應用型“電氣控制技術和可編程控制器”課程體系研究

孫曉波 張禮慧

摘要：國家中長期教育改革發展綱要和卓越工程師教育培養計劃對工程技術人才的知識結構、學習能力、實踐能力和創新能力及工程意識提出了明確要求。應用型本科院校必須修改培養方案，創新課程體系以適應人才培養的要求。本文以電氣工程專業的“電氣控制技術和可編程控制器”為例，進行課程體系研究，通過整合教學內容、改善教學手段、課程實驗層次劃分、課程設計工程化、改善實驗室運行方式等強化學生的能力培養，取得較好的效果。

關鍵詞：電氣控制技術;可編程控制器;課程體系;能力培養

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0065-02

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）》，指出高等教育今后的戰略目標是：“優化知識結構，豐富社會實踐，強化能力培養;著力提高學生的學習能力、實踐能力和創新能力，”力爭于2020年躋身創新型國家行列和人力資源強國行列[1]，為實現這一目標，高等教育任重而道遠。教育部于2010年6月23日啟動了“卓越工程師教育培養計劃”，旨在培養造就一批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才。卓越工程師教育培養計劃的核心是以社會需求為導向，以實際工程為背景，以工程技術為主線，強化學生的工程意識和實踐能力[2]。

“電氣控制技術”和“可編程控制器”是兩門實踐性強的專業基礎課程，是電氣工程及其自動化專業的核心課程。如何利用現有條件，在“電氣控制技術”和“可編程控制器”的教學環節中，不斷提高教學質量，提高學生綜合分析和解決工程實際問題的能力，培養高素質創新型應用人才，滿足社會需要，已引起各高校和相關教師的高度重視。因此，改革這兩門課程的教學方法和手段，構建與社會需求相適應的教學新方案，具有重要而深遠的意義。我院從課程的教學內容、教學手段、實踐環節以及實驗室運行改革入手，開展研究，逐漸形成了自己的教學特色。

一、調整教學大綱，精心選擇授課內容

對于應用型本科院校，應緊密聯系社會生產實際，瞄準典型崗位群，整合教學內容。因為可編程控制器應用越來越廣泛，所以課程應以可編程控制器控制為核心;同時，考慮到企業中還有相當數量的接觸器——繼電器控制的機床設備，加之接觸器——繼電器控制的典型環節和控制規律又是學習可編程控制器控制的基礎，所以課程內容中要有接觸器——繼電器控制部分。這兩部分內容既相對獨立，又密切聯系。

1.電氣控制技術理論課程內容安排

繼電器——接觸器控制部分主要有低壓電器元件的原理、用途及電氣符號介紹、典型控制環節和基本控制規律以及典型的常用機床的電氣控制系統原理分析，要求熟練掌握典型環節、基本控制規律和原理分析方法及必要的故障檢查排除方法。

2.可編程序控制器理論課程內容安排

可編程控制器部分以國內廣泛應用的西門子S7-200為背景機型，主要講述可編程控制器的結構和工作原理、基本指令和使用頻率較高的擴展指令、可編程序控制器的編程方法。在編程方法上，以順序控制編程方法為主要內容。以上內容分兩門課進行講授。教學中注重理論與工程實際相結合，重視培養學生的實際工程應用能力和創新能力，融入前沿技術，較好地體現課程的基礎性、先進性和前沿性[3]。在講課過程中注重對比和聯系，引導學生理解兩種控制方式的異同和特點。

因為可編程控制實踐性強，安排適當的學時數講解最新典型可編程控制系統的編程實例，使學生眼界開闊。這部分內容每輪都會更新，即課程內容是開放的、動態的。編寫教學大綱時要充分考慮兩部分之間的聯系，將課程內容精選。

