xùn)練的場(chǎng)所。

故障安全型自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室配有15套實(shí)驗(yàn)裝置，每套裝置配置了CPU315F型號(hào)PLC、TP177觸摸屏、MM440變頻器和以太網(wǎng)模塊，采用模塊式結(jié)構(gòu)，可通過(guò)組態(tài)搭建故障安全的自動(dòng)化系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)裝置配有西門子標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)象和五層模擬電梯實(shí)訓(xùn)裝置，支持MPI、Profibus-DP、工業(yè)以太網(wǎng)等多種通訊方式，可設(shè)計(jì)單級(jí)控制系統(tǒng)，也可組網(wǎng)構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)，主要面向高年級(jí)學(xué)生和社會(huì)技術(shù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，是培養(yǎng)卓越班學(xué)生工程實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)能力的主要基地。

集散控制與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室定位于培養(yǎng)高素質(zhì)、應(yīng)用創(chuàng)新型人才。實(shí)驗(yàn)室配置了PCS7集散控制系統(tǒng)一套，高級(jí)多功能過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)SMPT-1000兩套和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線儀表。所有實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成一個(gè)高級(jí)冗余集散控制創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要承擔(dān)每年一度的西門子杯全國(guó)大學(xué)生工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽學(xué)生隊(duì)伍的訓(xùn)練、學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動(dòng)、教師科研等任務(wù)，是培養(yǎng)卓越工程師創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

此外，2014年學(xué)校與昆山巨林公司合作建立數(shù)字化柔性制造生產(chǎn)線（電氣實(shí)踐中心），為培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力又增加了一個(gè)典型工程實(shí)踐平臺(tái)。這些實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)滿足了不同層次的工程訓(xùn)練需求，為后續(xù)的理實(shí)一體化教學(xué)提供了良好的物質(zhì)條件。

4 教學(xué)方法改革

PLC控制技術(shù)這門課一直以來(lái)是高職、高校工科類專業(yè)的必修課程。為增強(qiáng)該課程的教學(xué)效果，近10年來(lái)將案例教學(xué)法、項(xiàng)目教學(xué)法、仿真技術(shù)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法等多種方式引入課程教學(xué)中，對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行改革。該門課程也是學(xué)校自動(dòng)化、電氣類專業(yè)的主干課程，經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)探索，本課程的教學(xué)方法和模式有了較大的改善，如教學(xué)方法上引入項(xiàng)目教學(xué)法、開(kāi)發(fā)仿真對(duì)象、注重實(shí)踐教學(xué)與考核、改善實(shí)踐平臺(tái)等。但是由于授課學(xué)生人數(shù)較多、實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限等限制，授課方式仍是按傳統(tǒng)的理論和實(shí)踐分離式教學(xué)，教、學(xué)、做之間還有些脫節(jié)。

在教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化規(guī)整、實(shí)踐平臺(tái)建成后，為了有效地培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，達(dá)到卓越計(jì)劃的培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)2011級(jí)自動(dòng)化（卓越計(jì)劃）的學(xué)生，主要從以下幾個(gè)方面對(duì)PLC控制技術(shù)這門課程的教學(xué)模式和方法進(jìn)行改革。

理論實(shí)踐一體化教學(xué) 對(duì)現(xiàn)有的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革，把理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)整合在一起實(shí)施理論實(shí)踐一體化教學(xué)，利用3周時(shí)間完成該門課程教學(xué)任務(wù)。理論實(shí)踐一體化教學(xué)在自動(dòng)化聯(lián)合示范中心進(jìn)行，前兩周主要是知識(shí)點(diǎn)和操作技能的訓(xùn)練，完成基礎(chǔ)類和設(shè)計(jì)類項(xiàng)目任務(wù)最后一周是綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)，主要由學(xué)生完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)施，并撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。教學(xué)過(guò)程中轉(zhuǎn)變教師與學(xué)生的角色關(guān)系，強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體地位，通過(guò)設(shè)定教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)任務(wù)，讓師生雙方邊教、邊學(xué)、邊做、邊討論，豐富課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高教學(xué)質(zhì)量。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法教學(xué) 教學(xué)內(nèi)容以工程項(xiàng)目為教學(xué)主線，設(shè)計(jì)不同的教學(xué)項(xiàng)目（如表1所示），每個(gè)項(xiàng)目包含若干個(gè)任務(wù)，巧妙地將知識(shí)點(diǎn)和技能訓(xùn)練融于各個(gè)項(xiàng)目之中。各個(gè)項(xiàng)目按照知識(shí)點(diǎn)與技能要求循序漸進(jìn)編排，形成理實(shí)一體化教學(xué)模塊。教學(xué)模塊的目標(biāo)明確可達(dá)，項(xiàng)目貼近實(shí)際工程，控制效果直觀。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法明顯提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和參與度。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)。促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí) 學(xué)院積極貫徹落實(shí)國(guó)家的卓越計(jì)劃，提供廣泛的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，給學(xué)生提供課后練習(xí)機(jī)會(huì)。配以優(yōu)秀的師資力量和常駐平臺(tái)的學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新課題，積極參與校內(nèi)、校外學(xué)科競(jìng)賽，堅(jiān)持“以賽促學(xué)”，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。此外，建立網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境，提供全課程網(wǎng)絡(luò)多媒體課件，建立完善的課程相關(guān)資料庫(kù)，包括各種PLC手冊(cè)、工程項(xiàng)目實(shí)例和控制算法等書籍，將一些知名的自動(dòng)化網(wǎng)站推薦給學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，增強(qiáng)終身學(xué)習(xí)能力。

