解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)的PLC課程實(shí)踐教學(xué)方法探索

李 萍 祁 鯤 劉麗華

北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 北京 100192

PLC是專為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算控制器。采用可編程的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)面向用戶的指令，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等操作，通過(guò)數(shù)字或模擬輸入或輸出通道控制各類自動(dòng)化生產(chǎn)流水線。PLC是將計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的出現(xiàn)可解決傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)中繼電器裝置多、接線復(fù)雜、可靠性低、耗能高以及靈活性較差等問(wèn)題，目前已被廣泛應(yīng)用于水泥、鋼鐵、石油化工、紡織、輕工食品、飲料、啤酒等電氣自動(dòng)化行業(yè)中。

電氣控制與PLC技術(shù)應(yīng)用是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的專業(yè)主干課，是廣大工科院校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，也是我校自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)選修課程。課程實(shí)驗(yàn)在電氣工程實(shí)驗(yàn)室的PLC電氣控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行。原有的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)陋，安全性差，實(shí)驗(yàn)?zāi)K功能少，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有較大局限性，而且采用的PLC型號(hào)非目前工業(yè)領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品，影響學(xué)生就業(yè)后快速上手；且原有實(shí)驗(yàn)裝置從開(kāi)發(fā)手段到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代PLC技術(shù)發(fā)展水平，與當(dāng)前通用的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)先進(jìn)程度有較大的距離；無(wú)法體現(xiàn)教育教學(xué)先進(jìn)性，學(xué)生缺乏創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件。因此目前實(shí)驗(yàn)裝置所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)不能滿足電氣工程專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證[1]中關(guān)于“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”能力培養(yǎng)的目標(biāo)要求，不能滿足電氣工程專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生與企業(yè)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。

1 PLC實(shí)驗(yàn)室建設(shè)必要性

鑒于上述問(wèn)題，提出PLC實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，經(jīng)對(duì)全國(guó)知名教學(xué)儀器生產(chǎn)廠家有關(guān)PLC實(shí)驗(yàn)?zāi)K的性能、價(jià)格、實(shí)驗(yàn)種類等進(jìn)行考察；選購(gòu)目前企業(yè)應(yīng)用主流PLC控制器及配套實(shí)驗(yàn)裝置，可模擬工業(yè)生產(chǎn)流程，可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜對(duì)象的控制。優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K配套功能，完成電氣控制PLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的更新?lián)Q代(實(shí)驗(yàn)室條件改建，實(shí)驗(yàn)臺(tái)各模塊調(diào)試)，重點(diǎn)通過(guò)實(shí)踐教學(xué)改革制定層進(jìn)式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，引入先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、實(shí)驗(yàn)方法、手段和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并滲透到課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程綜合實(shí)踐、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)中，開(kāi)拓學(xué)生視野，完善知識(shí)儲(chǔ)備，達(dá)到“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”能力培養(yǎng)的目標(biāo)，具有創(chuàng)新能力。

開(kāi)發(fā)出符合專業(yè)培養(yǎng)方案的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生創(chuàng)新、畢業(yè)設(shè)計(jì)等PLC相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成該課程完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[2]，同時(shí)通過(guò)實(shí)踐教學(xué)改革對(duì)課程體系中其他相關(guān)課程實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步完善培養(yǎng)方案，提高學(xué)生實(shí)踐技能和專業(yè)素質(zhì)，使其具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力和較高的科研水平。因此，PLC實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是必要的，是開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的前提條件。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)內(nèi)容包括規(guī)劃實(shí)驗(yàn)實(shí)物模型和計(jì)算機(jī)布局、安裝、電源分配等工作，根據(jù)實(shí)物模型搭建模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)選購(gòu)的模塊最大限度開(kāi)發(fā)利用。

2 PLC實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)依據(jù)與內(nèi)容

2.1 PLC實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)以教學(xué)目標(biāo)為依據(jù)

(1)根據(jù)電氣工程專業(yè)和自動(dòng)化專業(yè)制訂的培養(yǎng)方案；(2)根據(jù)PLC課程教學(xué)計(jì)劃、內(nèi)容要求與目標(biāo)；(3)根據(jù)專業(yè)與課程教學(xué)規(guī)范要求；(4)根據(jù)電氣工程專業(yè)和自動(dòng)化專業(yè)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)；(5)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與設(shè)置，符合基本認(rèn)知規(guī)律。

2.2 PLC實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)以教育理論為依據(jù)

(1)以應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，專業(yè)認(rèn)證評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。根據(jù)理論教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)融合，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和提高分析、處理實(shí)際問(wèn)題的能力。

