PLC原理與實驗課程四立方模式的設計與實踐
——以自動化立體車庫控制系統教學為例

張 穎，程如岐，張 維，劉曉頎，孫桂玲

（1.南開大學電子信息與光學工程學院，天津 300071；2.天津市光電傳感器與傳感網絡技術重點實驗室，天津 300071）

0 引言

可編程邏輯控制器（PLC）控制功能強、可靠性高、使用靈活、易于擴展等一系列優點，使其在自動化和機電一體化設備中的應用逐漸增強，取代了繼電器控制系統進行復雜的生產過程，成為現代工業生產自動化的三大支柱（PLC技術、機器人、計算機輔助設計與制造）之一［1］。PLC技術的掌握則成為工程技術人員的緊迫任務，也是高校電工電子、電氣自動化等專業及職業技能鑒定中指定的重要考核內容。PLC原理與實驗課程作為一門以講授生產機械控制方法［2］來訓練學生分析和思維能力、實踐性很強［3-5］的專業課，所學的理論知識最后必須以具體的控制系統構成，才能得以應用［6-9］，因此實踐性的教學環節在整個教學過程中占據極其重要的位置。

傳統的PLC實驗課程往往與理論課程分成兩個獨立學分課程，學生很難將理論學習的知識與實踐中需要注意的問題相對應，往往講的時候不認真聽講，做的時候又重復提問。另一方面，PLC 課程具有很強的實用性、可操作性，可一定程度地提高學生的學習興趣，但很多學生知其然并不知其所以然，只會依照案例照貓畫虎，工程邏輯思維方式得不到很好地訓練，棘手的問題更加打擊學習的積極性。再者，以單一的實驗箱或實訓系統為基本實踐平臺的PLC 實驗教學，多數只注重對于基本原理與指令等知識的驗證性實踐［10-11］，缺乏創新性參與工程性的研發，很難做到綜合能力的自主探索與延伸［12-15］。

從教學設計、教學實施、教學內容等方面進行全面的改革，構建四立方模式，強化思政引導，把工程意識和思想政治熏陶貫穿教學全程，依托自主設計的PLC實驗教學平臺，對PLC 原理與實驗課程進行教學研究，構建混合式的教學模式，由淺入深設計漸進式的教學內容，使得學生能夠邊學習、邊演示、邊操作、邊思考，真正打破傳統的傳遞—接受實驗教學模式，實現理論與實踐、虛擬與現實的雙融合，實現教書與育人的雙促進。以課程中自動化立體車庫控制系統部分的教學為案例，研究分析四立方模式在理工科專業課程中起到的作用與示范。

1 四立方模式的教學設計內容

師者，傳道授業解惑也。“傳道”指導學生做人，“授業”指導學生做事，“解惑”指導學生解決問題。PLC原理與實驗課程構建的四立方模式教學設計，包含“教、學、做、思”四維教學體系、“理論＋實踐、線上＋線下、虛擬＋現實、分工＋合作”4 ＋混合式教學模式、“基礎-進階-拓展-綜合”四層漸進式實驗教學方法。

（1）“教、學、做、思”四位一體，強化思政引導，傳為人之道。韓愈把“傳道”排在首要位置，因為教師不僅要把科學文化知識傳授給學生，更要言傳身教地培養學生良好的道德品質，在情感、態度、價值觀上對學生進行激勵、鼓舞。在課程的教學設計中，教師要以樹立正確的三觀和思想政治意識為準則，培養工程應用能力為核心，傳授PLC 技術前沿和創新思維為己任，有效引導學生充分了解PLC 技術在各個領域的應用與發展、明確新工科人才需求與自身的培養方向，將工匠精神、傳統文化教育、職業素養、時代精神、社會責任等思政元素，潤物細無聲的融入教學過程之中，構筑全員育人格局。

摒棄傳統的理論型、驗證型“教”授，突出學生主體，教重點難點，教師則時刻關注每位學生的表現，注重學生學習習慣、操作規范的引導，加強實驗安全操作注意事項的管理與規范。“學”不是將老師講的復盤，而是掌握解決問題的方法，引導學生提出問題，指導學生實驗過程的數據收集、分析與總結技巧，在實踐過程中提高愉悅感。用新的認知指導自己“做”的行為，用實踐檢驗創新的真理，教師應以旁觀者的身份“參與”學生小組討論，實時給予方案指導或技術答疑，盡可能用引導的方式讓學生自己做出設計決定，注意對學生設計的規范性進行把關，引導學生在行動中通過進一步“思”考獲得反饋。

