“漸進式-模塊化”PLC開放實驗平臺構建與探索

葉大鵬， 童向亞， 胡洪鈞， 梁 曉， 曾 伶

(福建農林大學 機電工程學院，福建 福州 350002)

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“漸進式-模塊化”PLC開放實驗平臺構建與探索

葉大鵬， 童向亞， 胡洪鈞， 梁 曉， 曾 伶

(福建農林大學 機電工程學院，福建 福州 350002)

為實現三維度PLC實驗教學目標，采取以漸進式貫穿模塊化開放教學理論為指導核心，創建模塊化實驗要素和四階梯式實驗維度相交叉的教學操作程序。以自主研制的創新型開放實驗系統為實現條件，依托多元化教學評價體系，構建“漸進式-模塊化”新型實驗教學模式的實踐教學過程。實踐證明，該實驗教學平臺的構建有利于啟發誘導學生創新和培養學生主體參與能力,從而實現培養適合社會需要的高質量應用型人才的目的。

實驗平臺； 漸進式； 模塊化

0 引 言

近年來，社會對應用型人才的需求不斷增長，高校如何實現應用型人才培養，并且打破“象牙塔”型的理論教學模式是高等教育培養體制實現創新性發展所必不可少的步驟[1-3]。PLC控制技術實驗作為工科類專業教學的基礎實踐環節, 尤其是在實驗教學模式的探索和研究，目前已受到國內各高校的重點關注[4]。

為了改變現有PLC課程教學現狀，實現提高學生的綜合實踐能力和工程創新意識的教學目標，針對傳統教學實驗設備兼容性不強，實驗內容和方法單一，自主開放程度不高等特點[5]。建立以漸進式貫穿模塊化開放實驗教學理念為指導核心，創新型PLC綜合實驗系統為實現條件，多元化評價體系為教學考核方法的新型PLC實驗平臺。

1 實驗教學模式建立

1.1 三維度教學目標

立足于實驗方法、實驗能力、科學態度三個維度，設定出相互關聯、互相促進的實驗教學目標，對于提升實驗教學的有效性具有基礎性的作用[6]。

首先，要求形成多層次、多元化的發散實驗方法，充分開發學生的自主創新意識。其次，不僅要提高學生基礎實驗能力，還要開拓學生創造性和設計性實驗的實踐水平，實現綜合實驗能力水平的拔高。最后，必須堅持以嚴謹的科學態度，確保實驗觀察的客觀性，克服主觀性和人為偏見。

1.2 漸進式貫穿模塊化開放教學理論

漸進式實驗教學是根據學生的專業理論知識程度，通過設計由易到難的系列特色綜合實驗，逐步提高學生科研素質的一種實驗教學方式[7-8]。模塊化教學按照專業培養目標、專業要求，將所需的知識結構和能力要求分解為各項操作技能，依此建立若干個教學分模塊或子模塊，使每個模塊對應有目標能力、實習設置和技能訓練，將理論教學和技能訓練有機結合在一起來完成教學任務的一種創新教學理念[9-10]。

漸進式貫穿模塊化開放教學理論是在漸進式教學理念的基礎上添加模塊化思維模式，其研究方法強調實驗教學逐步遞推式發展和實驗效果螺旋式提升，以整合資源、注重實效、鼓勵創新為原則，通過最大限度將實驗要素合理化分割，采取以實驗對象為主導地位的逐步累加、漸漸深入型實踐[11]，意在培養實驗對象通過觀察，思考發現問題，進而產生想要解決問題、分析問題的欲望，個人學習興趣得以充分激發，加深其對工程開發和科學研究過程的思維方式、剖析手段和實驗技能的理解，發揮出各實驗對象專業特點，滿足其未來職業活動的實際需要。

1.3 操作程序

根據漸進式教學理念，該教學模式創建基礎、應用、綜合設計和自主創新四種不同階段難度的實驗項目，從初始入門階段的實驗由興趣而參與實踐，過渡到中期階段實驗為完成目標任務而進入探索，最終通過后期階段獨創性和開放性實驗完成自主創新，這種由基礎到應用、綜合設計和開拓創新的四階段教學模式，實現實驗教學逐步遞推式發展，與教學規律“由簡單到復雜，由單一到多樣”的原則保持高度一致[12]。

