PLC實驗課程教學(xué)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)智能化已成為當(dāng)今社會生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢，社會需要更多創(chuàng)新能力強(qiáng)的智能化人才。但是，目前高校主要是培養(yǎng)知識型人才，對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)相對欠缺。缺乏創(chuàng)新能力的知識型人才踏入企業(yè)還需要經(jīng)過相當(dāng)長時間的打磨才能滿足企業(yè)發(fā)展需求，這使他們在就業(yè)市場里相對缺乏競爭力，給他們帶來比較大的就業(yè)壓力[1-3]。當(dāng)然，高校理工科都有實驗課，對培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力起到非常積極的作用。然而，高校理工科實驗多是驗證性實驗，幫助學(xué)生更加直觀地理解掌握理論知識，對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)相對欠缺。因此，高校需要開展更多的創(chuàng)新綜合型實驗項目。

PCL（可編程邏輯控制器）是一種用于自動化控制的具有微處理器的數(shù)位邏輯控制器，是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電器接觸控制技術(shù)的結(jié)合體。PLC作為通用工業(yè)控制計算機(jī)，實用性強(qiáng)，方便易學(xué)。它接線容易，采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使編程更形象、直觀，易于為工程技術(shù)人員所接受，即使沒有掌握專業(yè)的計算機(jī)編程語言知識也能上手。在理工科院?；?qū)I(yè)中，PLC類課程是重要課程之一[4]。傳統(tǒng)的 PLC 實驗課程缺乏綜合性和設(shè)計性實驗，重在加強(qiáng)對基本指令知識的掌握和軟件操作。由于實驗器材的限制，兩個學(xué)生為一組做實驗，無法保證每個學(xué)生都能動手操作。實驗評價更重視實驗結(jié)果和實驗報告而忽略實驗過程，不利于全方位提升學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新能力，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新人才。此外，理論課和實驗課分割不利于“理論用于實踐，實踐反過來促進(jìn)理論學(xué)習(xí)”教學(xué)理念的貫徹[5]。

基于此，本文提出的PLC課程將理論課和實驗課相結(jié)合，將傳統(tǒng)基本實驗和創(chuàng)新綜合設(shè)計實驗有機(jī)結(jié)合，并引導(dǎo)學(xué)生將課堂所學(xué)用于解決企業(yè)生產(chǎn)中遇到的問題，實現(xiàn)多維度培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和將理論應(yīng)用于實際的能力[6]。

1課程結(jié)構(gòu)與實施

實驗中心開設(shè)的PLC課程主要分為PLC原理和PLC實訓(xùn)兩大模塊。

1.1 PLC原理

這部分課程主要給學(xué)生講解PLC的理論知識，包括PLC基礎(chǔ)知識、三菱系列PLC介紹、PLC的程序編制、PLC的基本指令和功能指令。課程目標(biāo)：學(xué)生能認(rèn)識了解PLC的基本知識，學(xué)會PLC基本編程技能和各種功能指令的使用方法，大概六個課時。

1.2 PLC實訓(xùn)

學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識和技能后需要將其應(yīng)用到實踐中，實訓(xùn)課程是培養(yǎng)學(xué)生動手能力的核心。實訓(xùn)部分包括三個內(nèi)容：實訓(xùn)要求、PLC實驗裝置和編程軟件介紹、PLC實訓(xùn)內(nèi)容。

1.2.1 實訓(xùn)要求

開展實訓(xùn)課前，先跟學(xué)生講清楚實訓(xùn)要求，包括：實驗前預(yù)習(xí)、實驗注意事項、實驗記錄和實驗報告要求、實驗室守則和實驗室安全等。

