以工程專業(yè)認證為背景的PLC實驗教學(xué)改革研究

何杰　汪沛

摘 要：“可編程邏輯控器”是自動化專業(yè)本科生的重要專業(yè)技術(shù)課，以工程專業(yè)認證為契機，參照工程專業(yè)認證的標(biāo)準(zhǔn)，針對課程實驗教學(xué)的不足，對實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程、考核方式等進行研究分析，提出了課程實驗改革，以加強學(xué)生的分析與解決問題的能力、創(chuàng)新能力和工程實踐能力，實現(xiàn)工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：PLC；專業(yè)認證；教學(xué)改革；實驗教學(xué)

一、前言

完善的高等工程教育專業(yè)認證制度是保障并促使其不斷改進和提高工程專業(yè)教育質(zhì)量的重要方法。工程教育專業(yè)認證標(biāo)準(zhǔn)非常重視學(xué)生對實驗、畢業(yè)設(shè)計（畢業(yè)論文）、校企合作等實驗實踐環(huán)節(jié)，注重培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力。實驗教學(xué)是高校實踐教學(xué)的主要形式之一，也是專業(yè)認證評估的指標(biāo)之一。實驗教學(xué)不僅能加深學(xué)生對理論知識的理解，也是實現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的主要途徑，對學(xué)生工程素質(zhì)、工程知識、工程能力的提高起著重要作用。

“可編程邏輯控制器”（PLC）是一門應(yīng)用型的專業(yè)核心課程，其系統(tǒng)性、實踐性、綜合性和創(chuàng)新性都比較強。PLC實驗是該課程非常重要的一個環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力起著非常積極的作用。為適應(yīng)企業(yè)人才需求，培養(yǎng)國際互認的工程科技人才，以適應(yīng)專業(yè)認證標(biāo)準(zhǔn)對高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求，PLC實驗教學(xué)在教學(xué)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、實驗教學(xué)組織形式等方面都有待改進。

二、PLC實驗教學(xué)與認證標(biāo)準(zhǔn)的差距

目前，PLC實驗教學(xué)與工程專業(yè)認證標(biāo)準(zhǔn)中強調(diào)的培養(yǎng)具有工程實踐能力和創(chuàng)新能力、能解決復(fù)雜工程問題能力的畢業(yè)生是有一定差距的。究其原因，大致有以下四方面：

1.對實驗教學(xué)重視程度不夠

這一點主要體現(xiàn)在三個方面：一是學(xué)校方面。多數(shù)高校在實驗教學(xué)設(shè)備方面投入不足，實驗教學(xué)條件落后。二是教師不夠重視。在教學(xué)過程中，教師普遍存在照本宣科的現(xiàn)象，嚴重制約了學(xué)生的創(chuàng)造性。三是學(xué)生不夠重視。學(xué)生做實驗只是為了驗證課本結(jié)論和獲得學(xué)分，學(xué)生的動手能力、發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的能力不能夠得到真正的提升。

2.實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計欠合理

高校PLC實驗教學(xué)內(nèi)容一般設(shè)計為訓(xùn)練編程指令和驗證知識點，綜合設(shè)計性實驗很少。這樣的設(shè)計使學(xué)習(xí)缺乏知識的連貫性、整體性和系統(tǒng)性，學(xué)生學(xué)習(xí)起來枯燥，降低了學(xué)習(xí)興趣。缺少綜合設(shè)計性實驗，學(xué)生在整個實驗過程中缺乏獨立分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)，處于被動的地位，學(xué)習(xí)潛能不能得到充分發(fā)掘。

3.實驗教學(xué)過程設(shè)計不合理

這一點主要體現(xiàn)在三個方面：一是教師教的方面。教師在實驗教學(xué)過程中，大多照本宣科，注重知識的灌輸，未能重視學(xué)生的“收獲”。二是學(xué)生學(xué)的方面。學(xué)生在實驗過程中，過分依賴教師，不能獨立分析問題和解決問題。三是師生溝通方面。教師與學(xué)生互動少，不能及時交流、掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

