智能制造背景下的高職PLC教學改革探究

江田輝 趙玉超 曾勝財 彭曉雷

摘要：智能制造時代對高職教育中的可編程控制器課程提出新要求，高職院校要積極進行改革創新，以適應產業變革和人才培養的新需求。智能制造背景下，可編程控制器與數據處理、機器人控制、智能化產線、互聯網等領域密切相關，但高職可編程控制器課程存在理論與實踐脫節、實驗設備過時、師資不足、缺乏學科融合、不注重培養學生核心能力等問題。在具體實踐中，要增加典型項目案例、構建虛擬實驗平臺、強化師資培訓、整合跨學科課程、優化培養模式，進一步提高課程教學效果。

關鍵詞：可編程控制器課程；智能制造；數據處理；機器人控制；智能化產線；互聯網

中圖分類號：G642文獻標志碼：A文章編號：1008-3561（2024）02-0105-04

基金項目：本文系廈門海洋職業技術學院教育教學改革研究與實踐項目（編號：JWJB202202）的研究成果

隨著科技的日新月異和產業的不斷變革，智能制造正成為推動工業革命的重要力量。工業和信息化部等八部門聯合印發的《“十四五”智能制造發展規劃》指出，智能制造將成為制造業的主流，并表明國家對制造業數字化發展的充分重視和支持。智能制造以網絡、云計算、大數據和人工智能等技術為基礎，以數字化、柔性化和智能化等生產方式為主，可使生產效率和質量得到顯著提高[1]。作為智能制造的核心技術之一，可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）具有操作簡單、可靠性高、功能強大等特點，廣泛應用于現代工業中的自動化控制領域。隨著智能制造的高速發展，PLC的使用范圍也越來越廣，并呈現出新趨勢，其不僅是實現工業自動化控制的硬件設備，還通過優化軟件建設，實現更為智能的控制，如人機界面（HMI）的界面操作、在線監測、數據采集和分析等。高職PLC控制技術是一門實踐性很強的課程，其教學改革一直是國內外研究的重點課題。長江工程職業技術學院的周亞芳等從具體學情出發，提出基于“課堂革命”的課程整體設計思路[2]；聊城職業技術學院的劉東認為，專業教師要在掌握專業課程內容、學生就業前景等情況下，整合學科內容，梳理專業知識，強化實踐訓練，根據不同專業學生的需求開展教學改革，以實現高職教育目標，滿足學生的就業需求[3]；常州工學院的馬金祥等提出借助虛擬仿真技術，采用項目驅動教學法開展教學改革探索[4]。國外的PLC教學改革以德國的“雙元制”人才培養模式最為典型。其根據企業項目創設教學情境，并按照企業工作全流程展開教學，讓學生采取自主學習、自主探究、小組合作等方式，通過項目分析、項目實施、項目總結等環節獲得知識與技能。但目前的高職PLC教學效果并不理想，導致培養的學生不能滿足企業需求。本文從智能制造的背景和發展趨勢出發，針對高職教育中的可編程控制器課程教學現狀，提出相應的教學改革策略，以期適應智能制造背景下的產業變革和人才培養需求，為社會培養出更多具有多技能、高素質的應用型人才。

智能制造是指在數字化、網絡化、智能化和柔性化的環境下，實現產品和生產方式的智能化和高效化[5]。隨著信息技術的發展和網絡的普及，智能制造已成為推動制造業轉型升級、提升生產效率的重要方式。在智能制造背景下，PLC在工業自動化領域的應用范圍也不斷擴大。智能制造的發展趨勢及PLC在其中的應用主要體現在以下幾個方面。

1.數據處理

隨著智能制造的不斷發展，現在的工廠變成了數據中心，數據的收集、分析和應用成為驅動智能制造的核心。基于開放的數據架構，不同的數據源之間可以互相連接，使得整個生產線的數據實時同步。PLC具有強大的數據處理能力，集數學運算（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、位操作等功能于一體，可以進行數據采集、存儲與處理。這些數據可以通過串口、以太網和OPC通信等多種方式傳送到其他智能設備或軟件平臺。具體而言，在智能制造系統中，PLC可以通過采集生產過程中產線、設備、物流等的運行狀態、環境參數、工況（如壓力、溫度、振動、應力等）等數據，并通過對數據的分析和應用，讓企業實時了解產線的生產狀況，進而對生產過程進行更加精確的調度和優化，以提高生產效率和質量。未來，PLC將會越來越多地應用于數據采集和分析領域，幫助企業實現更加高效的生產。