1）實驗前預(yù)習(xí)。預(yù)習(xí)是課前必備環(huán)節(jié)，對實驗的順利開展和提高實驗效率至關(guān)重要。學(xué)生需要提前了解實驗原理、實驗內(nèi)容和實驗步驟，了解所用實驗設(shè)備的使用方法。因前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了相關(guān)理論知識，實驗課上只給學(xué)生快速講解實驗原理和設(shè)備使用方法，以便學(xué)生有更多的時間進(jìn)行實驗操作，提高實驗效率。學(xué)生必須按要求做好課前預(yù)習(xí)并撰寫預(yù)習(xí)報告，教師在課堂上檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)報告，沒有預(yù)習(xí)報告或者預(yù)習(xí)報告不及格的，不予批準(zhǔn)做實驗。另外，在預(yù)習(xí)報告中設(shè)置相關(guān)題目讓學(xué)生回答，有效避免學(xué)生應(yīng)付了事，同時題量不大，避免學(xué)生產(chǎn)生厭倦情緒。

2）實驗注意事項。良好的操作程序和習(xí)慣是實驗高效進(jìn)行的保證，也是實驗設(shè)備能持續(xù)長久運(yùn)行的根本。要求每個學(xué)生按指定編號就座，以便統(tǒng)計各個學(xué)生所使用設(shè)備的故障率，從而分析學(xué)生操作是否得當(dāng)，對因不正確操作導(dǎo)致設(shè)備損壞的學(xué)生，視情節(jié)嚴(yán)重程度給予相應(yīng)處罰。學(xué)生開展實驗時不能隨意搬動設(shè)備，要輕拿輕放，對按鈕和旋鈕用力不能過猛、過快，需要慢慢調(diào)節(jié)并待視數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)。數(shù)據(jù)測量完畢后先斷開電源，待教師檢查簽字后方可拆除線路。實驗結(jié)束后需把設(shè)備和桌面還原到實驗前狀態(tài)方可離開實驗室，從而養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣。

3）實驗記錄和實驗報告要求。向?qū)W生講清楚實驗需要記錄的內(nèi)容和實驗報告要求，學(xué)生需按要求撰寫實驗報告并在下次課前統(tǒng)一上交，對無故不交報告或遲交報告者視情節(jié)給予相應(yīng)處分。

4）實驗室守則和實驗室安全。向?qū)W生宣讀實驗室守則并要求嚴(yán)格遵守，強(qiáng)調(diào)必須愛護(hù)實驗設(shè)備、節(jié)約使用實驗材料，不得隨意調(diào)換實驗設(shè)備更不能取走實驗室器材，否則給予紀(jì)律處分。實驗室安全是重中之重，學(xué)生不得在通電情況下接線或更改接線，所有實驗操作必須在斷電情況下進(jìn)行，接好線路后需檢查確認(rèn)無誤方可通電。禁止違規(guī)操作，實驗過程中嗅到焦味、看到冒煙和火花或發(fā)現(xiàn)設(shè)備過燙等異?，F(xiàn)象，應(yīng)立即切斷電源并報告教師，待排除故障后方可開機(jī)，嚴(yán)禁私自處理[4]。

1.2.2講解PLC實驗裝置和編程軟件

給學(xué)生介紹實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、功能和使用方法，并介紹涉及的多種功能的擴(kuò)展模塊和實物模型，激發(fā)學(xué)生的興趣。給學(xué)生講解設(shè)備的接線端口與接線的原則和方法。最后，向?qū)W生講解所用到的軟件及其使用方法。

1.2.3 實訓(xùn)內(nèi)容

前期的講解都是為了規(guī)范學(xué)生的實驗操作和習(xí)慣，確保實訓(xùn)的順利高效運(yùn)行。實訓(xùn)內(nèi)容包括基礎(chǔ)實驗和綜合設(shè)計實驗。

1）基礎(chǔ)實驗主要包括：基本指令的編程練習(xí)、十字路口交通燈控制模擬、五相步進(jìn)電動機(jī)模擬、LED數(shù)碼顯示控制模擬、裝配流水線模擬等項目。這部分實驗內(nèi)容旨在讓學(xué)生熟練掌握應(yīng)用基本指令，實現(xiàn)工作生產(chǎn)的一些簡單控制模擬，體會實際應(yīng)用的樂趣并能在快樂學(xué)習(xí)中打好PLC技能基礎(chǔ)。

