“現(xiàn)代電氣及PLC技術(shù)”課程教學(xué)改革方法探索

摘要：提出了“現(xiàn)代電氣及PLC技術(shù)”課程優(yōu)化與改革的一些方法，將理論教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)緊密結(jié)合。采用了項目教學(xué)法來加強學(xué)生的PLC實踐能力培養(yǎng)，輔以PLC課外科研項目來反哺教學(xué)；整合和擴充了實驗設(shè)備和計算機輔助系統(tǒng)，優(yōu)化教學(xué)資源；完成了教學(xué)手段向現(xiàn)代多媒體技術(shù)轉(zhuǎn)變，使教學(xué)手段多樣化；利用了學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，建立了基于網(wǎng)絡(luò)的PLC課程輔助教學(xué)系統(tǒng)。教學(xué)實踐表明，這些改革方法在“現(xiàn)代電氣及PLC技術(shù)”優(yōu)秀課程建設(shè)的應(yīng)用中取得了良好效果，教學(xué)質(zhì)量得到了較大提高，且這些方法具有較強的推廣性和實用性。

關(guān)鍵詞：項目教學(xué)法；PLC；教學(xué)改革；資源優(yōu)化；多樣化

作者簡介：黃飛騰（1984-），男，浙江溫州人，浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，實驗師；翁國慶（1977-），男，浙江衢州人，浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，副教授。（浙江 杭州 310023）

基金項目：本文系浙江工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀課程建設(shè)項目（項目編號：YX1206）、浙江工業(yè)大學(xué)教學(xué)方法改革專項項目（項目編號：JGZ1303）、院教改項目“以科研優(yōu)勢為依托的特色新興專業(yè)建設(shè)”、院教改項目“《電力系統(tǒng)綜合自動化》實驗教學(xué)改革”的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）33-0101-03

PLC中文名稱為可編程控制器，是在電氣控制技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是自動化控制領(lǐng)域中一種極其重要的新型控制設(shè)備。[1]“現(xiàn)代電氣及PLC技術(shù)”是高校電氣、自動化、機電等相關(guān)專業(yè)的一門重要課程，它的理論教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)在本課程教學(xué)中具有不相伯仲的重要地位。[2]

科技發(fā)展迅速，社會和企業(yè)對高校人才的實踐能力要求不斷提高。而本課程傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在教學(xué)手段單一、理論與實際社會需求脫離等問題。特別是在實踐環(huán)節(jié)十分薄弱，存在課時量少、形式單調(diào)、交互性差等缺陷。[3]這些不足之處制約了學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)和提升，PLC課程亟待改革和優(yōu)化。本文研究了“現(xiàn)代電氣及PLC技術(shù)”課程優(yōu)化與改革的方法，主要包括四部分內(nèi)容：采用項目教學(xué)法來加強實踐能力鍛煉；整合和擴充實驗設(shè)備以優(yōu)化教學(xué)資源；利用多媒體技術(shù)，使教學(xué)手段多樣化；利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建立輔助教學(xué)系統(tǒng)。

一、項目教學(xué)法的應(yīng)用

項目教學(xué)法是德國著名教育專家弗雷德教授倡導(dǎo)的重要教學(xué)理論，它是一種培養(yǎng)高技能人才的實踐教學(xué)方法，非常適用于理論與實際應(yīng)用緊密聯(lián)系的PLC技術(shù)這門課程。[4]

項目教學(xué)法的實施方法主要是：教師將教學(xué)課題或任務(wù)進行立項，以項目形式交給學(xué)生小組來完成，教師給予必要的指導(dǎo)。學(xué)生團隊合作，制訂計劃，分工協(xié)同，在自主完成項目的過程中，運用和掌握知識，分析并解決問題，鍛煉了自主思維方式、實踐能力和團隊協(xié)作能力等。[5]

