新工科背景下虛實(shí)結(jié)合的PLC 原理及其應(yīng)用課程教學(xué)改革與實(shí)踐研究

任明月 馮俊杰 王艷紅 陳祖星

摘要：進(jìn)入21 世紀(jì)以后，社會(huì)對(duì)于工程型人才的需求越來(lái)越大，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力更為重要，原有的教學(xué)模式難以滿足行業(yè)對(duì)于學(xué)生的工程要求。本文從PLC 原理及其應(yīng)用課程教學(xué)虛實(shí)結(jié)合為出發(fā)點(diǎn)，研究新工科背景下該課程的教學(xué)策略。首先，分析現(xiàn)階段PLC 原理及其應(yīng)用課程教學(xué)模式的不足，得出采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式的必要性；其次，指出虛實(shí)結(jié)合課程教學(xué)體系的構(gòu)建；最后，通過(guò)PLC 課程的虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式為案例，得出虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，能夠?qū)?shí)踐項(xiàng)目更為形象具體地展示出來(lái)，提高學(xué)生課程的積極性，增加實(shí)驗(yàn)課程的吸引。

關(guān)鍵詞：新工科；虛實(shí)結(jié)合；教學(xué)模式；課程改革

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）06-0178-03

注重提高學(xué)生的工程實(shí)踐素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，是新工科背景下對(duì)高等學(xué)校本科專業(yè)學(xué)生的新要求。工程實(shí)踐的能力培養(yǎng)是高等院校工程教育的重要環(huán)節(jié)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、掌握實(shí)踐技能的重要途徑。PLC原理及其應(yīng)用課程是本科自動(dòng)化方向的一門專業(yè)必修課，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，主要為了工程應(yīng)用，同時(shí)也為從事本專業(yè)相關(guān)工作打好基礎(chǔ)，本課程的培養(yǎng)目標(biāo)更為注重培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)開發(fā)能力。課程內(nèi)容主要分為兩部分：一是電氣控制線路的分析與設(shè)計(jì)；二是PLC控制線路的分析與設(shè)計(jì)，授課內(nèi)容繁多且難度較大，對(duì)學(xué)生的綜合能力要求較高[1]。因此，在使學(xué)生掌握理論知識(shí)的同時(shí)，也能培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用于工程實(shí)踐的能力，傳統(tǒng)的教學(xué)模式多是集中在對(duì)學(xué)生理論知識(shí)的教授，并且以教師為主體，學(xué)生的參與度較低，學(xué)生普遍反映課程學(xué)習(xí)的難度較大，目前PLC原理及其應(yīng)用課程教學(xué)存在不少問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足

1）傳統(tǒng)的授課過(guò)程多是先理論后實(shí)踐[2]，例如，對(duì)于低壓電路的講解，按照教材內(nèi)容先對(duì)各低壓電器進(jìn)行介紹，然后運(yùn)用電器元件設(shè)計(jì)電氣線路；講解可編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，先進(jìn)行各指令系統(tǒng)的介紹再進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這樣的授課模式難免會(huì)使理論與實(shí)踐脫節(jié)，工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所用的知識(shí)已經(jīng)過(guò)去一兩周時(shí)間，學(xué)生對(duì)于工程設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)是去查找所用元器件或指令的功能，忽略工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的思考及創(chuàng)新。

2）傳統(tǒng)PLC課程無(wú)法展示出PLC程序執(zhí)行的具體流程，學(xué)生對(duì)內(nèi)容不能全面理解，只能流于表面想象，例如在講解定時(shí)器指令功能時(shí)，單純地運(yùn)用PPT 很難將其運(yùn)行過(guò)程中的當(dāng)前值和位變化展現(xiàn)出來(lái)。因此，學(xué)生對(duì)于相關(guān)知識(shí)理解不深，難以有很好的學(xué)習(xí)提升，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新意識(shí)未能得到充分激發(fā)。

3）傳統(tǒng)教學(xué)受場(chǎng)地和器材的限制，很難做到在課堂授課的過(guò)程中運(yùn)用實(shí)物展示PLC的控制系統(tǒng)，例如對(duì)于PLC對(duì)紅綠燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，只能靠講解梯形圖或語(yǔ)句表去分析該過(guò)程的執(zhí)行方式，無(wú)法將理論與實(shí)踐相結(jié)合，這種教學(xué)模式無(wú)法真正培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

4）傳統(tǒng)的教學(xué)模式多采用單一的期末考試形式來(lái)進(jìn)行課程考核，學(xué)生更為注重去記憶課本中的理論知識(shí)，機(jī)械性的記憶設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，這種考查方式并不能激勵(lì)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的興趣。