2）綜合設(shè)計實驗主要包括：小車綜合運(yùn)行控制、爬行機(jī)器人控制、智能溫室控制、四層電梯模型和門禁實物系統(tǒng)模型等實驗項目。學(xué)生通過前期基礎(chǔ)實驗已掌握PLC的一些基礎(chǔ)應(yīng)用實驗技能，熟練掌握編程技巧，可以進(jìn)行綜合設(shè)計實驗。綜合設(shè)計實驗是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力應(yīng)用所學(xué)技能解決實際問題能力的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生需要開闊思路，自己設(shè)計實物模型實現(xiàn)相應(yīng)功能，并能通過改變程序改變模型運(yùn)行模式。實物模型就是科技生產(chǎn)和日常生活中實物的縮影，通過這部分實驗訓(xùn)練，學(xué)生能掌握科技產(chǎn)品的運(yùn)行原理和模式，有效提升創(chuàng)新思維，激發(fā)創(chuàng)造發(fā)明新科技產(chǎn)品的斗志和信心[7-8]

2 課程案例

2.1基礎(chǔ)實驗：LED數(shù)碼顯示控制

1）向?qū)W生介紹實驗器材和使用方法。實驗器材有PLC可編程控制實驗箱和LED數(shù)碼顯示控制擴(kuò)展模塊、導(dǎo)線若干。

2）讓學(xué)生明確實驗?zāi)康?。掌握置位與復(fù)位指令在控制中的應(yīng)用及其編程方法。

3）向?qū)W生講解實驗原理。講解SET置位指令和RST復(fù)位指令的功能。SET目標(biāo)操作元件為Y、M、S，RST目標(biāo)操作元件為Y、M、S、D、V、Z、T、C。兩條指令占 1～3 個程序步。用RST可以將定時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器、變址寄存器的內(nèi)容清零。控制要求：按下啟動鍵后，八段由LED發(fā)光二極管模擬的數(shù)碼管開始顯示：先按 A～H 的次序一段一段地顯示，然后按 0～9 、A、B、C、D、E、F的順序顯示數(shù)字和字母，再返回初始顯示并往復(fù)循環(huán)。

4）實驗過程。按照輸入／輸出接線列表進(jìn)行連線，按梯形圖參考程序（圖略）自行輸入梯形圖，將其轉(zhuǎn)換為指令表語句并傳送至PLC，運(yùn)行程序并記錄實驗現(xiàn)象。問題分析：此控制系統(tǒng)一共有24個狀態(tài)，由24個輔助繼電器記錄當(dāng)前所處狀態(tài)，請分析當(dāng)M201為ON時，八段數(shù)碼顯示輸出 A～H 的狀態(tài)分別如何，顯示結(jié)果又是什么？課后學(xué)生需按要求完成實驗報告并在下一次課前提交紙質(zhì)版實驗報告。

5）實驗評價。主要從課堂實驗表現(xiàn)和實驗報告兩方面對學(xué)生實驗作出評價，再給出最終實驗成績。對于課堂表現(xiàn)，需要指導(dǎo)教師密切觀察學(xué)生實驗表現(xiàn)，包括實驗操作流程是否規(guī)范、完成實驗的時間、實驗過程中遇到問題如何解決、完成實驗后是否整理實驗器材等；對于實驗報告，從實驗記錄現(xiàn)象，問題分析，實驗報告格式、完整性、書寫等方面作出綜合評價。該實驗為基礎(chǔ)實驗之一，主要目的是讓學(xué)生掌握PLC的基本操作和應(yīng)用，為綜合

設(shè)計實驗打下堅實基礎(chǔ)。

2.2綜合設(shè)計實驗：六足機(jī)器人動作設(shè)計與實現(xiàn)