（2）4 ＋混合式教學模式，構建學生互動、師生互動，授為學之方?！笆跇I”則要因材施教，采用靈活多變的方法傳授給學生科學文化知識，打破枯燥的理論學習氛圍，只有以學生為主觀視角主動開展實踐，才能更好地接受和掌握更多技能。利用好課前預習、在線資源等渠道，依托合適的線上教學平臺，引導學生自主查閱資料，加強信息檢索能力的培養；引導學生通過智慧教學平臺討論答疑。

引導學生了解繼電接觸器控制系統的工作原理、典型機械的電氣控制線路及電氣控制系統的設計方法，在闡明PLC 結構與原理的基礎上，介紹相應的等效電路及指令系統和編程方法。通過對PLC 的學習，掌握PLC的結構與原理，PLC 指令系統，基本環節、程序設計方法，應用系統組建，PLC 網絡通信，PLC 遠程控制等內容，配合博途TIA 軟件和工程仿真系統實現系統的模擬和與硬件平臺的銜接控制。引導學生提高學習興趣、正確認知自己的目標定位、自主設計學習方案，增強小組合作與組間互動，注重課后研討環節，發散思路。在綜合系統設計時創造一個“答辯”環節，設計合理的評價打分機制；鼓勵學生相互提問，教師根據制作情況提問，激發學生討論，教師可以分析出每個學生在組內的參與情況，有助于給出評價。

（3）四層漸進式教學方法，保障學習效果的延續性，解為難之疑?！敖饣蟆眲t是挖掘培養學生勇于質疑的精神，以旁觀者的角度引導學生給出獨特的見解、有效的解決困惑，培養學生獨立的人格和自主處理問題的能力。開放式、模塊化、自主式的教學元素，使得課程教學既可以選擇實驗的模塊完成基礎、進階功能實驗，又可以引導學生完成綜合性、設計性、實踐性的開放創新項目。摒棄驗證型的實驗內容，盡可能擴大學生自主實踐范圍，將四個層次的教學內容全部設計成探究型的學習問題，通過學習研究、方案論證、系統設計、實現調試、測試標定、設計總結等環節形成一個比較完整的工程實踐過程。通過線下或線上平臺的課后研討，引導學生畢業設計、創新項目等工作的選題、方案設計、項目進度安排等，保證教學效果的延續。

2 自動化立體車庫控制系統的四立方模式實踐

自動化立體車庫控制系統教學，依托我校PLC 原理與實驗課程實現，通過漸進式的實踐學習，逐步激發學生創新意識，綜合運用PLC 編程、傳感器控制等多方面知識，針對電子信息、電氣控制類專業本科生，重點在于工程的邏輯訓練，教學設計模擬真實工業環境，培養團隊協作能力、信息檢索與利用能力，提升學生工程實踐素養。圖1 所示為基于四立方模式的自動化立體車庫控制系統教學設計思維導圖。

圖1 自動化立體車庫控制系統教學設計思維導圖

2.1 打破理論與實驗教學壁壘，擴充課內與課外學時任務

打破傳統的理論和實驗的界限，將理論教學與實驗教學融合在一起，表1 所示描述了立體車庫系統的教學任務與課時安排。PLC原理與實驗課程共有課內課時72 學時，其中立體車庫系統部分課內一共安排15 學時，擴充后課外任務安排12 學時。課內課外任務涵蓋立體車庫部分的原理、智慧停車等思政引導，以及基礎-進階-擴展-綜合的實踐探究任務，引導學生了解基于立體車庫自動控制平臺的基本原理、硬件構造、控制邏輯等內容，并引導學生基于雙軸定位邏輯、存取控制邏輯、人機交互控制、傳感器擴展等方面發散思維進行改革設計。

