高職PLC與變頻器應用技術課程虛實結合的教學探索

陸克

【摘 要】本文分析目前PLC與變頻器教學技術設施和手段的不足，提出利用工業組態技術制作的虛擬設備動畫模型，能生動形象地與實物PLC、變頻器通信即時互動，彌補目前PLC與變頻器教學技術設施的不足和缺陷。

【關鍵詞】PLC 變頻器 虛實結合 項目化教學

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）05C-0154-02

目前，以可編程控制器（PLC）與變頻器為主體的電氣控制系統日益廣泛應用于工業企業及日常生活公共設施等眾多行業領域，起到關鍵的控制作用，企業對此方面人才的需求量和要求程度也日益提高。對于培養電氣自動化技術人員的理工科院校來說，PLC與變頻器應用技術課程教學和實訓效果水平的提升顯得尤為重要。

一、PLC與變頻器應用技術教學的特點和現狀

PLC與變頻器一般都有具體的控制對象，比如自動化生產線、機床、電梯等，而現在學校里的PLC與變頻器的實驗實訓設備大多是實際設備的模型，雖然能較好展現工業控制現場，教學效果好，但存在設備昂貴、體積大，實訓室難以配備多臺，沒足夠的工位給學生培訓；或是配置了一些低成本的PLC實驗箱，雖然可以大量配備，但這種實驗箱沒有真實的被控對象，常用LED亮滅來模擬輸出控制對象動作，演示不形象、不直觀。現在高職學生普遍基礎較差，理解能力欠佳，不易理解被控對象的控制過程，很難將程序和工業的現場聯系起來，學生只能憑空想象控制對象動作，在很大程度上影響了學生的學習興趣和積極性。

隨著計算機應用技術的不斷發展，計算機仿真技術日漸成熟和普及，人們可以利用不同的仿真技術制作出多種形式的虛擬設備動畫模型，由于形象逼真、色彩豐富、動感十足，學生普遍很感興趣，應用在教學上，用來演示真實設備工作的過程，學生易于理解和接受，并且成本低、不占地方空間，所以可以用它來彌補現有實驗設備的不足和缺陷。教育部早在2006年《關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見》中提出高等職業院校要按照教育規律和市場規則，要充分利用現代信息技術，開發虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗；以及在《2011—2020年教育信息化十年發展規劃》中提出職業教育實踐教學水平應顯著提升，要加強實踐教學，創新仿真實訓資源應用模式，提高使用效益。虛擬技術可以在實際設備、現場難以具備的時候起到很好的替代作用，但是，對于PLC與變頻器應用技術課程，如果只是一味地利用虛擬仿真設備模型來開展專業教學和實訓，學生只是增長了某方面的計算機操作能力，而實際設備操作、設置、裝配能力并沒有得到相應鍛煉，這樣不能達到社會的用工標準和要求。所以，虛擬技術還應結合實際實驗設備一起來展開教學，才能取得良好的人才培養效果。

二、虛實結合教學模式的構建

如何利用虛擬仿真技術來仿真實際設備，既讓學生能夠有直觀的感受，又結合實驗室設備實物器件來鍛煉學生的實際操作裝配能力，這需要構建一個虛實結合的教學平臺，并制定合理的教學實施方案。我們課程團隊經過調查分析，選擇了適合的軟件來設計虛實相結合的仿真設備平臺，并制定相配套的的項目化教學方案，投入到教學實施實踐，取得了不錯的效果。

（一） 虛實結合教學平臺的搭建。目前國內也有不少高校將虛擬控制對象運用于電氣、電子應用技術的教學與實訓，主要有以下三種情況，我們進行了分析比較：

1.直接購買教學設備廠商開發出的仿真軟件來搭建平臺，這種方案優點是虛擬設備和實際實驗設備互動性好，作為學校和教師方面也比較省事，買來即用。但是缺點也很明顯，首先是價格昂貴，更重要的是教師在實際應用中很難根據教學的實際情況或特殊要求，對軟件進行實時更改或再開發，制約了應用效果。

2.還有一些學校組織教師利用Flash、CorelDraw等軟件開發仿真系統，這類仿真效果雖然色彩、動畫等方面都很好，但它們也只限于動畫演示，往往只能解決學生理解設備動作過程的問題，并不能與電氣、電子工業設備進行通訊，無法實現實際設備和仿真動畫的互動。所以用其作為開發軟件來設計虛實結合的仿真設備平臺并不理想。

3.另外一些本科、高職院校利用了工業組態軟件來設計仿真電氣、電子的控制對象。工業組態軟件是一款工業級的現場監控和過程控制軟件，具有強大、豐富的動畫制作功能，并且能與現場的各種工控設備包括PLC、變頻器通信連接互動，隨時反映實際設備的動作情況。制作難度對于從事自動化教學的教師不算困難。

經過以上對比分析，選擇工業組態軟件來制作PLC、變頻器的仿真控制對象是比較理想的。接下來我們采用比較流行的組態軟件“組態王”軟件在課余時間制作電腦仿真動畫模型，制作的虛擬設備模型項目有：工作臺自動往返運行；運料小車變頻自動往返運行；十字路口交通燈控制；動感噴泉噴泉PLC＼變頻控制；感應自動門PLC＼變頻控制。