1）介紹實驗器材。實驗器材包括六足機(jī)器人（圖1左）、控制器（圖1右）、PLC可編程實驗箱?？刂破髋c機(jī)器人可無線連接，控制器上半部分為機(jī)器人控制信號端口，下半部分為8路自復(fù)位按鈕開關(guān)。控制器需要外接24VDC電源，用單獨的電源開關(guān)控制。實驗用六足機(jī)器人有六足18個關(guān)節(jié)并配18個舵機(jī)，可模仿自然界節(jié)肢動物部分動作，學(xué)生通過編程可實現(xiàn)六足機(jī)器人多功能運(yùn)動。

圖1六足機(jī)器人和控制器

2）實驗?zāi)康?。了解六足機(jī)器人工作原理，通過PLC編程實現(xiàn)六足機(jī)器人多種動作行為，為開發(fā)新控制程序打下基礎(chǔ)。

3）實驗過程。按照講義中輸入輸出接線分配表進(jìn)行接線。按照實驗面板設(shè)計編寫PLC控制程序并畫出梯形圖，簡單描述六足機(jī)器人運(yùn)動過程并演示運(yùn)動效果，錄下運(yùn)動過程視頻。對實驗過程和結(jié)果進(jìn)行反思，學(xué)生按照各自想法設(shè)計六足機(jī)器人運(yùn)動并編寫梯形圖，觀察六足機(jī)器人實際運(yùn)動情況是否與所設(shè)計的運(yùn)動情況和梯形圖相符，如果不符，思考并尋找原因，修改程序梯形圖，直到實現(xiàn)設(shè)計動作。課后按要求完成實驗報告，要求把實驗過程中出現(xiàn)的問題、問題原因分析和解決方法等詳細(xì)記錄在實驗報告中。

4）實驗評價。該實驗屬于開放設(shè)計性實驗，沒有標(biāo)準(zhǔn)的實驗流程，可充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造欲望。學(xué)生可按自己的想法在實驗條件允許的情況下進(jìn)行實驗設(shè)計并驗證實驗效果，從而增強(qiáng)實驗興趣，提高實驗課效率。根據(jù)學(xué)生設(shè)計的機(jī)器人動作的復(fù)雜程度、運(yùn)行的連貫性、實際效果、其間出現(xiàn)的問題及問題是否得到解決、實驗報告分析的完整性與合理性等對學(xué)生本次實驗作出評價打分。

做本實驗前，學(xué)生已經(jīng)掌握一定的PLC實驗基礎(chǔ)，具備設(shè)計PLC實驗程序控制操作實物模型的知識儲備。通過編程將設(shè)計的六足機(jī)器人動作展示出來，提高學(xué)生應(yīng)用PLC實驗程序進(jìn)行實物模型控制操作的能力。學(xué)生從中能感受到成功的喜悅，增強(qiáng)自信心，提高學(xué)習(xí)熱情；學(xué)生在實驗過程中也會遇到挫折和失敗，通過分析失敗原因，尋求解決問題的方法，增強(qiáng)抗壓能力，提升解決問題的能力。這些正是學(xué)生需要的能力，更是他們以后步入社會所需要的重要能力。實物模型控制實驗教學(xué)是PLC實訓(xùn)課程的重要一環(huán)，后期將開發(fā)更多的實物模型實驗項目，如電梯模型、門禁系統(tǒng)、材料分揀系統(tǒng)、溫室控制系統(tǒng)等。這些項目將豐富實驗課程內(nèi)容，切實提高學(xué)生的實操能力和創(chuàng)新思維能力，為國家和社會培養(yǎng)高素質(zhì)人才[9]