4.實驗考核方式不完善

實驗課時一般不多，在教學(xué)管理、考核等方面不如理論課程那么受重視。實驗課程的考核方式一般都是評價考勤、實驗報告的綜合情況給出總評成績，而對實驗課程最重要的環(huán)節(jié)——實驗過程缺少評價。這種不完善的考核方式，不僅不能體現(xiàn)學(xué)生的真實水平，還會造成一系列問題，比如學(xué)生上實驗課的積極性不高；實驗報告抄襲嚴重，千篇一律等。

三、適應(yīng)專業(yè)認證培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的實驗教學(xué)設(shè)計

江蘇大學(xué)重視培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力，支持PLC實驗教學(xué)的改革。在教學(xué)上，開設(shè)“可編程控制器的工程應(yīng)用”課程，總共30學(xué)時，設(shè)置了16個學(xué)時的實驗課程。在軟硬件建設(shè)上，與西門子公司共建了先進自動化技術(shù)聯(lián)合實訓(xùn)示范中心，配備先進的PLC實驗設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，PLC實驗教學(xué)改革主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.實驗內(nèi)容總體設(shè)計

PLC實驗內(nèi)容的設(shè)計以實際工程項目為背景，將一個較完整或者經(jīng)過簡化的工程項目分解成若干個實驗環(huán)節(jié)，每個實驗環(huán)節(jié)覆蓋若干個知識點，實驗環(huán)節(jié)的安排遵循循序漸進的原則，逐步拓展學(xué)習(xí)內(nèi)容，最后將所有實驗環(huán)節(jié)連起來，完成一個完整的工程項目。

PLC實驗課程是基于江蘇大學(xué)-西門子自動化與驅(qū)動集團先進自動化技術(shù)聯(lián)合示范實訓(xùn)中心的硬件平臺（S7-300）和西門子的STEP7和WINCC軟件平臺開設(shè)的，實驗內(nèi)容的設(shè)計是以交流電機變頻驅(qū)動系統(tǒng)遠程調(diào)速和控制這個簡單的工程實例為主線，由淺入深分解設(shè)計每個實驗?zāi)K：

（1）S7-300PLC入門。設(shè)計軟硬件組態(tài)和編程初步實驗，使學(xué)生通過實驗熟悉S7-300PLC的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。

（2）S7-300PLC接口設(shè)計。設(shè)計DI/O和AI/O的接口實驗，使學(xué)生掌握多通道工程物理量的數(shù)據(jù)采集方法，完成項目中電機轉(zhuǎn)速采集和調(diào)速指令下達。

（3）S7-300工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。設(shè)計S7-300網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及通信實驗，使學(xué)生掌握工業(yè)以太網(wǎng)的使用，并完成項目中電機的遠程調(diào)速和控制。

（4）人機界面設(shè)計。設(shè)計WinCC組態(tài)軟件和上下位機數(shù)據(jù)采集及通信實驗，使學(xué)生能夠運用WINCC構(gòu)建工業(yè)控制系統(tǒng)，掌握PC-PLC工控系統(tǒng)上下位機的數(shù)據(jù)采集、通信和控制技術(shù)，并通過這項技術(shù)完成項目中的人機界面的搭建。

每個實驗環(huán)節(jié)都設(shè)計一個簡單的例子幫助學(xué)生理解本環(huán)節(jié)的知識點，然后將工程項目中本知識點的內(nèi)容作為實驗設(shè)計內(nèi)容，要求學(xué)生獨立完成。整個實驗環(huán)節(jié)的設(shè)置，聯(lián)系緊密，環(huán)環(huán)相扣，連接起來是一個完整的工程實例訓(xùn)練，能使學(xué)生建立PC-PLC工控系統(tǒng)的完整概念，掌握解決具體工程問題的過程和步驟，強化學(xué)生對工程實踐的認識，以提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力和實際應(yīng)用水平。

2.實驗教學(xué)過程的實施

PLC實驗教學(xué)過程具有專業(yè)性、獨立性、創(chuàng)造性和實踐性，每個學(xué)生在教師的指導(dǎo)下相對獨立地學(xué)習(xí)和應(yīng)用專業(yè)知識進行實驗，創(chuàng)造性地應(yīng)用所學(xué)知識解決所遇到的實踐問題。