(2)實(shí)踐教學(xué)是素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，而較高層次實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)(綜合實(shí)踐、創(chuàng)新實(shí)踐等)是培養(yǎng)具有“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”高水平應(yīng)用型人才的主要途徑。

(3)“理論、方法引導(dǎo)—實(shí)踐領(lǐng)會(huì)—問(wèn)題探索—理論和實(shí)踐相互印證—新問(wèn)題探索—理論、方法發(fā)展”互動(dòng)教學(xué)模式是培養(yǎng)具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的漸進(jìn)式學(xué)習(xí)方法的有效途徑。

(4)把握認(rèn)識(shí)規(guī)律：從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從低級(jí)到高級(jí)，從特殊到一般，感知大量事物變化過(guò)程，建立牢固而清晰的表象，逐步由表及里認(rèn)識(shí)到客觀事物存在的規(guī)律。實(shí)踐項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)置循序漸進(jìn)逐步深入，并有機(jī)匹配到實(shí)踐教學(xué)不同環(huán)節(jié)中，最終達(dá)成解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

2.3 PLC實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)的方法與內(nèi)容

(1)符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案、課程教學(xué)目標(biāo)、工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)前提下，實(shí)驗(yàn)實(shí)物模型選取、組合，確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(2)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置合理布局與可靠安裝，操作平臺(tái)設(shè)置具有安全性、科學(xué)性、易于規(guī)范化操作、易于層次化教學(xué)。

(3)針對(duì)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)目標(biāo)，研究系列化、層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)和互動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案包括系列化實(shí)驗(yàn)總體規(guī)劃與層次化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照不同層次的教學(xué)形式分類，優(yōu)化每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使其具有典型性、代表性，突出理論教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)，突出應(yīng)用現(xiàn)實(shí)意義，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目貫穿“理論教授—方法引領(lǐng)—實(shí)踐領(lǐng)會(huì)-問(wèn)題探索—理論和實(shí)踐相互印證—新問(wèn)題探索—理論、方法發(fā)展”的理論和實(shí)踐相互促進(jìn)的互動(dòng)式教學(xué)模式。

(4)研究組態(tài)軟件強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。利用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)監(jiān)視畫(huà)面[3]，對(duì)PLC的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，逼真生動(dòng)反映實(shí)驗(yàn)效果，可有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)程序的積極性。

3 解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)方法

構(gòu)建符合認(rèn)知規(guī)律的課程實(shí)踐教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)系列化、層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的實(shí)施和互動(dòng)式、興趣化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的開(kāi)展，漸進(jìn)地達(dá)成解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)。

在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中重點(diǎn)要解決的問(wèn)題包括以下兩方面。

(1)提高實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)的契合度。要求學(xué)生緊跟實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃，按照實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容全面掌握PLC功能，知識(shí)儲(chǔ)備與知識(shí)框架更加充足與牢固，為高層次實(shí)踐活動(dòng)打基礎(chǔ)，為提升創(chuàng)新能力提供源泉。

(2)不斷完善實(shí)踐教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)學(xué)生具備的技能、素養(yǎng)與對(duì)口就業(yè)單位達(dá)到無(wú)縫對(duì)接。與對(duì)口單位進(jìn)行必要的技術(shù)互動(dòng)，不斷完善PLC實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練體系和優(yōu)化實(shí)踐項(xiàng)目，對(duì)學(xué)生全面專業(yè)能力、素質(zhì)的提升非常重要。

以解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力為培養(yǎng)目標(biāo)，開(kāi)展系列化、層次化、互動(dòng)式教學(xué)方法可有效解決上述實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題。以下為系列化實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中教學(xué)方法的運(yùn)用。

(1)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)踐中通過(guò)掌握PLC歷史發(fā)展脈絡(luò)，明白PLC的由來(lái)、作用、意義、必要性，從而進(jìn)一步把握其發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要設(shè)置繼電器控制實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解早期電氣自動(dòng)化控制特點(diǎn)，突出這種控制方式的缺點(diǎn)。PLC的出現(xiàn)是為了克服繼電器控制缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)安排PLC認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在掌握PLC基本功能、原理、控制方法、特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，熟悉編程環(huán)境，掌握調(diào)試方法，并與繼電器實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析采用PLC控制優(yōu)越性，以加深學(xué)生對(duì)PLC作用、功能理解，同時(shí)利用組態(tài)軟件生動(dòng)的畫(huà)面實(shí)時(shí)監(jiān)控PLC控制狀況，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)指令的功能并靈活運(yùn)用，以及掌握不同控制對(duì)象典型的編程方法及技巧，例如電機(jī)啟動(dòng)、定時(shí)正反轉(zhuǎn)；帶有中斷的十字路口交通燈時(shí)序控制；可變換的流水燈、數(shù)碼管、造型燈的控制等。掌握定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位等基本指令功能、作用、應(yīng)用方法，以及梯形圖典型單元、環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，使每個(gè)學(xué)生都能學(xué)會(huì)PLC 接線、編程與調(diào)試，為綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

