可編程邏輯控制器原理及實驗課程的沉浸式教學探索

【摘要】本文闡明可編程邏輯控制器（PLC）技術原理及實驗課程教學內容及沉浸式教學的理論內涵，提出轉變教學模式、有機結合實驗與課堂、根據生產需要優化教學內容、改革評價體系的教學策略，以提高教學成效。

【關鍵詞】PLC 沉浸式教學 教學改革 實踐能力

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）30-0152-04

在工業自動化發展過程中，可編程邏輯控制器（PLC）技術因功能強大、應用范圍廣，在工業生產過程自動控制系統中占據重要的地位。目前，我國的制造業水平大多還停留在電氣化時代，信息化水平仍有大幅進步空間，同時在自動化人才培養方面存在大量缺口。在“中國制造2025”背景下，為滿足新工業時代的要求，高等院校需要改革人才培養機制、完善實踐條件，創新人才培養新模式。

北京化工大學自動化專業基于課程設置，依托沉浸式教學理論，對教學內容進行重新篩選和組織，改進了教學模式，不斷探索適應“中國制造2025”發展需要的自動化專業人才培養新模式，使其更適應人才培養的需要。PLC原理及實驗課的教學實踐證實了沉浸式教學改革可以顯著提升學生的工程實踐與創新能力。

一、PLC原理及實驗課程內容及沉浸式教學的理論內涵

（一）可編程邏輯控制器實驗課程

可編程邏輯控制器（PLC）是在微處理器的基礎上，結合了計算機技術、電器控制技術、自動控制技術及通信技術研制而成的自動控制裝置。由于其結構簡單、編程容易、性能優良、靈活通用、可靠性好、抗干擾能力強等優點而被廣泛應用于工業生產過程中的自動控制領域。PLC的核心原理是通過邏輯運算來控制輸出設備的狀態。它使用一種名為ladder logic（梯形圖）的編程語言，該語言以邏輯圖的形式表示控制系統的運行過程。

PLC的工作原理可以概括如下。輸入模塊：PLC接收來自傳感器、開關和其他輸入設備的信號，這些信號表示系統的狀態。中央處理器：PLC中的CPU負責執行用戶編寫的控制程序。該程序基于邏輯操作，根據輸入信號的狀態來決定輸出設備的操作。輸出模塊：PLC通過輸出模塊來控制執行器、電機、閥門等輸出設備，從而實現自動化控制。用戶程序：用戶通過特定的編程軟件編寫控制邏輯，這些程序通常以梯形圖的形式表示。用戶程序定義了在不同輸入條件下如何執行輸出操作。掃描周期：PLC根據用戶程序的要求以循環的方式不斷掃描輸入信號，執行邏輯運算，并更新輸出設備的狀態。

PLC的發展可以追溯到20世紀60年代，它起初是為了替代傳統的繼電器控制系統而誕生的。第一代PLC（1960s）主要用于替代繼電器控制系統，第二代PLC（1970s）引入了更多的功能，包括計數、定時和數學運算等，第三代PLC（1980s）增加了通信接口，現代PLC（2000s—）具有更多的處理能力和內存，支持多種編程語言。PLC并非僅停留于理論或思想層面，它已是應用于工業生產中的一個控制工具，因此，PLC原理及實驗課程是一門具有很強實踐性的專業課。學生想要真正掌握PLC技術還需從工業實際出發掌握PLC的基本原理、指令系統、編程方法等理論知識，提高理論知識的實際應用能力和獨立思考能力，要有嚴肅認真的工作態度及勇于探索的研究態度，才能為將來解決實際機電控制問題打下基礎。

（二）沉浸式教學理論

1975年，米哈里·契克森米哈賴（Mihaly Csikszentmihalyi）首次提出了沉浸理論（flow theory）。該理論解釋了當人們進行某些活動時，為何會完全沉浸于情境之中全神貫注，過濾掉所有不相關的知覺，進入一種沉浸的狀態。