在整個漸進式貫穿模塊化教學過程中，模塊化主要包括四塊內容：實驗內容、實驗方法、實驗平臺以及實驗對象。通過將實驗內容的合理化分割，使得實驗內容去繁成簡，實驗對象不需要同時兼顧多個器件，也不需要把多個復雜理論知識融于實驗實踐之中，增強了知識點的應用針對性，實現理論學習與技能操作訓練的有機結合。實驗方法的合理分類模塊化，進一步開放實驗對象轉換思維，建立一題多解的科學研究過程。實驗平臺的模塊化創建，為實驗對象自主搭建電路以及實驗系統組成模塊，建立了強勁保障，促使其自發的進行創造性的實踐活動。實驗對象的模塊化，主要體現在基于實驗對象興趣、專業以及個人發展需求的進行自主實驗模塊的選擇，從而充分激發實驗對象學習興趣，挖掘其專業知識的學習能力。

以漸進式貫穿模塊化開放教學理論為指導核心，自主研制創新型綜合實驗平臺為實現條件，結合不同階梯層次的自主式實驗項目，依托多元化評價體系，構建漸進式貫穿模塊化開放實驗教學模式，該新型教學模式操作程序流程如下圖1所示。

圖1 新型教學模式流程圖

1.4 教學評價

對于實驗對象各模塊實驗環節的評價，改變傳統以老師來決定學生成績的評價方式，構建出由教師指導小組評分、學生自我評價和小組之間互評組成的多元化評價體系。指導小組一般要求學生以小組形式完成實驗項目，并由小組成員組織答辯，小組進行自評和互評，最終取平均的方式，獲得該小組的最后得分，如圖2所示。

圖2 多元化評價體系流程圖

采取這種評價方式改變了傳統被評估者的參與活動帶有功利性的目的，使評估主體多元化，不僅包括教師、還有研究生助教、其他小組成員和被評估者本身。這使得學生清楚地了解到自己的實驗實踐成敗以及進行下一階段的改進，激發其確定職業發展內容和途徑，實現國家所需應用型人才的培養。

2 創新型PLC綜合實驗系統開發

創新型PLC綜合實驗系統主體由系統硬件和編譯運行軟件兩部分組成。通過系統硬件部分，實現提高實驗對象綜合實踐能力的目的，結合系統編譯軟件的運行調試，培養學生編程創新思維，兩者密切結合，使得實驗教學理論最大程度實踐化。

2.1 系統硬件實現

該系統采用觸摸屏或PC機作為上位機，PLC 為主要控制核心，見圖3，主體結構可分為以下幾部分：實驗系統正面集成實驗模塊(包括以下所述模塊)、背面電路以及各接線端子、中間實驗系統框架結構、實驗平臺底部安裝區、端下運動狀態可調底座。系統背面電路、各接線端子以及中間實驗系統框架結構，使得系統走線整潔和美觀的同時，保證了實驗對象實驗的獨立性和開放性，使得實驗實踐思維更加的發散和創新。實驗系統底部安裝區和端下運動狀態可調底座在實現實驗執行模塊定位和放置的同時，使得實驗調試更為靈活、便捷。

圖3 系統總體結構圖

實驗系統正面集成實驗模塊作為該創新型PLC綜合實驗系統的主要組成部分，主要包括作為實驗箱控制器的PLC及與其外圍硬件組成，通過總線電路集成有LED彩燈實驗模塊、交通燈模塊、數碼管模塊、觸摸屏控制模塊、步進電機模塊、伺服電機模塊、以太網通訊模塊、變頻器電機實驗模塊，且所有模塊均有與實驗系統PLC相連接的電路接口，系統結構設計如圖4所示。創新型PLC綜合實驗系統通過主體結構的實驗平臺正面集成實驗模塊，為創建多元化設計性實驗項目創造硬件條件。由于各實驗模塊線路之間相對獨立，且由各模塊之間自由搭建出各類實驗系統，使得各系統之間相對穩定，不易損壞。

實驗系統整體結構根據PLC控制技術實驗教學要求，以盡大程度挖掘實驗深度和創造實驗項目為目的，采用自主模塊化設計方法[13]，各實驗硬件獨立成塊，改變現有接插式“傻瓜型”的實驗系統，回歸為自主搭接式“器件級”的創新型實驗系統，創新型綜合實驗系統實物見圖5。

圖4 系統模塊化拓撲框圖

圖5 創新型綜合實驗系統實物圖

2.2 軟件環境

實驗系統的軟件環境包括了2個部分：觸摸屏組態軟件和 PLC 控制器程序。觸摸屏采用的是西門子smart line 700ie，通過運用組態軟件Wincc flexible對觸摸屏進行畫面編程設計，可實現人機交互[14]。

PLC為西門子入門級控制器S7-200，程序編譯環境為STEP 7-Micro/WIN[15-16]，結合實驗對象自主設計的電路，PLC 控制程序可實現系統各實驗模塊的相應實驗現象。