(2)課程綜合實(shí)踐、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容注重模擬實(shí)際工程應(yīng)用，側(cè)重學(xué)生自主設(shè)計(jì)如軋鋼機(jī)控制、裝配流水線控制等實(shí)驗(yàn)。教師提出任務(wù)與要求，學(xué)生自主分析、設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試。教師負(fù)責(zé)查閱學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)的可行性，以關(guān)鍵原理、方法引導(dǎo)，提問(wèn)式指導(dǎo)，共性難點(diǎn)啟發(fā)式探討，推演出不同方法指導(dǎo)學(xué)生探究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比進(jìn)行總結(jié)、歸納。通過(guò)學(xué)生“自主設(shè)計(jì)+教師引導(dǎo)”、提問(wèn)、討論等互動(dòng)方式開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生能夠熟練地進(jìn)行PLC 硬件設(shè)計(jì)與軟件編程，培養(yǎng)學(xué)生基本專業(yè)技術(shù)實(shí)踐技能和逐步形成分析問(wèn)題的方法和解決問(wèn)題的思路。

(3)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)

創(chuàng)新實(shí)踐是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新能力的重要載體和關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4,5]。在注重模擬實(shí)際工程應(yīng)用、學(xué)生自主設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)綜合性，多模塊、多功能、多參數(shù)、多任務(wù)，復(fù)雜工程控制系統(tǒng)，如水位控制、多層電梯控制、機(jī)械手模擬控制、直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速、交流電機(jī)變頻調(diào)速等。學(xué)生根據(jù)既定的任務(wù)與要求，查閱資料自主分析、設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試。教師負(fù)責(zé)審核學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)的可行性，以關(guān)鍵原理、方法引導(dǎo)，難點(diǎn)探討，對(duì)設(shè)計(jì)方法分析、總結(jié)以明晰思路，通過(guò)對(duì)難點(diǎn)反復(fù)試驗(yàn)，分析結(jié)果，修正實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)而創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法。較高層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)還要涉足研討、開(kāi)發(fā)PLC未來(lái)發(fā)展方向的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代，PLC網(wǎng)絡(luò)化是必然趨勢(shì)。PLC系統(tǒng)不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是開(kāi)放式PLC網(wǎng)絡(luò)，可與上位計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交流；還可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與其他安裝在現(xiàn)場(chǎng)的智能化設(shè)備，如智能化儀表、傳感器、電磁閥、智能型驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，互相傳輸信息，構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。高層次訓(xùn)練不僅鍛造學(xué)生具有扎實(shí)的PLC應(yīng)用專業(yè)素養(yǎng)和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，而且具有把握專業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的能力。

4 PLC實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐教學(xué)方法總結(jié)

實(shí)踐教學(xué)中采用“理論教授—方法引領(lǐng)—實(shí)踐領(lǐng)會(huì)—問(wèn)題探索—理論和實(shí)踐相互印證—新問(wèn)題探索—理論、方法發(fā)展”的理論和實(shí)踐相互促進(jìn)式教學(xué)模式，實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中采用引導(dǎo)式、提問(wèn)式、探究式、討論式教學(xué)方法，理論和實(shí)踐有機(jī)統(tǒng)一，且在實(shí)踐中進(jìn)一步探索新理論、新方法，并逐步推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的提升，達(dá)到學(xué)生“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”的能力與科研水平的提高。

利用組態(tài)軟件強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。采用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)監(jiān)視畫(huà)面，對(duì)PLC的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容理解深度，提高實(shí)踐活動(dòng)中的師生間互動(dòng)效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容以分層式遞進(jìn)深入，有機(jī)匹配到不同的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，包括課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、綜合實(shí)踐、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生創(chuàng)新、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，在貫穿學(xué)生體系化培養(yǎng)方案中形成完整的單科課程的教學(xué)培養(yǎng)方案，具有系統(tǒng)性、層次性，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，有利于完善學(xué)生知識(shí)體系與能力提升，且益于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐精神和團(tuán)隊(duì)合作精神的培養(yǎng)。

教師通過(guò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、層進(jìn)式實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)安排、互動(dòng)式教學(xué)模式開(kāi)展，在師資隊(duì)伍上，教師逐步具備較高理論水平和積累了豐富的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)；在學(xué)生層面上，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性、創(chuàng)造性，形成教與學(xué)的相互促進(jìn)、相生相長(zhǎng)的良性循環(huán)。

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