將項目教學(xué)法應(yīng)用于PLC技術(shù)課程的實踐教學(xué)中，是本文教學(xué)改革研究的關(guān)鍵，整合后的PLC實驗資源，為項目教學(xué)法提供了良好的教學(xué)基礎(chǔ)。教師利用多媒體教學(xué)授予必要的理論知識，利用資源共享網(wǎng)絡(luò)與學(xué)生開展高效率的互動交流，并借助基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的PLC課程輔助教學(xué)系統(tǒng)，解決了課內(nèi)項目教學(xué)法在實踐環(huán)節(jié)上學(xué)時不足的問題，調(diào)動學(xué)生積極性，更好地進行主動探索。

項目教學(xué)法在“現(xiàn)代電氣及PLC技術(shù)”課程改革中，分兩種類別實施。第一類是經(jīng)典案例的項目教學(xué)，教學(xué)目的是使學(xué)生掌握可編程控制器控制技術(shù)的基本理論、分析方法和應(yīng)用技術(shù)。第二類則是科研項目反哺教學(xué)，提高教學(xué)水平和前沿性，加強學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

1.經(jīng)典案例的項目教學(xué)法

采用經(jīng)典案例的項目教學(xué)，教師的教學(xué)工作重心從原來的課堂講解轉(zhuǎn)移到項目教學(xué)的三個環(huán)節(jié)中，分別是項目設(shè)立、項目實施和項目評價。新的教學(xué)模式下，理論指導(dǎo)、仿真調(diào)試和實踐應(yīng)用都整合到項目教學(xué)過程中，便于學(xué)生在運用知識過程中更好地掌握理論。

項目教學(xué)的第一步“項目設(shè)立”，頗具技巧。教師需要考慮各個知識重點，搭配合適的經(jīng)典案例，精心策劃項目方案。引導(dǎo)學(xué)生在完成各個案例項目的過程中，將理論知識的運用與PLC項目教學(xué)融合。根據(jù)不同的知識和教學(xué)目的，經(jīng)典的案例如表1所示。

此外，還有“紅綠燈控制”、“液體混合罐”、“機械臂控制”等經(jīng)典案例，教學(xué)目的主要是用PLC解決實際問題，掌握PLC的編程方法及程序調(diào)試方法。

項目教學(xué)法第二步是實施步驟，是教學(xué)指導(dǎo)的重要環(huán)節(jié)。教師利用多樣化教學(xué)手段，進行全場掌控和引導(dǎo)，用多媒體技術(shù)教學(xué)重點講解理論要點和關(guān)鍵知識，利用網(wǎng)絡(luò)互動平臺解答課后疑問等；而學(xué)生們可以在教學(xué)輔助系統(tǒng)中自主探索教學(xué)資源，或開展同學(xué)間的互動和學(xué)術(shù)探討。學(xué)生分組完成PLC教學(xué)項目，實施過程一般包含以下內(nèi)容：控制需求分析、元器件選擇、硬件電路設(shè)計、I/O功能分配、PLC程序編寫、仿真測試和運行調(diào)試、編制項目報告書。

最后是項目評價階段，學(xué)生在老師的點評基礎(chǔ)上，進行回顧和再提高。教師根據(jù)教學(xué)過程中的記錄內(nèi)容，并參閱項目報告書，客觀、綜合地給予學(xué)生點評，抓住關(guān)鍵問題分析和講解，完成從實踐回到理論的升華。學(xué)生進一步反思和歸納總結(jié)，加強學(xué)習(xí)效果。

2.科研項目反哺教學(xué)

科研項目反哺教學(xué)是作為PLC項目教學(xué)法中的深化內(nèi)容。利用與PLC相關(guān)科研項目的資源，開展具有前沿性的演示教學(xué)，開拓學(xué)生的知識面；設(shè)立PLC相關(guān)創(chuàng)新項目來反哺教學(xué)，充分利用PLC實踐平臺的課余開放功能，使得積極主動的部分學(xué)生擁有加深和再提高PLC技術(shù)的平臺和機會。