5 評(píng)價(jià)體系建立

考核是檢驗(yàn)教學(xué)效果的手段，評(píng)價(jià)是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神、創(chuàng)新意識(shí)和綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)，該課程的考核評(píng)價(jià)體系主要建立在對(duì)學(xué)生參與課題、完成訓(xùn)練項(xiàng)目情況、創(chuàng)新能力等方面的考核，改變?cè)泄P試為主的考核方式，將考核重心從試卷的理論知識(shí)轉(zhuǎn)移到實(shí)際操作。本課程的考核分為實(shí)踐操作、綜合設(shè)計(jì)和筆試三部分。前兩者主要考核學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施和創(chuàng)新能力，筆試部分也是以程序設(shè)計(jì)和問(wèn)題分析為主。

此外，為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生興趣和創(chuàng)新潛能、培育更多優(yōu)秀的學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目和科技作品，本課程還推出課程抵修和自主學(xué)習(xí)方式的考核標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)學(xué)生參加相關(guān)競(jìng)賽和創(chuàng)新項(xiàng)目，自主設(shè)計(jì)應(yīng)用課題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)答辯和成果展示的方式證明達(dá)到規(guī)定的考核標(biāo)準(zhǔn)，即可獲得本課程的學(xué)分。第一輪考核下來(lái)，2011級(jí)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生已有11人次通過(guò)抵修和自主學(xué)習(xí)獲得學(xué)分。

6 結(jié)語(yǔ)

卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃以培養(yǎng)創(chuàng)新力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才為目標(biāo)。根據(jù)自動(dòng)化（卓越計(jì)劃）專業(yè)的培養(yǎng)要求，本文以工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)為核心，分別從教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐平臺(tái)、教學(xué)方法和評(píng)價(jià)體系四個(gè)方面對(duì)PLC控制技術(shù)理論與實(shí)踐課程的教學(xué)進(jìn)行探索和實(shí)踐。兩學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明：理實(shí)一體化教學(xué)模式和項(xiàng)目教學(xué)法的采用，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性大大增強(qiáng)；實(shí)踐平臺(tái)的開(kāi)放和貼近工程實(shí)際的控制對(duì)象的引入，給學(xué)生提供了很好的工程實(shí)踐平臺(tái)，學(xué)生的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力得到很大提商形式多樣、客觀、靈活的考核和評(píng)價(jià)機(jī)制促進(jìn)學(xué)生個(gè)性和創(chuàng)新能力的發(fā)展。

教學(xué)成效在近兩年的學(xué)科競(jìng)賽和PLC認(rèn)證中得到充分體現(xiàn)：2011級(jí)和2012級(jí)卓越班共61名學(xué)生中，獲得全國(guó)大學(xué)生“西門子”杯工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽華東賽區(qū)特等獎(jiǎng)5人次、一等獎(jiǎng)8人次、二等獎(jiǎng)5人次，總決賽一等獎(jiǎng)7人次、二等獎(jiǎng)2人次；“OMRON”Sysmac自動(dòng)化控制應(yīng)用設(shè)計(jì)全國(guó)大賽二等獎(jiǎng)2人次；2011級(jí)卓越班全體學(xué)生通過(guò)西門子公司PLC應(yīng)用技能認(rèn)證。

實(shí)踐證明，理實(shí)一體化是一種行之有效的方法，能提高學(xué)生解決問(wèn)題和工程實(shí)踐的能力。但實(shí)行過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，如：如何進(jìn)一步完善教學(xué)模塊，使之能更符合企業(yè)的需求？團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力如何能更有效地進(jìn)行評(píng)價(jià)？如何有效防止學(xué)生互相拷貝？這些問(wèn)題還需要教學(xué)團(tuán)隊(duì)在后續(xù)教學(xué)中摸索改進(jìn)，從而進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。