表1 立體車庫系統部分教學課時表

2.2 強化理工科實驗課程思政，全過程挖掘思政教育

如表1 中各部分的教學內容所示，將思政培養貫穿在漸進式的教學過程中，面對PLC 技術以及立體車庫視角，能夠挖掘出很多思政元素。

在理想信念與社會責任方面，很多理工科大學生對社會主義核心價值觀的時代背景、基本內容、重大意義和實現路徑并沒有深刻了解，更無法與自己所學專業的背景意義相關聯，個人理想與社會理想相脫節，個人得失與自我價值孤立，缺少理想信念、民族信仰。習總書記指出：青年的價值取向決定了未來整個社會的價值取向，而青年又處在價值觀形成和確立的時期，抓好這一時期的價值觀養成十分重要。課程將從社會主義核心價值觀出發，讓學生明確新時代理工科大學生的價值使命，如自動化的車庫、智慧社區的停車管理等專業力量可以為國家建設以及造福人類的基礎工作提供強大的力量，列舉和討論國內PLC 產業及自動化立體車庫等經典案例和優秀成果，激發學生的專業精神。

在工匠精神和職業素養方面，自動化、電工電氣等理工科相關專業的人才，應該能夠理性的認知自己的專業領域及人生規劃，避免功利化和偏激的個人理想，樹立積極向上的職業目標。因此，通過PLC 自動控制技術的專業規范和崗位能力等方面將學生的核心價值觀內化而升華，在層次化教學中，融入項目化的管理模式，對企業相關崗位的必備能力進行分析，讓學生從課題需求、方案設計、產品研發、項目管理等方面開展學習和實踐，注意PLC 原理圖、實物接線圖、控制流程圖、編程調試、使用說明等技術文檔的積累與練習。

2.3 完善線上與線下教學資源，實現虛擬與現實教學融合

完善教育載體，依托智慧教學平臺，開展線上線下、虛擬現實混合式教學。目前課程以“云班課”“雨課堂”為主要線上平臺，博途TIA為虛擬仿真平臺，結合自主研發的PLC教學實訓平臺，開展教學研究和教學實踐。

課前，教師依托智慧教學平臺，發布學習資料和討論的問題；學生通過前置實驗、課外自學和理論講授，盡可能多的查閱相關資料，培養信息檢索能力；了解自動立體車庫系統的背景、原理等基礎知識；掌握S7-1500和S7-1200 系列PLC的軟硬件配置，掌握自動存取控制邏輯及步進電動機雙軸線定位原理；限位、檢位開關等不同類型傳感器和執行機構的應用等；學生可以初步完成部分功能的實驗仿真和實驗設計。

課上，由智慧城市與智慧交通引出自動化立體車庫系統，實現思政融合，理論講解S7-1200 與S7-1500之間的通信原理和配置方法等內容。教師講解基礎實驗、進階實驗任務；學生根據基礎實驗、進階實驗的要求設計順序功能圖、建立仿真環境、完成梯形圖編程并在硬件平臺上驗證實驗程序；教師講解人機交互模塊的原理及拓展訓練的基本要求，引導學生利用現有的軟件、硬件條件自主設計復雜的車庫自動存取邏輯控制系統，并完成調試。

2.4 嚴守漸進式實踐層次主線，打造項目式分工與合作

基于立體車庫自動控制實驗平臺，按照“基礎-進階-拓展-綜合”的實踐層次主線，了解和完成立體車庫自動控制系統的各部分PLC 控制功能，最終學會設計一個完整的立體車庫自動控制系統。圖2 所示為基于模塊化的實驗平臺完成實驗任務的設計思路。

圖2 實驗任務設計思路

將步進電動機的控制用S7-1200 分離出來，在基礎實驗部分，要求學生在S7-1200 中添加“軸”工藝對象，設置組態參數，完成步進電動機的單軸控制；在進階實驗部分，利用雙軸坐標碼垛算法實現同時控制XY方向兩個步進電動機，最終能在立體的庫位中找到指定庫位。雙軸坐標碼垛類似三軸機械手實訓，是三軸的升級，功能更為復雜化，難度提升。庫位的定位算法在S7-1500 中完成，因此要求練習S7-1500 與S7-1200之間的通信。根據課程前期各實驗中所進行的S7-1500 之間的通信練習，通過組態連接、編程設置、通信驗證和仿真調試，可以完成同一個STEP7 V13 項目中不同S7PLC 的PROFINET 通信。配備精制系列面板觸摸屏，組態軟件STEP7 中的WinCC Basic，通過DP接口連接到PROFIBUS-DP 總線上和PLC 通信，設置網絡地址、通信接口、波特率，通過觸摸屏畫面的組態創建，把自動立體車庫系統的控制功能以圖形的方式顯示，包括事件按鈕類、動作指示類等組態，完成車庫信息管理、車庫狀態顯示、出錯報警、手動操作等復雜的組態任務設計。

