《PLC應用技術》課程教學改革的研究與實踐

袁琦　劉曉梅　易細龍

摘要：PLC應用技術是一門實踐性、綜合性很強的專業課程。根據新時期電氣工程及其自動化專業建設的要求，結合課程的特點和存在的問題，在教學內容改革、實驗教學改革等方面進行了探索。實踐證明，這些改革既提高了學生對PLC應用技術基本理論的掌握，又提高了分析問題和解決問題的能力。

關鍵詞：可編程序控制器（PLC）；教學內容；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）04-0122-03

可編程序控制器（PLC）是以微處理器為核心，將繼電—接觸器控制技術、自動化技術、計算機技術和通信技術融為一體的一種新型工業自動控制裝置，具有可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、易于擴展、調試維護方便等一系列優點，在工業自動化、機電一體化、傳統電氣控制技術改造等方面得到了廣泛的應用。[1，2]目前，PLC應用技術已成為普通高等學校電氣工程及其自動化專業一門很重要的專業課程。

PLC應用技術是一門實踐性和綜合性都十分強的專業課程。然而，在科技迅猛發展的大背景下，新時期學科專業建設增設了不少新的課程，很多專業課程都面臨著縮減學時的壓力，PLC應用技術這門課程也不例外。因此，為使學生在有限的時間內真正掌握好這門課程，我校PLC應用技術課程組教師從課程內容設置和改革實驗教學等方面進行了探索，并取得了較好的教學效果。

一、教學內容改革

在PLC出現之前，工業控制領域中占主導地位的是繼電—接觸器控制，PLC控制系統是在繼電—接觸器控制系統和計算機控制系統基礎上發展起來的。在PLC課程設置初期，《電氣控制技術》和《PLC應用技術》兩門課程同時并存，前者設置了24學時的理論教學和8學時的實驗教學，后者設置了34學時的理論教學和8學時的實驗教學。但自2004級起，根據新時期學科專業建設的要求，在遵循“重基礎、寬口徑、多方向、強應用”的原則下，各專業增設了一些新的課程。為解決課時縮減和教學內容的矛盾，我校對《電氣控制技術》和《PLC應用技術》兩門課程進行了整合，調整為“電氣控制及可編程序控制器技術”一門課，總學時壓縮為50學時，其中理論34學時，實驗16學時，并且大幅度地壓縮了繼電—接觸器控制部分的內容，基本上是以一章篇幅內容對該技術作了簡要介紹，大部分學時是用于講授PLC應用技術。經過實際教學我們發現，這樣的整合，表面上學時是壓縮下來了，但教學效果遠不如前。出現這樣的教學效果，我們認為與課程內容設置不合理有直接的關系，特別是對繼電—接觸器控制技術只作簡要介紹，不管從深度還是廣度上都是遠遠不夠的，因為繼電—接觸器控制技術既是PLC技術產生的基礎，又是PLC控制實際系統中的橋梁和紐帶。再者，學生沒有一本合適的參考教材，也是其中一個重要原因。學生僅靠教師在課堂上的講授，是很難做到完全理解和消化的。為此，課程組以進一步調整該課程內容為契機，在機械工業出版社的大力支持下，編寫了《現代電氣控制與PLC應用技術》一書。編寫時，在繼電—接觸器控制部分主要介紹其基本理論和設計思想，為學習PLC技術提供必要的基礎；同時大大縮減繼電—接觸器控制應用的相關內容，以滿足整門課程學時的要求。另外，在合理設置繼電—接觸器控制技術與PLC控制技術內容的基礎上，還介紹了一大批如FXON-3A、RS485-BD板等現代新器件、PLC與變頻器的綜合應用、PLC在數控機床中的應用，以及CC-Link現場總線等新技術。該教材為電氣工程及其自動化專業的學生提供了一本系統、全面的學習參考書。通過學習，既使學生掌握了本課程的基本理論、基本技能，又培養了他們對新技術的應用能力。

二、實驗教學改革

根據《中共中央國務院關于深化教育改革，全面推進素質教育的決定》的文件精神，在調整和改革課程體系、結構和內容的同時，各高等院校還應深入扎實開展實驗教學工作，加強專業課程的實驗的綜合性，以培養學生的綜合應用能力和實際操作能力。[3]PLC應用技術是一門工程應用性很強的專業課程，其實驗教學的目的不僅要讓學生在基本實驗技能方面得到培養，而且還應讓學生在專業知識的綜合運用能力、工程意識以及創新能力等方面得到一定的鍛煉和培養，這是本課程實驗教學改革的方向。