浙江工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“我校”）PLC教學(xué)師資隊伍中，科研能力出眾的教師有許多在研或已完成的PLC相關(guān)科研項目。首先利用已完成的科研項目成果和設(shè)備進行反哺教學(xué)，開設(shè)PLC項目演示教學(xué)，讓學(xué)生們深入了解PLC技術(shù)在科研項目中的運用。比如利用我校的新能源科研項目，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，智能微網(wǎng)系統(tǒng)中采用PLC控制的電機、模擬風(fēng)機等內(nèi)容，這些前沿性的演示教學(xué)項目具有開闊學(xué)生眼界的作用。然后教師從在研的項目中，分配出一部分較基礎(chǔ)的PLC設(shè)計部分，交予部分優(yōu)秀學(xué)生來參與完成，鍛煉和培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。我校不少科研團隊中，已形成了由研究生帶領(lǐng)優(yōu)秀本科生參與到導(dǎo)師科研項目的眾多成功例子，培養(yǎng)出的學(xué)生在自主創(chuàng)新方面取得了不少佳績。其他反哺方法有設(shè)立PLC課外科技項目或PLC畢業(yè)設(shè)計項目，充分利用課余開放實驗，引導(dǎo)學(xué)生自主完成具有一定創(chuàng)新意義的PLC設(shè)計項目。

在教師指導(dǎo)下，我校已有較多由學(xué)生自主完成的基于PLC技術(shù)的創(chuàng)新項目，比如圖1所示的“基于于PLC的多功能電力系統(tǒng)自動裝置設(shè)計”，就是一項優(yōu)秀的基于PLC技術(shù)的畢業(yè)設(shè)計項目。以及圖2和圖3所示的“中央空調(diào)及其節(jié)能技術(shù)的研究”，是一項學(xué)生自主完成的具有創(chuàng)新價值的研究項目。

項目教學(xué)法的在PLC課程優(yōu)化中的兩個方面應(yīng)用，加強了本科教學(xué)的理論和實踐的結(jié)合緊密度，取得了良好的教學(xué)效果；還加強了科學(xué)前沿的教育，提高了教學(xué)水平，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力，培養(yǎng)出了一批優(yōu)秀的創(chuàng)新人才。

二、整合和擴充PLC實驗設(shè)備

目前PLC實踐環(huán)節(jié)，主要存在單調(diào)、課時少、自主設(shè)計和創(chuàng)新不足等問題。為此整合和擴充PLC實驗設(shè)備，為項目教學(xué)法的實施創(chuàng)造“做中學(xué)”的優(yōu)良條件，既能提升教學(xué)效果，又能加強學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。

整合實驗設(shè)備，將與PLC技術(shù)相關(guān)的實驗裝置整合形成一整套實驗平臺，并適當(dāng)補充一些儀器設(shè)施。

整合和擴充PLC技術(shù)實驗裝置有：S7-200型可編程控制實驗箱，集可編程邏輯控制器、編程軟件、編程電纜、實驗板等于一體，可進行PLC的基本指令練習(xí)和PLC模擬實驗；計算機微機系統(tǒng)33臺，安裝MCGS組態(tài)軟件及西門子的STEP7-Micro/WIN編程軟件，能實現(xiàn)PLC程序的編程、調(diào)試和仿真實驗；智能微網(wǎng)系統(tǒng)中采用PLC控制的電機，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中采用PLC控制的模擬風(fēng)機，用于演示教學(xué)；擴充了PLC電氣控制系統(tǒng)實訓(xùn)柜，包含工業(yè)觸摸屏組態(tài)軟件WinCC flexible、西門子變頻器、S7-300 PLC等。加強了在新型器件、變頻控制等實踐教學(xué)內(nèi)容的薄弱之處；此外，還在教學(xué)場地配備了多媒體教學(xué)設(shè)施，組建了含不間斷電源UPS和數(shù)據(jù)服務(wù)器的教學(xué)微機局域網(wǎng)等，為教學(xué)手段多樣化和網(wǎng)絡(luò)化奠定基礎(chǔ)。

整合拓展后的PLC實踐平臺如圖3所示，即有簡單入門的PLC練習(xí)內(nèi)容，又有實際受控對象的復(fù)雜案例研究，更有開放自主的軟仿真平臺。S7-200型可編程控制實驗箱用于基礎(chǔ)教學(xué)，包含PLC的基本指令練習(xí)及PLC應(yīng)用的模擬實驗；PLC電氣控制系統(tǒng)實訓(xùn)柜用于變頻調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)知識的實訓(xùn)學(xué)習(xí)；計算機仿真系統(tǒng)用于PLC教學(xué)項目設(shè)計、調(diào)試仿真和自主創(chuàng)新實驗。為學(xué)生創(chuàng)新實踐提供了全方位的實踐條件，達到“邊學(xué)邊練、理實緊密結(jié)合”的目的，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