拓展訓練和綜合設計部分，可以考慮存取車的時間成本，優化存取、停放的車位選擇策略；可以用臺車裝置替代氣爪，實現更貼近現實的車輛存取控制實驗；可以考慮安裝旋轉臺控制車輛掉頭，方便存取時駕駛員的操作等。教師通過線上平臺、線下課堂完成設計方法與設計思路引導；學生分組開展設計與討論，構思綜合設計實驗的設計要求、確定各部分的功能實現及系統I／O分配表等流程，分工合作完成順序功能圖的繪制、復雜梯形圖函數程序的編寫、仿真軟件和硬件平臺的調試等工作；開展綜合設計調試與答疑互動，包括線上平臺、線下課堂學生互動、師生互動；完成綜合設計報告與小組匯報，項目驗收，通過智慧教學平臺，完成組內評分、組間評分、教師評分。

2.5 重視過程化學習評價反饋，保證教學效果的延續性

利用線上平臺的數據統計功能，從課前任務、互動參與度、實驗過程、綜合設計完成情況、課后表現等多方面實行過程化評價。教師可以通過問卷調查、頭腦風暴、測試、作業任務等環節，驗收實踐結果，提出開放性問題供后續思考和研究，如基于雙軸控制定位還可以實現哪些系統功能來發散學生思維；引導學生畢業設計、創新項目等的選題、方案設計、項目進度安排等，保證教學效果的延續性。圖3 所示描述了課程的綜合評價體系。一方面，依托智慧教學平臺追蹤學生線上學習、出勤、互動等情況，就連綜合設計的小組匯報，都可以直接實現組內、組間和教師評分記錄與核算。另一方面，教師按照不同層次實驗的完成情況給與評價，包括實驗結果、實驗質量、系統設計與創新能力等實驗表現，以及實驗報告、設計報告等。

圖3 課程的綜合評價體系

3 教學示范與成效

四立方模式在PLC 原理與實驗課程中經歷了4年的實踐，通過電氣自動化實訓平臺的真實驅動，創建模塊化教學元素和漸進式實踐教學環境，使學生將所學的知識真正與實際應用接軌，全面提升新工科學生實踐素養，教學思路可移植性強；打破傳統的理論與實驗單獨授課的壁壘，用云平臺輔助線下課堂，仿真平臺輔助實踐操作，加之模塊化的實驗平臺與項目式的協作學習法，真正引導學生從傳統的被動接受教育轉變到主動探索創新，激發學生學習興趣，教學模式可推廣性強；自主設計的模塊化的實驗平臺與線上智慧教學平臺，根據不同專業學生或不同教學需求靈活設計教學方案，學習平臺可擴展性強。

在每年的選課學生中開展調查，對四立方模式在學生的專業技能掌握情況等方面進行了問卷，從新模式對培養學生創新思維和創新能力的幫助作用等12個方面進行評價。學生對于四立方模式總體評價較高，平均分達到了4.71（滿分5 分），學生對于四立方模式的幫助作用給予了充分肯定。76.64%學生的總體評價達到了“大”“很大”。對調查問卷的各個題目分別統計分析，對12 個方面的評價給予4 分及以上的人數都能達到93.46%以上。

4 結語

根據PLC課程在電子信息類學科的教學特點和教學需求，基于模塊化、自主式、開放式的教學平臺，構建四立方模式，對教學模式、教學手段、教學體系開展改革，以課程部分案例為視角開展教學設計與教學實施。特別強調學生的主動參與性，強化課程思政引導，充分調動學生的學習積極性，培養學生良好的工程習慣與動手能力。經過具體的教學實踐，對于提高學生的動手能力與解決PLC 實際工程問題的能力具有良好的效果，具有一定的示范輻射價值。