3 課程拓展

PLC實驗課程的主要目的是讓學(xué)生掌握PLC基本原理和應(yīng)用相關(guān)知識技能解決實際生產(chǎn)問題。實驗部分從前期基礎(chǔ)實驗掌握PLC基本操作和編程要領(lǐng)，到應(yīng)用PLC技能進(jìn)行實物模型操作控制，由簡入深，循序漸進(jìn)，從而增強(qiáng)課程效果，更加有效地實現(xiàn)課程目標(biāo)，使學(xué)生得到極大的鍛煉，提升動手能力和解決實際問題的能力。另外，通過PLC實驗課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握一定的PLC應(yīng)用技能，具備初步的應(yīng)用PLC技能解決實際問題的能力，在此基礎(chǔ)上，可以將此課程進(jìn)行拓展，如參加一些大學(xué)生實驗大賽。學(xué)生可以根據(jù)大賽要求自行設(shè)計實驗方案，創(chuàng)作實驗作品參賽，進(jìn)一步提升創(chuàng)新能力與動手能力。

此外，還可以與相關(guān)企業(yè)合作，讓學(xué)生到企業(yè)實訓(xùn)，感受和課堂學(xué)習(xí)的區(qū)別，從而更加深刻地認(rèn)識到學(xué)習(xí)的重要性，提升學(xué)習(xí)自主性，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)[10]。企業(yè)可給學(xué)生提出一些生產(chǎn)上遇到的問題，讓學(xué)生嘗試給出解決方案并驗證方案的可行性和效果。年輕學(xué)生思維活躍，或許能給企業(yè)帶來更多元的視角，同時，學(xué)生站在技術(shù)工程師的角度，應(yīng)用所學(xué)技能為企業(yè)出謀劃策，不僅能提前了解社會大生產(chǎn)對技術(shù)人才的需求，還能獲得更多實踐鍛煉的機(jī)會，有助于畢業(yè)后快速融入社會并為社會作出貢獻(xiàn)。

4創(chuàng)新能力培養(yǎng)

創(chuàng)新能力對增強(qiáng)國家綜合國力、促進(jìn)社會發(fā)展至關(guān)重要。高校是為國家和社會培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要基地。本文以PLC實驗課程教學(xué)創(chuàng)新為例推進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，首先要重視思想創(chuàng)新。在PLC實驗課程教學(xué)中，教師要和學(xué)生講清楚該課程與生活生產(chǎn)聯(lián)系比較緊密的例子，讓學(xué)生知道學(xué)習(xí)本課程能有什么用途和需要掌握怎樣的技能，激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新意識。其次是重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。大家都知道創(chuàng)新能力的重要性，但怎么去創(chuàng)新？教師在PLC課堂中，應(yīng)重點教學(xué)生創(chuàng)新的思路和方法，如機(jī)器人可以實現(xiàn)什么樣的動作？什么樣的動作更美觀？怎樣設(shè)計程序去實現(xiàn)？需要用到哪些所學(xué)知識？也可以在每個實驗中讓學(xué)生修改程序改變某個功能，還可以提出一些問題讓學(xué)生思考，等等。然后強(qiáng)調(diào)方法創(chuàng)新，即實現(xiàn)同樣功能是否有不同方法，哪個方法更優(yōu)。總之，就是要學(xué)生多動腦、多動手并多反思[1]

5 結(jié)束語

PLC實驗課程教學(xué)提倡將理論和實踐相結(jié)合，由淺入深，循序漸進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣，逐步培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)新能力。前期開展理論學(xué)習(xí)，然后進(jìn)行基礎(chǔ)實驗訓(xùn)練鞏固理論知識，掌握基本實驗技能，接著應(yīng)用所掌握的知識和技能進(jìn)行綜合設(shè)計實驗，最后參加相關(guān)比賽乃至為企業(yè)解決實際生產(chǎn)問題，切實用所學(xué)知識服務(wù)社會。

6參考文獻(xiàn)

[1］李幼真，徐富新，何彪，等．面向拔尖人才培養(yǎng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革實踐［J].大學(xué)物理實驗，2023，36（1）：149-152.