沉浸式體驗理論認為，沉浸式體驗是一種積極的心理體驗，它能夠激發個體的創造性和潛能，使其在參與活動時感受到無限的愉悅。挑戰和技巧是主導沉浸式體驗的關鍵因素。當參與者面對一個挑戰性任務時，往往首先考慮如何完成該任務。但如果挑戰的難度過高，參與者可能會失去對周圍環境的掌控能力，從而產生焦慮或挫折感；如果挑戰性太低，參與者可能會感到乏味而失去興趣，進而積極性降低，導致沉浸狀態不明顯，甚至出現消極的反應。而沉浸狀態則是兩者之間的平衡狀態。沉浸理論的主張為心理學領域提供了新的視角和方法，用以研究人的行為及其動機。隨著計算機技術及人工智能技術的快速發展，自動化領域發生了巨大變革，也為教育實踐中教師如何更好地培養學生的學習興趣與學習動機提出了新思路。在沉浸理論中，強調的是讓學生成為主體，從而獲得身臨其境的感受。采用體驗式教學模式，能夠激發學生的求知欲和學習熱情，促使他們自發地探索新的知識領域，從而真正提高學生的學習主動性。因此，沉浸理論對真正實現體驗式教學模式起著非常重要的作用。

以下，教學團隊將借助沉浸理論，優化PLC原理及實驗課程教學流程，創新教學模式。文章介紹了沉浸式教學設計和任務導向的方法，旨在激發學生的求知欲望，提高教學效果，為PLC課程注入新活力。這一研究為利用沉浸理論提升教學效果提供了全新思路。

二、基于沉浸體驗式教學探索

傳統PLC原理及實驗課程的授課方式以教師為核心，系統化地傳授科學知識，教學方法單一，教與學分離，容易導致學生自主學習意愿低。因此，本文借鑒沉浸理論的思想，引入了目標導向式教學法。根據教學大綱，提出具有挑戰性的問題，引導學生思考，講解可能相關的知識點，然后師生共同討論得出初步的解決方案，最后通過編程嘗試解決問題。為實施該方案，教學團隊在教學模式和教學內容方面均做了相應的改進。目的是使學生從一個聆聽者變成了參與者，引導學生進行思考、學習，有效提升學生的自主學習能力，培養學生的學習興趣。

（一）轉變教學模式，有機結合實驗與課堂

沉浸式教學模式首先要構建適合沉浸式體驗學習的教學內容和環境，將PLC課堂與實驗有機融合，使課堂上有實驗理論、實驗室里有理論課堂。教學團隊精心重構了教室和實驗室兩個教學場所的沉浸體驗內容，在教室里進行隨堂仿真實驗，在實驗室進行現場應用實驗。

首先是開展隨堂仿真實驗。隨堂仿真實驗作為一種協同實驗，被廣泛應用于各個領域，多指教師、學生、助教使用仿真軟件，在上課過程中一邊教授知識一邊開展實驗，使課堂變得更有生氣和活力，讓學生更為主動地參與學習活動，并通過自己動手去完成實驗任務來獲取相應的知識，從而獲得成就感。在本教學案例的課堂教學過程中，隨堂仿真實驗由教師提出實驗建議，由助教進行仿真實驗演示，鼓勵學生利用計算機進行仿真實驗，以此提升教學效果。學生在此過程中更為主動地參與學習活動，通過完成實驗任務內化相應的知識，從而獲得成就感。隨堂仿真實驗因其具備高度的可塑性、實時性和可操作性等諸多優點而備受青睞。隨堂仿真實驗能更好地讓學生進入沉浸體驗式學習，激發學生的學習興趣，讓學生注意力更為集中，使學生在學習過程中不僅能夠深入理解知識點的內涵，而且能夠獲得令人愉悅的學習感受。

其次是優化現場應用實驗。教學團隊通過改進實驗策略，使學生在理論的基礎上將實踐操作內化為熟練掌握的技能，通過循序漸進的過程實現從生疏到精通的提升。教學團隊通常采取以下策略。一是在理論課中適時講解實驗操作需要準備的材料和所運用的軟件，并讓學生明白需要掌握什么知識點。教師可播放往屆學生在應用實驗方面的優秀實驗視頻以消除學生的陌生感，調動學生學習的主動性。而本屆學生中若有優秀的實驗操作，征得學生同意后亦可將之作為視頻資料保存使用。二是在理論課中盡量安排現場應用實驗中便于攜帶的軟硬件展示給學生看，使學生從對實驗的想象到實物的認知，豐富理論基礎課的實際現場應用實驗內容，提高后續現場應用實驗效率。

