面向卓越工程師培養的PLC控制技術理論與實踐課程教學改革探索與實踐

許仙珍　單長考　鄒萍

摘要 PLC控制技術理論與實踐是針對自動化專業卓越工程師培養而開設的一門課。根據卓越計劃的培養要求和PLC課程的特點，依托現有的實踐和實驗平臺，圍繞優化教學內容、教學方法、評價體系等方面進行改革，實施理實一體化教學模式。實踐結果表明，改革后的課程教學更適應卓越工程師培養的要求，提高了學生工程設計能力和工程實踐能力。

關鍵詞 PLC控制；教學改革；卓越工程師培養計劃

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）08-0148-03

1 引言

隨著知識經濟的到來，國家競爭的不斷加劇，大學創新型人才培養的質量已成為影響我國綜合國力和國際競爭力的重要因素。為此，國家教育部2010年啟動了“卓越工程師培養計劃”（以下簡稱“卓越計劃”），其目標是培養和造就一大批能夠適應和支撐產業發展、具有創新能力和國家競爭力的卓越工程師，重點是培養學生的工程實踐能力、工程設計能力和工程創新能力。要實現這一目標，突出能力培養的課程體系建設和實施是其中的關鍵。只有將卓越工程師的培養標準融入專業課程教學中，對教學模式、內容和方法進行改進，強化工程意識、素質與實踐，才能保證卓越計劃目標的實現。

PLC作為現代工業控制的三大支柱之一，與工業過程聯系緊密，一直以來PLC控制技術這門課就是自動化、電氣及其自動化等專業的主干課程。常熟理工學院自動化專業是“卓越計劃”試點專業之一。原有的“理論+實踐”分離式教學模式離卓越工程師培養目標還有一定差距。因此，按照卓越工程師培養的要求，對PLC控制技術課程教學開展一些探索性的改革與實踐，把理論教學與實踐教學合二為一，采取集中式一體化教學，課程也隨之更名為PLC控制技術理論與實踐（以下簡稱課程），突出工程能力的培養。本文主要圍繞教學內容優化、實踐平臺建設、教學方法改革、評價體系建立等方面介紹課程教學改革探索與實踐過程中的工作與經驗。

2 教學內容的優化

PLC課程主要講述PLC硬件構成、指令系統和實際應用，具有很強的實踐性和實用性。目前市場上PLC生產廠家和型號非常多，功能也各有特點。根據蘇州地區PLC市場占有率和卓越工程師工程能力培養的需求，選擇西門子S7系列PLC，以其中的模塊式S7-300PLC為主講機型。授課的知識點包括PLC概述、硬件與組態、編程基礎與指令系統、梯形圖設計方法、PLC控制系統應用。通常的授課順序基本上按硬件→指令→設計方法→控制系統設計的順序進行。這樣的授課順序往往造成理論知識實際應用的時候會有脫節。如模擬量模塊在硬件部分就已經介紹完，到最后才會用到相應模塊進行模擬量采集，而此時學生已忘記模擬量模塊接線和相關組態知識了。

因此在內容的安排上，對知識點進行了梳理，根據卓越工程師培養要求，以工程實踐能力培養為目標，以任務為導向，以項目為載體，將知識點融入一個個具體的項目中去，形成教學模塊。圖1給出課程模塊框圖，根據項目的難易程度，分成基礎篇、設計篇和綜合篇三大塊內容：基礎篇主要介紹PLC硬件構成、組態和軟件使用等基礎知識點；設計篇主要介紹編程方法、程序設計與調試；綜合篇主要講述系統設計概念，從PLC三大典型應用（數字量邏輯控制、模擬量閉環控制和運動控制）中各提煉出一個典型工業應用案例，給出從硬件選型及接線、PLC編程調試到上位機人機界面設計與組態及通信設置整個系統的設計方案與實施過程及控制效果。調整后的每一個教學模塊包括理論教學和實踐訓練兩部分內容，知識目標和能力目標明確，具有較好的系統性和相對獨立性，便于理實一體化教學的開展。