基于上述原因，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已很難滿足要求采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，使學(xué)生不僅僅學(xué)習(xí)掌握到理論知識(shí)，還能在仿真平臺(tái)上模擬實(shí)踐應(yīng)用，將理論應(yīng)用于實(shí)際，學(xué)以致用，在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力[3]。

2 虛實(shí)結(jié)合課程教學(xué)體系的建立

1）采用“理論+仿真+實(shí)踐”的教學(xué)模式。在學(xué)生掌握基本知識(shí)的情況下，教學(xué)過(guò)程中加入STEP-Mi?cro/WIN V4.0 SP6 編程軟件和S7-200仿真軟件的使用環(huán)節(jié)。利用STEP-Micro/WIN V4.0 SP6編程軟件鍛煉學(xué)生PLC編程能力，并與S7-200仿真軟件結(jié)合，利用虛擬的PLC仿真程序執(zhí)行的過(guò)程，理論與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，避免僅依靠理論講解程序的枯燥。

2）工程性教學(xué)改革研究。為培養(yǎng)工科學(xué)生的動(dòng)手能力，以及理解教學(xué)內(nèi)容的工程應(yīng)用，在課程教學(xué)中引入PLC控制下的實(shí)際工程案例，為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力提供基礎(chǔ)。對(duì)于工程案例的設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循先易后難、循序漸進(jìn)的原則，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中融入所學(xué)理論知識(shí)，不僅僅進(jìn)一步鞏固了學(xué)生的理論知識(shí)，同時(shí)使學(xué)生親身參與到系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，提高學(xué)生的工程意識(shí)。

3）虛實(shí)結(jié)合的課程教學(xué)改革研究。為鍛煉學(xué)生的編程能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入仿真平臺(tái)的搭建，結(jié)合實(shí)際工程案例，生動(dòng)形象地把課程知識(shí)點(diǎn)與工程應(yīng)用緊密結(jié)合起來(lái)，解決了傳統(tǒng)課程中受場(chǎng)地和設(shè)備的限制問(wèn)題，學(xué)生更為直觀地體會(huì)到PLC在實(shí)際場(chǎng)景的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

4）多層次考核方式。PLC課程的考核不僅僅只關(guān)注期末試卷的考試結(jié)果，新的教學(xué)模式下，對(duì)于學(xué)生的考核更為注重學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力掌握情況[4]。因此，考核結(jié)果應(yīng)由兩部分組成，平時(shí)成績(jī)+期末成績(jī)，而這兩部分成績(jī)中應(yīng)將工程設(shè)計(jì)能力的考核放于首位。首先，對(duì)于平時(shí)成績(jī)，應(yīng)由學(xué)生平時(shí)課堂表現(xiàn)及項(xiàng)目設(shè)計(jì)所組成，其中項(xiàng)目設(shè)計(jì)主要是學(xué)生應(yīng)用仿真軟件實(shí)現(xiàn)；其次，對(duì)于期末成績(jī)，除了考查基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)還需增加程序設(shè)計(jì)題目重點(diǎn)考查知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用[5]。

3 虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式的應(yīng)用

1）根據(jù)虛實(shí)結(jié)合的理念，將該教學(xué)模式應(yīng)用在實(shí)際教學(xué)工作中，在PLC課程教學(xué)內(nèi)容和形式上采用分階段教學(xué)。第一階段為基礎(chǔ)理論教學(xué)部分，這部分內(nèi)容在傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上融入仿真演示，教學(xué)方式采取、仿真平臺(tái)STEP-Micro/WIN V4.0 SP6 編程軟件和S7-200仿真軟件演示教學(xué)法和學(xué)生練習(xí)為主。教師將理論知識(shí)講解完成之后為加深學(xué)生的理解，可應(yīng)用仿真軟件展示具體的執(zhí)行過(guò)程，例如在定時(shí)器指令講解時(shí)，S7-200仿真軟件能更清晰地演示出定時(shí)器當(dāng)前值和位的變化過(guò)程，如圖1所示。同理在其他執(zhí)行講解時(shí)，也可讓學(xué)生進(jìn)行仿真練習(xí)，觀察其執(zhí)行變化，這種教育模式，使學(xué)生參與其中，且較為直觀形象，便于理論教學(xué)的開展及學(xué)生的掌握。

第二階段為理論應(yīng)用階段，主要考查學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。該部分設(shè)置多個(gè)指令講解完成后及章節(jié)總結(jié)階段，以設(shè)計(jì)典型環(huán)節(jié)為目標(biāo)，將所學(xué)知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用于環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)中，避免理論與實(shí)際脫節(jié)。學(xué)生在完成這一任務(wù)過(guò)程中，要求先進(jìn)行環(huán)節(jié)分析，掌握環(huán)節(jié)中所用的元器件及基礎(chǔ)指令，通過(guò)工程設(shè)計(jì)規(guī)則、設(shè)計(jì)步驟、所需資料的查詢方法等，使學(xué)生掌握基本的工程技術(shù)知識(shí)，減少精力和時(shí)間上不必要的浪費(fèi)，提高學(xué)習(xí)效率。以設(shè)計(jì)PLC控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)為例，學(xué)生確定好基本環(huán)節(jié)方案后，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則，確定使用指令系統(tǒng)中的自鎖結(jié)構(gòu)，然后確定所需環(huán)節(jié)中的元器件、I/O 分配、梯形圖設(shè)計(jì)等，通過(guò)仿真平臺(tái)模擬出基本環(huán)節(jié)。