以應用于交通信號燈控制系統的PLC為例，首先明確系統的控制要求。在舉例說明控制方案之前，可以讓學生自發思考交通信號燈中的控制邏輯，并寫出自己的設計思路，最后與案例的設計思路做對比。系統要求用兩個按鈕來控制交通信號燈的工作，當按下啟動按鈕后，南北紅燈亮25s，在南北紅燈亮25s的時間里，東西綠燈先亮20s再以1次/s的頻率閃爍3次，接著東西黃燈亮2s；25s后南北紅燈熄滅，熄滅時間維持30s；在這30s時間里，東西紅燈一直亮，南北綠燈先亮25s，然后以1次/s頻率閃爍3次，接著南北黃燈亮2s。以后重復該過程。按下停止按鈕后，所有的燈都熄滅。

明確控制目的后，學生確定輸入/輸出設備，分配合適的I/O端子，并繪制交通信號燈控制電路圖。接下來編寫PLC控制程序，啟動STEP 7-Micro/WIN編程軟件，編寫滿足控制要求的梯形圖程序（如圖1所示）。

實驗對象為觸點利用型特殊繼電器，采用了一個特殊的輔助繼電器SM0.5，它利用PLC自動驅動線圈，用戶只能利用它的觸點，即畫梯形圖里只能畫它的觸點。SM0.5能產生周期為1s的時鐘脈沖，其高低電平持續時間各為0.5s，以上圖梯形圖網絡9為例，當T50常開觸點閉合，在1s內，SM0.5常閉觸點接通、斷開時間分別為0.5s，Q0.4線圈得電、失電時間也都為0.5s。在案例講解過程中，盡可能詳細地向學生展示編程所需要的軟硬件結構，以及算法邏輯，使學生對現場應用實驗的印象從陌生到熟悉，更好地讓學生進入沉浸體驗式學習中，實現高效課堂。

（二）根據生產需要，優化教學內容

PLC課程的教學內容應該分為結構原理簡介、指令系統、編程應用、工程設計等部分，其中編程應用與工程設計是主要內容。由于PLC具有體積小、重量輕、可靠性高等特點，在現代工業生產中得到了廣泛的應用。開設PLC原理及實驗這門課程主要目的是解決實際工業現場問題。為了使PLC原理及實驗課程的教學內容與工業生產、人才市場需求以及學生實際情況保持同步，必須對教學內容進行定期更新和優化。教師應當根據教學目標的定位，注重培養學生實踐能力，特別關注學生動手能力和工程創新能力的培養。不僅要在具體的實踐環境中加強學生的理論基礎，而且要注重培養學生的創新思維能力，還要在理論教學中培養學生解決工業現場出現的問題。因此，結合沉浸式教學模式，教師在授課過程中應根據所授課程的特點進行相應的調整和優化，以當前工業現場當中可能出現的實際問題為引子引發學生積極思考，依托交流、討論等教學流程，師生共同得出可行性比較高的方法，再通過編程設計嘗試解決問題。

因此，教學內容的優化應緊跟時代發展并與工業生產需要相結合。選取的教學案例除了復現交通燈控制、電梯等典型案例，還應結合所處工業生產現狀進行針對性研究與教學，提高學生處理實際問題的能力。如可從以下幾大類的生產需要出發，優化教學內容。（1）開關量邏輯控制：取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。（2）工業過程控制：在工業生產過程當中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續變化的量（即模擬量），PLC采用相應的模擬信號和數字信號之間相互轉換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環控制，常見于冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合。（3）運動控制：PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊，如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。（4）數據處理：PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。數據處理一般用于如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。（5）通信及聯網：PLC通信含PLC間的通信及PLC與其他智能設備間的通信。

在隨堂仿真實驗中，老師和助教帶領學生利用仿真環境一步步編寫控制程序。在現場應用實驗中，利用實驗室里的控制系統實體，讓學生探索系統與PLC的電路連接。電路連接完成并且由助教檢查后，學生下載調試之前編寫的程序，最終完成實驗，整個過程是完全沉浸式的體驗。