3 實踐平臺建設

實踐課程是卓越工程師培養的重要途徑，是鞏固、加深理論知識，培養學生三大能力和提高綜合素質的有力手段。PLC作為工業界主要控制器，該課程具有很強的應用性和實踐性。為能有效地培養學生的工程實踐能力和創新能力，學院從2011年開始加大投入，加強PLC實踐平臺建設。

目前，常熟理工學院擁有先進自動化技術聯合示范實訓中心、電氣實踐中心等PLC實踐平臺。先進自動化技術聯合示范實訓中心是學校與西門子（中國）有限公司于2011年聯合共建并投入使用。該中心包括小型自動化控制系統、故障安全型自動化控制系統和集散控制與創新三個實驗室。

小型自動化控制系統實驗室配置6臺套ST-200PLC、TD400C文本顯示器和以太網模塊，主要面向低年級和非電類理工專業學生的實踐教學，是自動化卓越班學生大一暑期期間進行PLC認識性實習和操作技能訓練的場所。

故障安全型自動化控制系統實驗室配有15套實驗裝置，每套裝置配置了CPU315F型號PLC、TP177觸摸屏、MM440變頻器和以太網模塊，采用模塊式結構，可通過組態搭建故障安全的自動化系統。實驗裝置配有西門子標準實驗教學對象和五層模擬電梯實訓裝置，支持MPI、Profibus-DP、工業以太網等多種通訊方式，可設計單級控制系統，也可組網構建控制網絡，主要面向高年級學生和社會技術人員進行培訓，是培養卓越班學生工程實踐能力和設計能力的主要基地。

集散控制與創新實驗室定位于培養高素質、應用創新型人才。實驗室配置了PCS7集散控制系統一套，高級多功能過程控制實訓系統SMPT-1000兩套和PROFIBUS現場總線儀表。所有實驗裝置構成一個高級冗余集散控制創新研究實驗平臺，主要承擔每年一度的西門子杯全國大學生工業自動化挑戰賽學生隊伍的訓練、學生課外科技創新活動、教師科研等任務，是培養卓越工程師創新能力和工程應用開發能力的實驗平臺。

此外，2014年學校與昆山巨林公司合作建立數字化柔性制造生產線（電氣實踐中心），為培養學生的工程實踐能力又增加了一個典型工程實踐平臺。這些實踐平臺的建設滿足了不同層次的工程訓練需求，為后續的理實一體化教學提供了良好的物質條件。

4 教學方法改革

PLC控制技術這門課一直以來是高職、高校工科類專業的必修課程。為增強該課程的教學效果，近10年來將案例教學法、項目教學法、仿真技術、任務驅動法等多種方式引入課程教學中，對課程教學進行改革。該門課程也是學校自動化、電氣類專業的主干課程，經過多年的教學探索，本課程的教學方法和模式有了較大的改善，如教學方法上引入項目教學法、開發仿真對象、注重實踐教學與考核、改善實踐平臺等。但是由于授課學生人數較多、實驗設備有限等限制，授課方式仍是按傳統的理論和實踐分離式教學，教、學、做之間還有些脫節。

在教學內容優化規整、實踐平臺建成后，為了有效地培養學生的工程實踐能力，達到卓越計劃的培養目標，針對2011級自動化（卓越計劃）的學生，主要從以下幾個方面對PLC控制技術這門課程的教學模式和方法進行改革。

理論實踐一體化教學 對現有的理論教學和實踐教學進行改革，把理論教學、實驗和實訓環節整合在一起實施理論實踐一體化教學，利用3周時間完成該門課程教學任務。理論實踐一體化教學在自動化聯合示范中心進行，前兩周主要是知識點和操作技能的訓練，完成基礎類和設計類項目任務最后一周是綜合項目設計，主要由學生完成項目的設計、實施，并撰寫設計報告。教學過程中轉變教師與學生的角色關系，強調充分發揮教師的主導作用和學生的主體地位，通過設定教學目標和教學任務，讓師生雙方邊教、邊學、邊做、邊討論，豐富課堂教學和實踐教學環節，提高教學質量。