PLC應用技術這門課程在電氣工程及其自動化專業的教學計劃中，是安排在三年級的下學期開設的。由于在這之前學習了電路原理、電子技術、計算機基礎、自動控制原理等專業基礎課程，有了一定的專業基礎知識和基本實驗技能，因而學生對參照實驗指導書，機械地按照步驟在實驗裝置上操作的、以驗證為主的傳統實驗模式基本上沒有多大興趣，呈現出來的面貌是被動地來上課，消極地進行實驗。通過與學生的交流，發現他們感興趣的是希望實驗內容能夠更多得貼近實際，希望體會到所學知識在實際工作中確實有一定的作用，以使自己的實踐能力真正得到鍛煉。因此，為培養學生的工程意識和學科知識的綜合運用能力，我們對PLC應用技術這門實踐性較強的專業課程的實驗教學進行了改革，以PLC在工廠、企業中的較典型的應用為依托，探索出了綜合性工程項目式的實驗教學模式。

（一）綜合性工程項目式實驗的特點

綜合實踐教學是高等學校培養高素質、復合型工程科技人才的重要環節。綜合性實驗是指實驗內容既可以是涉及本課程的綜合知識的實驗，也可以是與本課程相關課程多個知識點的實驗，由學生綜合自己所學知識和已掌握的基本實驗技能，對解決實際問題的能力進行綜合訓練的一種復合型實驗。[4]綜合性實驗具有以下特點：（1）實驗內容的復合性；（2）實驗方法和手段的多樣性；（3）實驗結果的未知性；（4）學生學習的主動性；（5）人才培養的綜合性。學科知識的綜合應用是綜合性實驗的重要特征。綜合實踐教學是一種激發學生求知興趣，提高學生綜合素質，培養學生創新精神和實踐能力的新型教學模式，目前正在很多學科的實驗教學中得到積極的嘗試和探索。[5，6]endprint

實驗教學改革是高等教育改革的重要組成部分，作為實驗教學的主要環節，實驗教學模式改革近年來受到普遍關注，[7]其中，將工程項目式教學模式引入實驗教學中已成為實驗教學研究的熱點。項目式教學模式是由美國著名教育家、伊利諾伊大學教授凱茲博士和加拿大教育家、阿爾伯特大學教授查理博士共同推創的一種以學生為本的教學方法，它是師生通過共同實施一個完整的或設計的項目工作而進行的教學活動。[8]工程項目式實驗是指，所有設計的實驗項目以工程項目為背景，緊密聯系工程實際，即以滿足實踐所需的項目為目的而開展的教學過程。[9]工程項目式實驗注重培養學生樹立工程觀，提高學生的工程實踐能力。

工程項目式實驗其特點是，以工程項目為背景，使實驗更有針對性、系統性和整體性；整個實驗過程中以學生為主體，以教師為主導，學生積極主動發現問題、探索問題并最終解決問題。

（二）綜合性工程項目式實驗項目設計原則

由于工程項目式實驗強調的是學生的主體作用，學生主要以自我教育的方式獲取知識，即在實驗過程中，以學生為主、教師為輔，學生有足夠的自主性和靈活性。因此，實驗項目的設計是非常重要的一個環節。每個項目的設計，都要求能夠突破與項目相關課程的重點和難點，讓學生對項目中的問題有深入的理解。同時要求教師對項目中所涉及的知識點、難易度有較準確地把握。

一般來說，綜合性工程項目式實驗項目的設計基本上遵循以下原則進行。

1.實驗內容盡可能來自于工廠、企業的實際應用中，且具有較典型的意義和價值，以培養學生樹立工程觀。

2.在明確教學目標的前提下，實驗規模適中，難度適宜。實驗項目不能太小，也不能過于龐大。太小則所涉及的知識點少或單一，知識點之間的關聯性差，達不到預期的鍛煉效果；太大則學生無法在有限的實驗學時內完成，導致實驗流于形式。