（三）改革評價體系，推動人才成長

要提高教育質量和學生的綜合素質，改革教學評價體系是很重要的一步。教學團隊采取多種策略，以使教學評價更為科學高效。首先是使用多種方式評價學生，比如考試、作業、項目、口頭表現和小組討論等，除了傳統的卷面理論測試，評價體系還包括對學生實際應用能力、創新思維和批判性思考的考查，這些技能對學生未來的職業發展和社會發展都非常重要。教學團隊努力兼顧學生的個體差異和受教育背景，確保每個學生都能在公平的環境中展現自己的能力并發揮潛力，提高創新意識和能力。而利用技術和數據分析工具來收集和分析評價數據，可幫助學校和老師做出更明智的決策。

其次，讓評價方式和教學目標保持一致，以更好地考查學生的核心技能水平。教學團隊需要仔細審視知識點所包含的核心技能，明確學生應該達到的理論、技能水平。而加入對口頭表達和溝通技巧的評價，如采用面試、小組討論、課堂表現等多元化的評價方式，可以更準確地評估學生的綜合能力。

同時，教學目標也需要明確和具體，以便教師和學生都能清楚地了解期望的學習成果。教師需要在教學過程中強調這些目標，并通過實例、練習和反饋等方式幫助學生理解和掌握核心技能。在評價過程中，教師需要關注學生的實際表現，并提供具體的反饋和建議，以幫助學生改進和提高他們的技能。

除此之外，教師要及時給學生反饋評價成果，幫助他們了解自己的優點和需要改進之處。同時，教學團隊增加學生自我評價和互相評價的比例，這可以培養學生的自主學習和合作能力。評價體系應該擁有一個良好的反饋機制，不僅要把評價結果及時反饋給學生和教師，而且要把評價過程中收集到的有用信息進行分析和利用，為后續教學提供有價值的反饋和建議。

綜上所述，教學團隊依托沉浸式教學理論，對自動化核心課程進行教學探索，將沉浸式體驗理論融入PLC原理及實驗課程的教學之中，將實驗與課堂有機結合起來，以實驗為主線，以數字量和模擬量為基本點，配合模擬和講課，分解教學任務，有效提升了學生的學習興趣和學習能力。教學改革實踐證明，沉浸式教學讓學生有了良好的學習體驗，實現了教學改革的目的，為專業課程教學改革提供了有益的借鑒。

參考文獻

［1］周濟.智能制造是“中國制造2025”主攻方向［J］.企業觀察家，2019（11）.

［2］黃群慧，賀俊.中國制造業的核心能力、功能定位與發展戰略：兼評《中國制造2025》［J］.中國工業經濟，2015（6）.

［3］趙眾，龐俊秋，吳佳偉.“中國制造2025”背景下自動化專業人才培養模式創新［J］.廣東教育·高校思想教育探索，2020（9）.

［4］艾興，李葦.基于具身認知的沉浸式教學：理論架構、本質特征與應用探索［J］.遠程教育雜志， 2021（5）.

［5］潘慶玉.導向深度學習的游戲沉浸式教學模式［J］.當代教育學，2009（10）.

［6］苗紅霞，齊本勝.PLC控制技術實驗教學改革研究與實踐［J］.實驗技術與管理，2010（3）.

［7］奚玲，岳春生，萬方杰.淺談隨堂仿真實驗在理論教學中的應用［C］.教育部中南地區高等學校電子電氣基礎課教學研究會第二十屆學術年會會議論文集（上冊），2010：494.

［8］葛林潔，王丹，郭一蓉，張昱城.實驗室實驗與現場實驗在組織行為學中的應用［J］.中國人力資源開發，2021（2）.

注：本文系2021教育部產學合作協同育人教改項目（202102158001）的研究成果之一。

作者簡介：趙眾（1970— ），河南新鄉人，北京化工大學信息科學與技術學院教授，博士生導師，研究方向為復雜工業的先進控制與過程監測；薛貝（1998— ），河南商丘人，北京化工大學信息科學與技術學院控制科學與工程專業碩士研究生，研究方向為復雜工業的先進控制與過程監測；陳揚黎鴻（1997— ），貴州銅仁人，北京化工大學信息科學與技術學院控制科學與工程專業碩士研究生，研究方向為復雜工業的先進控制與過程監測。

（責編 羅異豐）