2.機器人控制

工業機器人具有強大的計算能力以及高速、高精度和高重復性等優點，可以完成復雜的任務，如抓取、焊接、裝配、加工等，有利于提高生產線的效率和品質。作為工業機器人控制系統的核心部件，機器人控制器負責接收來自PLC或其他傳感器的指令，并進行相應的運動和操作，如進行數據交換和通信，共同構成智能自動化系統的大腦，確保整個系統之間的穩定和高效運行。隨著科技的不斷進步，PLC及機器人控制器將發揮更重要的作用，推動智能制造的高速發展。

3.智能化產線

智能制造要求其產線可以實現生產過程的自我診斷、故障排除、預測性維護，并可根據實際情況進行自動調整和運行優化，以提高行業的自適應能力和競爭力。當前，人工智能技術在研發和應用方面取得重要進展，基于先進的機器學習和深度學習算法的PLC產品，具備智能決策和學習能力。這些產品能夠根據實時數據進行智能分析和預測，優化生產過程并提高效率。

4.互聯網

隨著工業生產規模的不斷擴大，傳統的單一設備控制和小范圍控制的PLC設備的需求正在逐步減少，規模經濟也要求大型PLC設備能夠實現設備間和廠區間的跨界控制。在5G技術普及的新背景下，實現與互聯網的連接是PLC發展的必由之路，其基于大數據、云計算和物聯網技術，可實現生產資源的高度共享和合理配置，實現生產線的高度自動化、數字化和智能化，從而提高企業的生產效率，并降低成本。

在高職院校的教學體系中，PLC一般安排在電子信息類、自動化、電氣工程等專業課程中，以課堂授課和實驗教學相結合方式開展教學，引導學生掌握PLC的基本原理、硬件組成、操作流程、應用范圍及其在自動化控制中的作用。目前，PLC課程在教學實踐中存在一些問題，具體如下。

1.理論與實踐脫節

PLC涉及多學科知識，但在教學中存在理論與實踐脫節的問題。例如，部分教師過于注重梯形圖、順序功能圖或各種應用指令的教學，而不注重將PLC程序融入PLC控制系統中。如前所述，在智能制造背景下，PLC的關鍵在于大數據的處理、識別、分析、決策等在工業控制中的應用，而只注重PLC程序設計會導致學習者對PLC工程實際應用存在狹隘理解，即理論知識與實際操作之間產生脫節。

2.實驗設備過時

PLC產品種類繁多、發展迅速，部分高職院校的PLC實驗室設備卻沒有與時俱進，存在過時、擴展性差等情況，無法滿足大規模實驗需求，導致教學內容受教學設備落后限制而不能及時更新，嚴重限制了學生的發展和就業。例如，有的實驗室設備使用的是舊的指令、控制端口和觸發方式，與當下現代化的PLC系統存在差距，導致學生進入企業后對新的PLC控制設備不知所措，不得不學習PLC控制新技術。以西門子PLC為例，在中小型控制系統應用中，西門子S7-1200系列PLC是S7-200系列的升級版，因具有模塊化、結構緊湊、功能全面等特點，逐漸成為使用的主流，而部分高職院校采用西門子S7-200低端系列設備，導致學生在進入工作崗位后需學習西門子S7-1200、S7-1500系列的相關知識、技能[6]。

3.師資不足

在智能制造背景下，PLC技術是建立在多學科基礎上的復合專業和技術，有效地掌握這樣的跨專業知識與復合技術對高職院校教師而言是比較大的挑戰。在培養、磨合時間有限的情況下，部分教師很難完成跨專業知識與技術的學習，并內化到自身的知識、能力和素養體系中，出現專業化水平、實踐能力不符合教學要求等情況。另外，PLC技術發展迅速，教師又處于非行業一線，對PLC的運行技術和發展趨勢存在一定的認知滯后。