項目驅動法教學 教學內容以工程項目為教學主線，設計不同的教學項目（如表1所示），每個項目包含若干個任務，巧妙地將知識點和技能訓練融于各個項目之中。各個項目按照知識點與技能要求循序漸進編排，形成理實一體化教學模塊。教學模塊的目標明確可達，項目貼近實際工程，控制效果直觀。項目驅動教學法明顯提高了學生學習的積極性和參與度。

開放實驗室和構建網絡學習平臺。促進學生自主學習 學院積極貫徹落實國家的卓越計劃，提供廣泛的開放實驗平臺，給學生提供課后練習機會。配以優秀的師資力量和常駐平臺的學生，鼓勵學生充分利用實驗室資源，自主設計創新課題，積極參與校內、校外學科競賽，堅持“以賽促學”，強化培養學生的工程能力和創新能力。此外，建立網絡學習環境，提供全課程網絡多媒體課件，建立完善的課程相關資料庫，包括各種PLC手冊、工程項目實例和控制算法等書籍，將一些知名的自動化網站推薦給學生，鼓勵學生進行自主學習，增強終身學習能力。

5 評價體系建立

考核是檢驗教學效果的手段，評價是對學生學習的促進。為了實現對學生的團隊合作精神、創新意識和綜合實踐能力的培養，該課程的考核評價體系主要建立在對學生參與課題、完成訓練項目情況、創新能力等方面的考核，改變原有筆試為主的考核方式，將考核重心從試卷的理論知識轉移到實際操作。本課程的考核分為實踐操作、綜合設計和筆試三部分。前兩者主要考核學生項目設計、實施和創新能力，筆試部分也是以程序設計和問題分析為主。

此外，為了進一步激發學生興趣和創新潛能、培育更多優秀的學生創新訓練項目和科技作品，本課程還推出課程抵修和自主學習方式的考核標準，鼓勵學生參加相關競賽和創新項目，自主設計應用課題，通過現場答辯和成果展示的方式證明達到規定的考核標準，即可獲得本課程的學分。第一輪考核下來，2011級自動化專業的學生已有11人次通過抵修和自主學習獲得學分。

6 結語

卓越工程師培養計劃以培養創新力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才為目標。根據自動化（卓越計劃）專業的培養要求，本文以工程實踐能力、創新能力和自主學習能力培養為核心，分別從教學內容、實踐平臺、教學方法和評價體系四個方面對PLC控制技術理論與實踐課程的教學進行探索和實踐。兩學期的教學實踐結果表明：理實一體化教學模式和項目教學法的采用，學生學習的積極性和主動性大大增強；實踐平臺的開放和貼近工程實際的控制對象的引入，給學生提供了很好的工程實踐平臺，學生的工程設計與應用能力得到很大提商形式多樣、客觀、靈活的考核和評價機制促進學生個性和創新能力的發展。

教學成效在近兩年的學科競賽和PLC認證中得到充分體現：2011級和2012級卓越班共61名學生中，獲得全國大學生“西門子”杯工業自動化挑戰賽華東賽區特等獎5人次、一等獎8人次、二等獎5人次，總決賽一等獎7人次、二等獎2人次；“OMRON”Sysmac自動化控制應用設計全國大賽二等獎2人次；2011級卓越班全體學生通過西門子公司PLC應用技能認證。

實踐證明，理實一體化是一種行之有效的方法，能提高學生解決問題和工程實踐的能力。但實行過程中還存在一些問題，如：如何進一步完善教學模塊，使之能更符合企業的需求？團隊協作能力如何能更有效地進行評價？如何有效防止學生互相拷貝？這些問題還需要教學團隊在后續教學中摸索改進，從而進一步提高教學質量。