二、應用現代化的教學手段

理論教學中采用多媒體輔助教學手段，進行啟發式教學，課堂氣氛活躍，同時可以使復雜問題簡單化，抽象問題具體化，便于知識更新，顯著提高理論教學效果。

對于擴充學生知識面的認知知識，我們采用多媒體手段，可以擴大課堂信息量，也可以為重點問題留出更多的理論課時。

充分利用網絡手段，將課程多媒體課件、章節重點內容和典型案例等傳至QQ交流群，供學生下載交流學習。

在多媒體教室計算機中預裝S7-200編程監控軟件及仿真軟件，供教師在課堂教學中使用。當學生對某些指令用法存在疑惑時，可進行現場演示，生動直觀。

鼓勵學生在自己的電腦上安裝S7-200編程監控軟件和仿真運行軟件，查找資料進行自主學習，可以彌補實驗設備的不足[4]。

三、分層次安排課程實驗內容

根據學習規律，必要數量的實驗可以強化學生對課程內容的理解與掌握，但學生的技能優勢逐步提高的。因此將實驗課程按難度排列，可以達到較好的效果。

1.電氣控制技術課程實驗安排

電氣控制技術的課程實驗分為兩部分。一部分為基礎實驗，主要驗證典型控制環節和基本控制規律，引導學生加深對上述控制電路的理解與掌握，培養學生的動手能力;另一部分是綜合實驗，培養學生對較復雜的機床電氣控制系統的原理分析、尋找故障和排除故障的能力，相應的實驗內容和學時分配見表1。

2.可編程序控制器課程實驗安排

可編程序控制器部分的課程實驗也分為兩部分。一部分為基礎實驗，主要包括熟悉編程軟件和實驗裝置用法的準備實驗和若干基本指令應用實驗，主要是理解和驗證指令功能，重點掌握移位寄存器指令和順序控制指令的編程方法，掌握基本編程技能;另一部分是綜合實驗，訓練學生根據任務要求，繪制程序流程圖，進而綜合利用各種指令進行復雜編程的能力，學生可以在四層電梯的模擬控制、加工中心模擬控制、自動售貨機模擬控制等試驗中選擇一個進行。相應的實驗內容和學時分配見表2。

表1 電氣控制技術實驗內容

實驗層次 實驗內容 學時

基礎實驗 電動機正反轉直接起動控制電路 2

電動機降壓起動控制電路電路 2

電動機串電阻反接制動控制電路 2

電動機能耗制動控制電路 2

綜合實驗 C620車床的電氣控制線路 2

M7130平面磨床的電氣控制線路 2

X62W銑床模擬控制線路的調試 4

表2 可編程控制器實驗內容

實驗層次 實驗內容 學時

基礎實驗 PLC的基本指令練習、軟件學習 2

交通燈的PLC模擬控制 2

機械手的PLC模擬控制 2

裝配流水線的PLC模擬控制 2

綜合實驗 加工中心的PLC模擬控制 2

自動售貨機的PLC模擬控制 2

四層電梯的PLC模擬控制 4

四、改進課程設計教學

為了鞏固學習效果，進一步訓練學生利用所學知識分析問題解決問題的能力，在每門課程講授完成后，進行課程設計。

1.電氣控制技術課程設計

進行電氣控制技術課程設計時，學生根據所給題目進行接觸器——繼電器控制系統原理設計，然后在維修電工實訓室對所設計的原理圖進行連線驗證，驗證通過后，根據負載選擇電源開關、熔斷器、接觸器、熱繼電器、時間繼電器、按鈕等電器元件的型號、參數，查閱資料確定每個元件尺寸，按題目所給的底板尺寸安排各元器件的位置，繪制電氣元件布置圖和電器元件布線圖，給出元器件清單和其他材料消耗定額，撰寫設計說明書，最后答辯評定成績。通過上述課程設計，使學生經歷一次比較完整的接觸器——繼電器控制系統設計過程，提高學生的工程實踐能力。