在教學(xué)實施的過程中，要很好地把握師生活動的關(guān)系，不但要做到教師教得好，還要做到學(xué)生學(xué)得好。針對PLC實驗教學(xué)的特點，其教學(xué)過程的實施，主要關(guān)注以下幾個方面：

（1）控制每組實驗人數(shù)，確保學(xué)生有足夠的實踐操作時間。PLC實驗一般以每組2～3人比較合適，遇到實際問題可以進行組內(nèi)討論，發(fā)揮團隊合作的優(yōu)勢。

（2）實驗前的理論講解。實驗課和理論課之間一般都有一定的時間間隔，實驗進行前都會復(fù)習(xí)相關(guān)的知識，使學(xué)生盡快進入實驗狀態(tài)。

（3）實驗演示。學(xué)生僅通過預(yù)習(xí)并不能很好地理解PLC軟件和設(shè)備的使用，因此，對初次接觸的設(shè)備或較難的實驗環(huán)節(jié)，需要現(xiàn)場演示，引導(dǎo)學(xué)生盡快熟悉和掌握實驗操作和原理。

（4）以學(xué)生自主實驗和探索實驗為主，教師指導(dǎo)為輔。PLC實驗是創(chuàng)造性和實踐性很強的實驗，教師在輔助和引導(dǎo)學(xué)生時，要把握分寸，以引導(dǎo)為主，不能替學(xué)生解決問題，要充分培養(yǎng)學(xué)生獨立解決問題的能力。

（5）注重理論與實踐的結(jié)合。在實驗中，所有的操作都需要理論的支撐。同樣，實踐中的所有操作也都能提升至理論的高度。實驗教學(xué)過程中，教師應(yīng)有意識地培養(yǎng)學(xué)生的正向思維和逆向思維。

（6）充分應(yīng)用好現(xiàn)代化教學(xué)手段。實驗教學(xué)也需要跟得上網(wǎng)絡(luò)化時代的發(fā)展，將實驗的相關(guān)資料、實驗設(shè)計內(nèi)容等資源向?qū)W生開放，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)做好實驗預(yù)習(xí)等工作，這既有利于實驗課的開展，又有利于學(xué)生課后進一步深入地自主學(xué)習(xí)。

3.實驗考核綜合評價

實驗考核機制應(yīng)充分考慮能否體現(xiàn)出學(xué)生的真實水平，做到公平有效地評價學(xué)生的學(xué)業(yè)水平、創(chuàng)新能力等。因此，需要一種新的考核方式來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識，盡量使評價結(jié)果體現(xiàn)學(xué)生的水平。在實驗考核中要把過程考核與實驗報告、實驗考勤結(jié)合起來，新的考核方式側(cè)重實驗過程中學(xué)生實踐能力的體現(xiàn)，淡化學(xué)生考勤，具體化考核指標(biāo)的實驗報告等。具體考核評分方法見表1。

表1中所述實驗考核方法，基本能滿足專業(yè)認證中對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)要求。其中，分析與解決問題的能力、創(chuàng)新能力、工程實踐能力等都能在實驗過程中得以體現(xiàn)和鍛煉；具體化考核指標(biāo)的實驗報告的撰寫，能有效地鍛煉學(xué)生就工程實踐問題與同行及社會進行有效溝通的能力。

四、總結(jié)

江蘇大學(xué)針對PLC實驗課程當(dāng)前的狀態(tài)和存在的問題，從實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、實驗教學(xué)過程的實施及實驗考核評價幾個方面開展了對PLC實驗課程的改革研究，特別注重實驗過程中學(xué)生分析與解決問題的能力、創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)，采取公平、公正的實驗考核評價方式；設(shè)計了培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的科學(xué)方法，這與工程專業(yè)認證的基本要求是相符的。PLC實驗體系經(jīng)過重新設(shè)計后，教學(xué)效果改善顯著，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，鍛煉了學(xué)生工程實踐能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型的應(yīng)用人才提供了保障。

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