新工科背景下《可編程控制器原理》課程教學研究

田麗欣

（唐山學院 河北 唐山 063000）

1 引言

在我國工科高等院校中，《可編程控制器原理》是一門實用性很強的核心專業(yè)課程，也是一門能力型課程，其包含知識面廣，課程應用性、實踐性強，可以提高學生的控制系統(tǒng)設計和調(diào)試能力，培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。尤其隨著“中國制造2025”的提出和智能制造的來臨，可編程控制器(PLC)廣泛應用于自動化生產(chǎn)線和工業(yè)機器人等的控制中，在自動化領域的重要性日益凸顯，企業(yè)對相關(guān)技術(shù)人才的需求量增大，很多企業(yè)在對自動化人才的招聘中，都將掌握PLC技術(shù)作為招聘要求之一，因此學生對該技術(shù)的掌握至關(guān)重要。

在新工科背景下，如果仍采用以理論教學為主的傳統(tǒng)教學方式，脫離或較少與工程應用實際聯(lián)系，對學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)很難落實。因此，本文針對《可編程控制器原理》的傳統(tǒng)教學進行了改革，建立項目式教學法，以工程項目為主體，將枯燥的理論學習融于特定的項目情境中，可以豐富課堂教學內(nèi)容，提高學生學習興趣，從而可以真正地提高學生的工程實踐能力。

2 項目式課程教學設計思想

在傳統(tǒng)教學中，采用以教師、教材、課堂為中心的教學模式，按照教學大綱的要求，以課堂理論教學為主，割裂了知識間的有機聯(lián)系，學生的知識遷移和創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足，且脫離實際工程應用背景，學生學習興趣不高，對綜合應用能力鍛煉不足。

針對應用型人才的培養(yǎng)目標，根據(jù)企業(yè)對應用型技術(shù)人才的能力要求，改變傳統(tǒng)教學模式的不足，進行以工程應用為背景、以成果為導向、以能力培養(yǎng)為主線的項目式課程教學設計。在教學設計中以《可編程控制器原理》課程為核心，采用項目法與本專業(yè)其他相關(guān)課程如《電機》 《工廠電氣控制》 《變頻技術(shù)與應用》 《檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》 《自動控制原理》等建立課程間內(nèi)容的有機聯(lián)系，通過考查、調(diào)研等方式，結(jié)合目前在科技生產(chǎn)中的典型應用進行設計，整套項目設計的好壞是課程教學改革的關(guān)鍵。

采用項目法對知識進行引出和梳理，避免了單純理論知識講解的枯燥乏味，提高了學生的學習興趣，使學生更容易理解和掌握知識。實施過程以學生為主體，引導學生綜合運用知識對工程項目進行實施，從而培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

3 項目設計

項目式教學法的關(guān)鍵是選擇并設計好項目。所設計項目既要符合專業(yè)領域范疇，又能有效地將課程理論知識融于其中，并綜合本學科各門課程知識，達到融會貫通的目的。筆者根據(jù)該課程的教學內(nèi)容和教學要求，并結(jié)合目前工業(yè)領域?qū)LC技術(shù)的應用需求，對教學項目進行了設計，涵蓋了PLC常用控制技術(shù)。項目設計遵循由簡單到復雜、層層遞進的原則，將理論知識與實踐操作融為一體。通過項目式教學過程，既能讓學生掌握PLC的基本概念，掌握PLC常用編程指令和編程方法，又能了解和熟悉工業(yè)控制過程?；A項目設計如圖1所示。

其中，項目一：工作臺自由往返運動控制，這是學習PLC原理的入門基礎，是指通過PLC和行程開關(guān)實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制及自由換向。通過該項目使學生掌握PLC控制與《工廠電氣控制》課程中繼電器控制的區(qū)別和聯(lián)系，掌握PLC硬件接線設計以及基本I/O指令的應用。項目二：生產(chǎn)線多級傳送帶的順序啟動控制和逆序停止控制，掌握定時器指令的工作原理和編程應用。項目三：生產(chǎn)線上產(chǎn)品自動裝箱打包控制，使學生掌握對計數(shù)器指令的編程及應用。項目四：搬運機械手運動控制，使學生掌握用順序控制設計法進行程序設計的方法。項目五：溫度PID控制，使學生掌握PLC對模擬量輸入讀取和處理的方法，以及如何通過PID控制指令實現(xiàn)溫度控制。該項目涉及檢測技術(shù)、自動控制原理等多門課程知識的綜合應用。項目六：恒壓供水系統(tǒng)控制，使學生掌握如何利用PLC控制變頻器，從而實現(xiàn)對電機的調(diào)速，該項目是對檢測技術(shù)、變頻器、電機等多門課程知識的綜合應用。項目七：碼垛機控制系統(tǒng)設計，通過該項目使學生掌握運用PLC高速脈沖信號實現(xiàn)對碼垛機各自由度步進電機的運動控制，實現(xiàn)物料的抓取和堆垛，同時該項目還能鍛煉學生對復雜邏輯的編程和調(diào)試能力。