2.可編程序控制器課程設計

進行可編程控制器課程設計時，學生根據所給題目，明確控制要求，確定輸入、輸出信號和可編程控制器的輸入、輸出點數，選擇可編程控制器的型號，繪制可編程序控制器接線圖和程序流程圖，然后根據流程圖進行梯形圖設計，利用計算機和可編程控制器實驗裝置進行程序驗證和改進設計，符合要求后，打印程序清單，進行程序注釋。根據題目所給控制箱的背板尺寸安排個電器元件的位置，繪制控制系統元件布置圖和布線圖，給出元器件清單和其他材料消耗定額，撰寫設計說明書，最后答辯評定成績。通過上述課程設計，使學生經歷一次比較完整的可編程控制系統的設計過程，進一步鍛煉學生的工程實踐能力。

五、改進實驗室運行方式

實驗室是學生施加能力培養的重要場所，以往理論教學后開始實踐教學，當學生做實驗時，電氣控制原理或可編程控制器的指令已經生疏了。其次，理論教學和實踐教學分別由不同老師執行，不了解學生的學習情況，影響學習效果。再次，受實驗設備的限制，有些實驗項目不能進行。最后，實驗室利用效率低，非實驗時間實驗室不開放，學生想進一步進行實驗提高能力時不方便。基于此，我們改變實驗室運行方式，主要有：

1.為了促進理論教學和實驗教學的融合，理論課教師參加指導實驗，這樣有利于理論知識對實踐環節的切實指導，也有利于實踐環節對理論知識的有效檢驗，同時也促進了教師的教學交流，提高教學質量[5]。

2.應用MCGS等監控仿真軟件，構造虛擬實驗環境，擴充實驗數量，學生可自主進行仿真實驗，提高學生實踐能力，還可引導學生進行仿真實驗開發，豐富實驗內容。目前已經將可編程控制器經典的三十多個試驗進行仿真建模。

3.將實驗室在課程設計、生產實習、畢業設計階段全開放，提高實驗室利用率。指導教師指定課程設計和畢業設計內容，學生充分利用實驗室資源，通過查閱資料，結合生產實踐，確定控制系統方案，進行驗證。

4.鼓勵學生申請創新性試驗項目，在老師指導下，利用實驗設備進行項目研究，鍛煉學生創新能力。

六、結語

在卓越工程師培養計劃的引導下，對電氣工程專業的“電氣控制技術”和“可編程序控制器”的課程體系進行了重建。

1.精簡整合兩部分的理論授課內容，重視原理和方法的闡述，并注重兩部分之間的異同和聯系;

2.在課程實驗教學中，將實驗分成基礎實驗和綜合實驗，分層次培養學生的動手能力;

3.在課程設計環節教學中，為學生虛擬一個工程背景，按工程技術人員的開發規程完成課程設計;

4.改進實驗室運行方式，理論課教師參加實驗教學，改善實驗條件，擴大實驗室開放時段，引導學生利用實驗室資源。

通過幾輪的理論與實踐教學，我們觀察到學生對電氣控制原理都有較深的理解，可編程序控制器的編程能力與前幾屆學生相比有明顯提高。同時，學生接受了電氣控制系統的開發工作過程訓練，工程實踐能力明顯增強。

參考文獻：

[1]劉欣梅，劉雪暖，丁傳芹，等.“卓越工程師教育培養計劃”的實施[J].石油教育，2011，（5）：68-70.

[2]戴波，紀文剛，劉建東，等.以工程能力培養為主線建構專業人才培養模式[J].高等工程教育研究，2011，（6）：136-140，168.

[3]馬永力.“電氣與PLC控制技術”教學改革的研究與探索[J].黃石理工學院學報，2012，（2）：67-70.

[4]王惠莉.基于MCGS的PLC實驗教學系統的構建[J]. 電氣電子教學學報，2010，（S2）：144-146.

[5]尚書旗，楊兆慧，連政國，等.促進實驗教學改革的思路與探索[J]. 華中農業大學學報，2005，（S1）：128-130.

（責任編輯：劉翠枝）