階梯型實驗教學模式在電氣控制與PLC課程教學中的探索與實踐

李小斌 吳宏岐 陳 江

寶雞文理學院 陜西寶雞 721016

PLC(可編程序控制器)是在繼電器控制和計算機控制的基礎上開發的產品，逐漸發展成以微處理器為核心，把自動化技術、計算機技術、通信技術融為一體的新型工業自動控制裝置[1]。國外專家預言，PLC技術將在工業自動化的三大支柱(PLC、機器人和CAD/CAM)中躍居首位[1]。電氣控制與PLC課程作為電氣工程及其自動化專業的主干專業課，具有實踐性強、應用廣泛、與工業控制聯系緊密的特點，因而要求學生必須有較高的實際操作能力，必須能夠理論聯系實際，會分析、處理和設計實際的控制系統，以滿足現代企業發展的需求。課程培養的目標應以工程應用為導向。然而PLC課程又與電機控制、計算機控制、通信技術等多門課程聯系緊密，如沒有合適的實驗項目配合，學生對其內容很難理解并掌握，更談不上復雜控制系統的設計。為此，從工程應用角度出發，按照普通高校應用型人才培養目標，設計了階梯型實驗教學模式。實驗內容由簡單到復雜，分為5個等級，逐級提高難度。這樣，學生能夠循序漸進地掌握PLC 控制系統的設計過程，并對工程應用產生濃厚的研究興趣。

1 階梯型實驗教學模式思路

階梯型實驗教學模式的思路構建是非常重要的一環，它的思維高度決定了具體內容是否科學、合理、可行[2]。通過調研發現，目前電氣控制與PLC實驗課程教學多以驗證性實驗為主，實驗教學多以驗證教材基本知識為主，缺乏工程意識培養，缺乏專業綜合應用意識培養。這里以培養目標為基點，將目標進行階段性分層劃分，以“認知(感官)—驗證(原理)—應用(技術)—綜合(提高)—創新(設計)”為主線，分別對教學內容、教學方法及教學時間進行改進和調整，設定每個培養階段的訓練重點，充分體現實驗教學的層進式，遵從循序漸進的教學規律，旨在實現學生對專業知識體系的清晰構建[2-5]。

2 階梯型實驗教學模式的構建

根據教學目標，按照工程應用能力培養要求，將實驗培養過程劃分為5個層次(如圖1所示)。基礎實驗層次實現教材基本知識、基本概念、基本原理的驗證，通過實驗要求認識常用的低壓電器，熟悉PLC編程環境及基本指令，掌握PLC的運行方法；應用實驗層次實現常用電路以及典型電路的驗證，要求掌握電路工作原理、接線及調試方法，會用所學知識分析和處理電路故障；綜合實驗層次實現電氣控制和PLC的綜合應用驗證，要求掌握用PLC實現電機、電磁閥等控制方法，掌握強弱電混合接線及實驗方法；設計實驗層次要求按照教師的給定題目要求，能夠自己選擇設計電路、程序，并能完成實驗驗證；創新實驗層次依據工業應用背景，結合運動控制或過程控制設計綜合應用專業知識的簡單系統，使學生了解PLC、電氣控制、計算機、控制理論、通信等知識的綜合應用。

圖1　階梯型實驗教學體系構成圖

3 階梯型實驗教學模式的實現

建立電氣控制與PLC實驗課程的階梯型教學模式，每個層次選做1～2個實驗，不同層次的實驗采用不同的教學手段、不同的教學時間，培養學生獨立分析思考問題、解決實際問題的能力以及開展工程項目研究的能力[6-13]。

3.1 第一階梯“基礎實驗層次”

(1)教學目的。教材基本知識的驗證，基本實驗方法的掌握，編程環境的熟悉。通過這個層次的實驗，要求學生認識常用低壓電器并會選用。掌握基本的概念，如自鎖、互鎖、能流、軟繼電器。熟悉PLC編程軟件，會進行文件的編輯、存儲、調用以及軟件的調試運行。會進行PLC的外部接線和調試運行。要求學生掌握實驗現象及實驗數據的記錄方法，會分析實驗數據和實驗結果，會撰寫實驗報告。

(2)教學內容。三相鼠籠式異步電動機點動、自鎖、可逆、制動、順序控制實驗；PLC的基本指令、定時器指令、計數器指令；實驗安全操作。

(3)教學方法。教師講授、演示、答疑指導，學生驗證，每次實驗課時3學時。要求學生提前預習并寫好預習報告，教師講授完后提問鞏固，然后演示。注意演示完后教師一定要拆除演示電路并強調學生要按圖接線。

3.2 第二階梯“應用實驗層次”

(1)教學目的。掌握典型電路、常用電路，掌握常用的電氣保護電路，掌握PLC移位指令、中斷程序、子程序、AD/DA轉換的應用。要求學生掌握常用典型電路的工作原理、接線方法以及調試分析方法，掌握常用電氣保護電路的原理與應用，掌握PLC程序設計及調試方法。

(2)教學內容。三相鼠籠式異步電動機的行程控制實驗、能耗制動實驗、星—三角降壓啟動實驗、PLC天塔之光實驗、中斷程序應用實驗、子程序應用實驗、AD/DA轉換應用實驗。

(3)教學方法。教師講授、演示、答疑指導，學生驗證，每次實驗課時3學時。

3.3 第三階梯“綜合實驗層次”

(1)教學目的。會用PLC代替繼電器實現常用電氣設備控制。要求會使用PLC內部資源，理解輸入電路和輸出電路的工作原理。

(2)教學內容。用PLC實現三相鼠籠式異步電動機點動、自鎖、可逆、制動、順序控制實驗，用PLC實現三相鼠籠式異步電動機的行程控制實驗、能耗制動實驗、星—三角降壓啟動實驗。

(3)教學方法。教師講授、演示、答疑指導，學生驗證，每次實驗課時3學時。

3.4 第四階梯“設計實驗層次”

(1)教學目的。會用PLC設計異步電動機控制系統，會使用變頻器，會進行變頻器參數設置。

(2)教學內容。基于變頻器的運動控制，能實現電動機的轉向及轉速控制。

(3)教學方法。教師講授、演示、答疑指導，學生驗證，每次實驗課時3學時。

3.5 第五階梯“創新實驗層次”

(1)教學目的。了解工業應用背景的控制系統設計方法，熟悉PLC控制系統設計過程，掌握人機界面設計方法，掌握PLC實現閉環控制設計，掌握文獻檢索方法以及設計報告的撰寫方法。

(2)教學內容。液位控制系統設計，全自動洗衣機控制系統設計。要求學生掌握觸摸屏使用方法，熟悉PLC控制系統設計方法，會應用組態軟件實現系統的實時監控。了解觸摸屏和PLC的通信方法。

(3)教學方法。分組設計自行驗證，每組3～4名學生，1周時間完成。以學生自學為主。教師點評、演示3學時。教師講解整個系統的設計過程、模擬方法、仿真方法以及實現方法。

4 結語

通過階梯型實驗教學，使學生掌握了PLC和電氣控制系統基本思想、基本知識和基本方法，幫助學生樹立了強烈的工程意識，培養了他們較高的自學能力、協作能力、溝通能力以及工程實踐能力。通過階梯型實驗教學，有效解決了以下2個問題：一是傳統實驗教學模式單一的問題，二是傳統實驗教學內容孤立、缺乏聯系的問題。