（三）PLC實驗項目設計實例和實施

在我校電氣工程及其自動化專業的教學計劃中，PLC應用技術課程的實驗學時為16學時。根據教學要求，把實驗教學分為兩部分，即基本內容練習實驗和能力提升綜合應用實驗。其中，基本內容練習實驗為4學時，主要用來熟悉和掌握PLC編程軟件的使用方法，PLC的在線操作、基本電路的程序設計與調試方法等。能力提升綜合應用實驗為12學時，這部分共設計了三個實驗，屬于工程應用實例，用于工程教育。第一個實驗的題目為“基于PLC的電機控制系統設計—電動機自耦變壓器降壓起動PLC控制系統設計”，實驗內容來自于電動機使用量較大的某些工廠和企業，項目所涉及知識點相對較少，主要包括三相異步電動機起動、繼電—接觸器控制和PLC等方面的內容，但具有一定的工程應用性。這個實驗屬于小型工程應用項目，實驗時間設置為3學時，目的是使學生建立工程項目的概念。實施時，分成三個步驟來完成。第一步，由教師給學生提出電動機的具體控制要求，即：（1）任意一臺電動機在起動過程中，其他電動機都不能起動；該電動機起動結束后才能起動下一臺電動機；任何電動機不論是停止，還是運行都不能影響正在起動的電動機。（2）起動任何一臺電動機時，首先使該臺電動機與自耦變壓器連接，降壓起動，不應有直接起動的可能性。（3）控制系統應具有較強的容錯能力，即使出現誤操作，也不應出現有危害人身安全和設備安全的情況。（4）對電動機應有必要的保護措施，如過載、過電流保護等。第二步，實驗設計。實驗小組根據項目的具體要求，自行設計控制系統電路主接線圖、PLC的I/O分配圖、實驗程序等。考慮到實驗學時的限制，這一步所有工作均安排學生在課外完成。第三步，聯機實驗。學生進入實驗室后，在斷電狀態下，將計算機與PLC連接好，開始實驗。實驗操作包括程序下載、在線調試、運行監控等，當系統功能達到控制要求后，結束實驗。

這個項目所涉及的知識點雖然相對較少，但內容來自于實際，且所有環節由學生自己獨立完成。所以，通過這一項目，讓學生感覺到了實驗不是枯燥的，而是生動有趣的，提高了他們主動學習的積極性，從而為其全面掌握相關課程知識和提高實際動手能力奠定了基礎。同時也為逐步改變他們過去被動地來上課，消極地進行實驗這一學習狀態起到積極作用。

為進一步提高學生分析和解決實際問題的能力，后面接下來的兩個實驗，在實驗內容和難點方面都作了一定程度上的增加。第二個實驗的題目是“用PLC和變頻器實現對工業洗衣機的綜合控制”。因為有前一個實驗的基礎，學生對這個項目的實驗設計基本上沒有多大問題，他們大部分的時間和精力是花在了解、學習新增知識點和控制程序優化等方面，如新增部分變頻器的結構、原理、使用以及梯形圖程序編程方式的選擇等。與第一個實驗相比，實驗內容和難度都有增加和提高，為保證學生能較好地完成整個實驗，后面兩個實驗的學時增加到4～5個學時。這種目標具體、升級適度的階梯式綜合性工程項目式實驗，使學生在每個實驗完成后都能信心倍增，覺得學有所用，有成就感。幾個實驗下來，不但進一步增強了學生對所學專業的興趣，而且還使學生自己在發現問題、分析問題和解決問題上的能力得到了進一步提高。

（四）實驗的考核方式

實驗考核方式也是實驗教學改革的一個重要方面。在傳統實驗教學中，實驗成績評定主要是依據學生的出勤率和每次實驗后提交的實驗報告，而實驗過程中學生分析問題、解決問題的能力往往被忽視，這樣造成了很多學生做實驗時只是敷衍對待，在撰寫實驗報告時只考慮實驗報告的篇幅和整潔程度。因此，實驗教學最終結果將是流于形式，未能發揮其應起到的作用，學生的實際動手能力沒有真正得到鍛煉。專業課實驗的目的主要是鍛煉學生的動手能力和應用能力，尤其是像PLC應用技術這類實踐性較強的專業課實驗。因此，根據前述實驗項目的分類，我們把PLC應用技術這門課的實驗分成基本實驗和能力提升綜合應用實驗兩大塊來進行考核。其中，第一大塊占20%，主要由出勤率、實驗態度、基本方法和技能、實驗報告等內容組成。第二大塊占80%，主要包括實驗方案設計、實驗技能、實驗報告等內容。經實際操作后，學生普遍反映，這種考核方法能極大地調動他們學習的積極性和主動性，提高他們對實驗課的重視程度，能全面客觀地評價每一位學生的實際水平，同時還有利于提高他們分析問題和解決問題的能力。

三、結語

根據新時期高等學校學科專業建設的要求，專業課程教學改革勢在必行。本文針對PLC應用技術課程的教學進行了改革，主要從課程內容的設置、實驗教學改革等方面進行了探索。經過近幾年的實踐，我們體會到，在教學內容的設置方面，必須充分考慮到課程前后知識體系的聯系與銜接，以便于學生更好地理解和掌握各個知識點；在實踐教學方面，要結合課程的特點，對像“PLC應用技術”這一類實踐性較強的專業課，在實驗教學過程中，需要根據實驗條件，開設一定數量的綜合性工程項目式實驗，對提高學生綜合運用所學知識和解決工程實際問題的能力是十分有益的。

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