三、教學(xué)手段和計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)

應(yīng)用項目教學(xué)法后的教學(xué)模式，不是簡單地將各種知識和練習(xí)揉捏在一起，而是將理論教學(xué)、仿真設(shè)計、實踐練習(xí)三者有序地結(jié)合，使學(xué)生“做中學(xué)”時達到融會貫通的目的。因此，必須改進教學(xué)手段，傳統(tǒng)的黑板方式早已無法滿足應(yīng)用性極強的PLC技術(shù)教學(xué)需求。

筆者提出了適應(yīng)項目教學(xué)模式下的教學(xué)手段。首先教師利用多媒體技術(shù)快速講解PLC指令等理論知識，配以圖片、動畫進行演示，節(jié)省出來的課堂時間則以學(xué)生為主體，在實踐平臺上進行練習(xí)和嘗試，讓課堂生動、活躍起來，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。然而在學(xué)生練習(xí)和調(diào)試過程中，解答學(xué)生大量的疑問也是新教學(xué)模式下的一個難點。然后教師利用微機局域網(wǎng)，借助數(shù)據(jù)服務(wù)器和計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)，在教師機上收集和解答學(xué)生的提問，由計算機輔助整理成共享FAQ資源。經(jīng)過幾個教學(xué)周期后，大部分重復(fù)性出現(xiàn)的疑難問題，學(xué)生都能自主地在學(xué)生機上從教學(xué)FAQ資源里使用輔助搜索功能直接找到解決方法。這樣教師在PLC課程教學(xué)中就能從大量的重復(fù)性教導(dǎo)中解脫出來，有更多時間專注于發(fā)現(xiàn)新問題和解決新問題。同時也大大減少了學(xué)生在PLC實踐中浪費掉的等待時間，提高了教學(xué)效率。

利用學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建立的基于網(wǎng)絡(luò)的PLC課程輔助教學(xué)系統(tǒng)，不僅能在局域網(wǎng)和課堂上使用，還能被學(xué)生在課余時間更多地使用。只要通過網(wǎng)絡(luò)連接到輔助教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生就能進行PLC教學(xué)資源的自主學(xué)習(xí)。計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)包含了教學(xué)大綱、電子課件、PLC習(xí)題、教學(xué)FAQ、實踐指導(dǎo)、參考文獻及其它相關(guān)網(wǎng)站資源等內(nèi)容，便于學(xué)生開展深化學(xué)習(xí)和提高，為參加課外科技或自主創(chuàng)新項目的同學(xué)提供了良好的學(xué)習(xí)條件。

四、結(jié)論

PLC技術(shù)是高校電氣、自動化類專業(yè)的重要專業(yè)課程。本文探索了“現(xiàn)代電氣及PLC技術(shù)”課程優(yōu)化與改革的一些方法，采用了項目教學(xué)法，用經(jīng)典案例加強實踐教學(xué)，輔以課外科研項目反哺教學(xué)，提高了教師教學(xué)水平，加強了學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。我校整合擴充了實驗設(shè)備，優(yōu)化了教學(xué)資源配置，建成了較完備的PLC實踐平臺，完成了教學(xué)手段向現(xiàn)代多媒體技術(shù)的轉(zhuǎn)變。利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，建立基于網(wǎng)絡(luò)的PLC課程輔助教學(xué)系統(tǒng)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)和深化學(xué)習(xí)提供了條件支持。

實踐表明，這些教學(xué)改革法在PLC優(yōu)秀課程建設(shè)的應(yīng)用中取得了成功，教學(xué)質(zhì)量和效果得到了較大改善，學(xué)生的積極主動性和實踐創(chuàng)新能力得到了提高。本文提出的PLC教學(xué)改革方法具有較強的推廣性和實用性，能對其他工科課程產(chǎn)生一定的良好影響。

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