通過以上項目的實施，學生不僅能掌握PLC常用控制技術(shù)，也能熟悉PLC控制系統(tǒng)的設計開發(fā)過程，并將相關(guān)專業(yè)課程知識構(gòu)成一個完整的體系。在此基礎上，結(jié)合當前工業(yè)領域，以PLC作為控制器對機床和機器人的控制為主流方向之一，筆者又設計了“定長切割機監(jiān)控系統(tǒng)”、“平板切割機監(jiān)控系統(tǒng)”和“多軸聯(lián)動切割機器人監(jiān)控系統(tǒng)”三個綜合性項目。其中“定長切割機監(jiān)控系統(tǒng)”以PLC為控制中心，實現(xiàn)對定長步進電機和帶鋸三相交流電機的控制?！捌桨迩懈顧C監(jiān)控系統(tǒng)”實現(xiàn)對平面X軸和Y軸兩軸的聯(lián)動控制，從而實現(xiàn)切割三角形、圓形、四邊形等平面圖形?！岸噍S聯(lián)動切割機器人監(jiān)控系統(tǒng)”涉及到對機器人多個自由度伺服電機的聯(lián)動控制。項目綜合了上位機監(jiān)控軟件開發(fā)和下位機控制程序設計，下位機以PLC為核心實現(xiàn)對交流電機、步進電機和伺服電機的運動控制和多軸的聯(lián)動控制，上位機利用組態(tài)軟件開發(fā)了生動形象、交互性強的人機界面。三個項目以PLC在運動控制中的應用為主，由淺入深，使學生更進一步了解了PLC在工業(yè)控制領域的應用，為將來從事相關(guān)行業(yè)打下一定基礎。

4 項目教學法實施過程

項目式教學，將基礎知識的學習融于實際工程項目任務的解決過程中。每一個項目的實現(xiàn)包括任務提出、任務分析、控制系統(tǒng)硬件設計、軟件程序設計及調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和運行五步，以此為主線展開教學。在教學過程中由教師提出設計任務，結(jié)合多媒體動畫演示分析工藝過程，并引導學生思考任務實現(xiàn)需涉及的理論知識點，再由教師進行梳理和講解；之后由學生以小組討論的形式完成控制系統(tǒng)硬件設計，包括PLC的I/O分配、電氣原理圖的繪制以及程序設計構(gòu)思，充分調(diào)動學生思維，以完成整個項目任務；最后由教師引導，以組間討論的形式針對每組項目實施中出現(xiàn)的問題進行改進。項目實施過程中通過組態(tài)軟件和PLC結(jié)合進行項目演示，以使學生能直觀地了解項目的整個運行過程，克服因教學條件有限造成的課程內(nèi)容枯燥乏味。

圖2為進入基礎項目管理系統(tǒng)后運料小車控制的組態(tài)畫面，可通過該組態(tài)畫面來輸入控制命令，觀察運行狀態(tài)以進行程序調(diào)試。所設計的系統(tǒng)項目可以脫離現(xiàn)場設備通過組態(tài)畫面的形式反映現(xiàn)場運行情況，克服了缺乏現(xiàn)場硬件資源造成演示結(jié)果抽象不具體的問題。綜合性項目“定長切割機監(jiān)控系統(tǒng)”和“多軸聯(lián)動切割機器人監(jiān)控系統(tǒng)”要求學生自行設計上位機監(jiān)控畫面，根據(jù)所學課程由學生自行選擇組態(tài)軟件或虛擬儀器技術(shù)等實現(xiàn)上位機的設計。

5 實施效果

通過采用項目教學法對PLC課程進行改革，項目設計以工程應用為背景，以成果為導向，堅持理論與實踐相結(jié)合。設計的項目與工業(yè)控制緊密結(jié)合，由淺入深，囊括了PLC控制技術(shù)的理論基礎，并融合了專業(yè)領域多門相關(guān)課程知識，建立了專業(yè)知識體系。項目教學法的實施既拓寬了學生的知識面，又提高了學生的綜合技能，鍛煉了學生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，為新工科背景下人才的培養(yǎng)奠定了基礎。