在實體設備方面，我們采用的PLC與變頻器實訓臺，體積不大，一間實訓室可配備十幾臺，每個實訓臺上的設備實物單元包括西門子S7-200PLC控制器、西門子MM440變頻器、輸入開關＼按鈕單元、輸出繼電器單元、輸出接觸器單元、三相交流異步電動機單元，每個實訓臺都配有一臺電腦來儲存和演示虛擬動畫設備模型。這樣構成了虛實結合的PLC與變頻器綜合實訓平臺。

（二）實施方案設計。在本課題研究之前，我們教學團隊已對該課程實施了項目化改革，取得了良好效果，在此基礎上，根據課程項目化依靠實際工程項目展開教學的特點，我們進行了如下虛實結合的設計：

1.在教學項目引入時，利用設計好的虛擬仿真設備模型進行動畫演示設備的動作過程，給學生一個形象的展示，讓學生從生動的動畫畫面中了解控制的要求。

2.進行項目相關知識點和技能點培訓，對相關知識點和技能點進行講解，利用PLC與變頻器實訓臺上的設備實物器件對學生進行實際動手訓練。

3.項目調試階段，學生掌握相關知識、技能之后進行項目任務的完成，要求在實訓臺上對設備實物器件進行電氣接線，進行設備調試，在調試過程中，學生可以利用PLC的輸入輸出實物器件的動作來檢驗PLC程序、變頻器參數是否正確，也可以聯接虛擬仿真模型來檢驗。

4.在項目驗收階段，教師利用虛擬的計算機動畫仿真模型結合實訓臺實物器件來驗收，要求做到相應的實物器件動作正確，仿真動畫也動作正確，則說明學生接線正確，程序調試到達控制要求。

（三）實施效果對比觀察。經過充分的準備，進到實施階段，我們采用了對比實驗的方法來觀察實踐效果：一部分班級采用虛實結合的方法進行教學（以下稱為實驗班），另一個班級則沒有采用，還是原有方式（以下稱為非實驗班）。

首先，一開始在項目的引入上，在實驗班我們通過多媒體投影將計算機動畫仿真在課堂上演示，例如小車變頻變速動畫，小車速度的變化效果生動形象，學生的注意力和興趣一下子被吸引上來。而非實驗班主要靠教師借助PPT和圖片來講解，學生反應則沒有這么強烈，部分學生沒能關注到老師講解的內容上。

接下來的教學，實驗班所表現的學習熱情和積極性明顯強于非實驗班，他們能更積極地學習項目所需的知識，更主動地投入各項訓練，所以教學進展得更為順利。

在進行到項目調試階段，實驗班對于控制要求的疑問明顯要少于非實驗班。由于調試過程中會有各種各樣意料不到的情況和結果發生，非實驗班對控制要求上的疑問無法自行解決，經常會向老師反復提出，而實驗班在遇到問題時往往能通過反復觀察動畫仿真演示來進一步理解控制要求，并且理解得比較準確、到位。相比之下，采用虛實結合的方式教師不需要花太多時間去解釋和分析控制要求，可以有更多時間用在協助指導后進的學習小組。

在項目驗收階段，實驗班教師用仿真軟件的PLC聯機控制畫面來驗收學生項目調試成果，是否能達到控制要求，通過畫面的動作很容易判斷學生們調試的程序是否達到要求，對于沒有達到控制要求的，通過切換到演示畫面進行對比，很容易就讓學生信服與控制要求的差距。非實驗班教師在驗收時則比較麻煩，首先需要靠試驗臺上的指示燈亮滅來推想設備的動作，這樣相比之下就得多花費一些時間。其次在一些比較復雜的控制問題上，沒有虛擬動畫的演示則需要靠大量文字來描述控制要求，而高職學生普遍對文字理解能力不強，容易產生偏差，調試的成果與控制要求不符，往往容易和老師產生爭議。就算教師花了很大精力來解釋和說服，也不一定能做到讓學生真正理解和信服，這樣就影響了學生對老師的信任感。

經過一個階段的對比試驗，收到了明顯的效果，可以看到采用虛實結合模式的班級，學生學習興趣、積極性得到更大提高，對復雜的控制要求更容易理解和把握，學習成績明顯高于沒有采用的班級，同時他們的動手裝配能力得到很好的鍛煉。學生在同期的各級技能競賽、創新項目設計中獲得了多項優異成績。

采用基于工業組態技術的虛實結合的項目化教學模式將虛擬仿真動畫設備模型與實驗設備實物有機結合在一起，可以實現虛實結合、優勢互補；利用工業組態技術能模擬出多種PLC控制對象，把不容易在教學環境中展示的自動化生產線、自動化設備生動地呈現，而且內容擴展更新也極為方便。這樣不僅可以大幅降低教學設備投入成本，又可以豐富學生的課堂內容，激發學生學習的興趣及主動學習的熱情；結合實驗設備實物器件，能很好地鍛煉學生的實際動手操作能力。該模式對于PLC與變頻器應用技術教學效果起到很好的幫助和提升，在增強和促進教學質量提高方面具有積極的意義。

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[4]熊先鋒，楊國志，呂幫俊.虛實結合的PLC實驗教學儀器設計[J].中國現代教育裝備，2014（5）

【作者簡介】陸 克（1973— ），男，廣西南寧人，廣西電力職業技術學院高級工程師，研究方向：電氣自動化工程維修、設計和教學。

（責編 丁 夢）