3 實驗平臺用于實踐

3.1 實驗項目創建

在滿足教學基本要求的前提下，實驗項目創建以學生自主、知識漸進和模塊化教學為導向，按基礎型、應用型、綜合設計型和自主創新型4個層次進行設置，目前PLC控制技術具體實驗項目如表1所示：

(1) 基礎型。該類實驗使得學生更為直接的熟悉PLC和觸摸屏的指令代碼、硬件知識、程序調試，能夠引領學生進入到PLC控制技術的門檻，為實驗對象后期的理論教學和實驗打下夯實基礎。

(2) 應用型。在工業生產實踐中最為頻繁應用的是各類電機的控制，通過應用型實驗使得實驗對象進一步深入學習PLC控制器和電機驅動的原理， 理論和實踐得到有機的結合和鞏固。

(3) 綜合設計型。實驗對象通過實現相應實驗目的，綜合運用各實驗模塊，搭接各模塊之間實驗電路，初步建立起工程創新意識和項目實踐能力。

表1 實驗項目列表

(4) 開拓創新型。通過實驗對象的開拓創新實驗，盤活理論教學知識內容，建立工程實踐知識框架，挖掘實驗對象學習潛能。

3.2 實驗教學效果

目前，基于漸進式貫穿模塊化教學模式的PLC實驗項目已在“漸進式-模塊化”教學實驗平臺上實施, 全面向機電學院學生開放下圖6、7為實驗對象實施過程，從具體實施過程和學生反饋的情況來看，該教學模式已取得了良好的效果，具體體現在以下兩個方面：

圖6 實驗搭接線路 圖7 實驗操作畫面編輯

(1) 通過實驗教學過程中，實驗對象、實驗內容、實驗平臺和實驗方法的合理分割和邏輯搭配，構建以學生為主體的學習氛圍。四階段漸進式的實驗教學根據學生的專業基礎知識程度和學生個人興趣，以滿足三維度教學目標的要求，開發多維度特色實驗，以逐步遞推的方式培養和提高了學生的工程實踐能力和創新意識，為學生參加、提供知識和實踐平臺。實踐證明，學生通過在該平臺的知識和實踐學習，參加各類創新型競賽、創新創業性項目和工程訓練綜合能力競賽的人數，以及獲得國家級、省級大學生挑戰杯、大學生創新創業性項目的人數顯著增加。

(2) 依托創新型PLC開放實驗平臺，融會漸進式貫穿模塊化教學理念，促使教師不斷加強知識和理論學習，創造新穎的實驗項目，凝練高效的教學方法，提高綜合實踐能力，最終實現教學質量的飛速提高。實踐證明，通過在該平臺的教學和實踐學習，教師在個人知識結構體系構建、教學授課實踐水平以及科研課題研究能力都顯著提高。

4 結 語

實驗教學模式的探索是一項艱巨而漫長的工程，它涉及到教學管理體制、實驗教學內容、教學方法、手段、實驗教師隊伍建設等多方面。在PLC控制技術實驗教學中采用“漸進式—模塊化”開放教學模式的設計與實驗平臺構建，僅是近年來思考與研究的一個方面，但還存在許多不足，還需要進一步完善。

經過1年來的教學實踐，自主研制創新型PLC綜合實驗平臺，彌補現有教學實驗設備兼容性不強,實驗功能和對象單一，擴展性能不夠豐富等缺點。同時將“漸進式—模塊化”開放教學模式應用于高等院校PLC控制技術實驗教學中，結合多元化教學評價體系，使理論學習與技能訓練緊密聯系，有效激發了實驗對象的實踐積極性和主動性，逐步提高其綜合實踐能力和工程創新意識。

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Construction and Exploration of “Gradualist-Modularity” Opening Experimental Platform on PLC

YEDa-peng,TONGXiang-ya,HUHong-jun,LIANGXiao,ZENGLing

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002, China)

In order to realize three-dimension teaching objects, the gradualist run throughout modularity opening teaching theory was taken as guidance core, modular experimental elements and four-step crossed experiment dimension operation procedure were created for teaching reform. The independent development of innovative opening experiment system was the realization foundation, and the new experimental teaching mode of “gradualist-modularity” practical teaching process was constructed relying on the diversified teaching evaluation system. Practice has proved that the construction of the experimental teaching platform is helpful to inspire student’s innovation and cultivate students to participation ability, so as to come true the purpose for developing high quality applied talents who met social needs.

experiment platform; gradualist run; modularization

2015-05-20

2014年福建省高等學校教學改革研究專項(JAS14684)；2014年福建農林大學教改重點項目資助(111414008)

葉大鵬(1971-)，男，福建霞浦人，博士，教授，研究方向：機電系統監測與控制。E-mail: fau_ydp@hotmail.com

TP 391

A

1006-7167(2016)03-0232-04