第三階段為實(shí)際工程應(yīng)用階段，主要考查學(xué)生學(xué)以致用、理論聯(lián)系實(shí)際的能力，時(shí)間安排在學(xué)期末的課程設(shè)計(jì)階段[6]。學(xué)生通過(guò)前面的理論學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)掌握了工程設(shè)計(jì)規(guī)則、編程的基本方法和技巧，這時(shí)要求學(xué)生完成一些應(yīng)用創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，該設(shè)計(jì)項(xiàng)目需要真實(shí)的工業(yè)控制與仿真相結(jié)合，將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景，應(yīng)用PLC去完成這些實(shí)際場(chǎng)景的控制過(guò)程。例如常見(jiàn)的交通燈控制，學(xué)生需要根據(jù)交通燈控制的實(shí)際過(guò)程分析出PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則及仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)該實(shí)際場(chǎng)景的仿真。

2）實(shí)現(xiàn)多元化、過(guò)程性評(píng)價(jià)。虛實(shí)結(jié)合模式下PLC課程的考核成績(jī)主要由三部分組成：第一部分側(cè)重理論知識(shí)掌握，總評(píng)成績(jī)的20%；第二部分側(cè)重平時(shí)工程設(shè)計(jì)能力考核，占總評(píng)成績(jī)的40%。第三部分是筆試考試，占總評(píng)成績(jī)的40%，其中除了考查基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)還需增加程序設(shè)計(jì)題目重點(diǎn)考查知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用[7]。圖4為課程改革前后的學(xué)生成績(jī)統(tǒng)計(jì)對(duì)比，從圖中可以看出，學(xué)生成績(jī)的波峰由之前的40-59，提高為70-89，從成績(jī)方面可以看出有明顯的提升。同時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式滿意度調(diào)查，從圖5可以看出，學(xué)生對(duì)于采用仿真+理論的教學(xué)方式比較認(rèn)可，虛擬仿真教學(xué)模式的加入能夠提高學(xué)生對(duì)于課程的興趣。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐能力培養(yǎng)是高等院校工程教育的重要環(huán)節(jié)， 也是學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、工程意識(shí)、掌握實(shí)踐技能的重要途徑[8]。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，為實(shí)踐課程虛實(shí)結(jié)合多層次教學(xué)模式提供了技術(shù)支持，對(duì)于工程人才的培養(yǎng)起到了重要作用。采用虛實(shí)結(jié)合的多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，極大地改變了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的環(huán)境、內(nèi)容與模式[9]。本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核形式等方面進(jìn)行課程改革與實(shí)踐研究，通過(guò)加強(qiáng)教學(xué)實(shí)踐、理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生對(duì)可編程控制器有更深入的了解。同時(shí)，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和工程應(yīng)用，以擴(kuò)展學(xué)生視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，最后達(dá)到教學(xué)改革效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃春香.PLC課程的CDIO教改模式研究[J].黑龍江科技信息，2014（34）：120.

[2] 韓海豹，樊建強(qiáng)，賈維丁.獨(dú)立學(xué)院現(xiàn)代電氣控制技術(shù)與PLC課程CDIO 模式教改的研究與實(shí)踐[J]. 知識(shí)文庫(kù)，2017（9）：168-169.

[3] 達(dá)正花，何繼愛(ài).基于CDIO理念的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2018（8）：117-119.

[4] 王浩.基于提高大學(xué)生素質(zhì)和創(chuàng)新能力的《網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革[J].電子制作，2014（19）：157.

[5] 鄭偉南.虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式下的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系研究[J].通訊世界，2020，27（4）：176-177.

[6] 許有熊，曹錦江，劉娣，等.新工科背景下智能制造虛實(shí)結(jié)合項(xiàng)目教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2022（5）：91-94.

[7] 魏中舉，謝小平，李健.基于虛實(shí)結(jié)合的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J]. 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實(shí)踐，2023，6（11）：149-151，162.

[8] 付百學(xué)，朱榮福.新工科背景下虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究[J].黑龍江教師發(fā)展學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，40（5）：40-42.

[9] 王宏宇，丁建寧，許楨英，等.虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀分析與發(fā)展探究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（7）：11-16.

【通聯(lián)編輯：梁書】