4.缺乏學科融合

基于智能制造背景，PLC技術的應用涉及多個學科領域，如計算機科學、人工智能、自動化控制等。為更好地理解和應用PLC，學生要掌握這些學科知識，以更好地適應現代社會對復合型人才的需求。但目前的PLC課程體系設計固化于傳統的學科分類和學科專業，學科之間的融合較少。另外，部分教師也偏向于傳統的單一學科教學，缺乏跨學科的綜合性教學方法。有的教師專注于自己熟悉的學科領域，不知如何將其他學科知識有機融入教學中。

5.忽略培養學生的核心能力

智能制造背景不僅對PLC專業人才的技能提出更高要求，對人才的核心能力也提出相應要求，特別要求學生具備創新能力和工程實踐能力。現代社會競爭和發展的核心就在于創新能力，而工程實踐能力是指學生能根據工程項目要求，進行理解、研究、設計、分析、實施、監管、評估的能力，是PLC技術相關崗位對學生的基本要求。但部分高職院校在課程設置和教學實踐中，偏向于專業技能的傳授，未開設相應培養學生核心能力的課程，培養和考核模式單一，以灌輸式教學模式為主，不注重培養學生的質疑能力、探索意識、發現與解決問題能力，導致學生的核心能力發展受限。

智能制造的目標是利用技術推動產業轉型升級，提高生產力，其載體是智能工廠，關鍵在于大數據的處理、識別、分析、決策等在工業控制中的應用。作為智能制造系統中廣泛應用的核心部件，“工控+互聯網+智能”將成為PLC發展的大趨勢，這就對從事PLC行業的工作人員提出新的要求。高職院校作為人才培養的前沿陣地，應順應時代潮流，積極探索PLC技術課程基于智能制造背景的教學改革策略，培養具有高素質的復合型PLC人才。

1.增加典型項目案例

項目案例是將理論知識應用于實際工程的方式之一，有助于激發學生的學習興趣，使其初步認識可編程控制器的應用領域。為此，PLC課程教材應摒棄傳統的章節概念，代之以一個個項目，并將整個知識體系有機融入其中。項目案例可選取當地企業的典型工作任務，如基于PLC的智能光伏產線、LED產線、機器人控制、新能源系統的控制等[7]。學生可在項目中完成PLC的學習，建立實際項目的概念，實現實踐能力的逐步提升。

2.構建虛擬實驗平臺

虛擬實驗平臺是一種新型的實驗教學方式。通過計算機仿真技術和數據采集技術，學生可在虛擬實驗平臺完成PLC仿真實驗和實際控制。這種方式可彌補現有實驗設備不足或陳舊等問題，同時也便于學生在新穎有趣的環境中掌握控制系統的設計和調試技術，然后將結果應用到PLC虛擬仿真實驗教學平臺的硬件設計中，以驗證硬件設計和接線的正確性。通過PLC虛擬仿真實驗教學平臺，學生還可進行多次驗證和調試，無需擔心編程錯誤導致的設備損耗，極大解決了設備和場地限制難題。另外，虛擬實驗平臺也可突破教學在時空上的限制，是教學模式的創新之舉。

3.強化師資培訓

要想提高教學效果，就必須提高師資隊伍的教學水平。為使教師具備PLC課程的授課能力，學校應加強對教師的培訓。第一，可邀請PLC領域的專家來校，向教師傳授PLC先進的教學理念、教學方法和教學經驗。第二，可成立教學研討組，組織教師參與教學交流和合作。第三，應為教師提供到企業實踐鍛煉的機會，讓教師親身體驗PLC的實際應用場景，學習PLC最新技術，從而更好地理解PLC的實際應用需求和面臨的挑戰。第四，應建立獎勵機制，對參與培訓、積極改進教學策略以及在教學活動中取得優異成績的教師給予獎勵和表彰，以激發教師的教學積極性和主動性。

4.整合跨學科課程

高職PLC教學應與機械、電氣、計算機等學科課程相結合，形成完整的智能制造技術教學體系，讓學生了解智能制造的綜合性和復雜性，提高跨學科綜合能力。第一，在進行PLC課程設計時，可融入不同學科的知識和技能要求，如將PLC技術與電路原理、自動控制理論、機械設計、人工智能等學科內容進行有機整合，使學生能夠綜合運用不同學科的知識解決實際問題。第二，可積極組織學生參與跨學科項目，讓其以團隊合作的方式，將PLC技術與其他學科知識相結合來解決實際問題或完成實際工作任務。例如，在設計智能家居控制系統時，學生要了解電力、電子、通信、計算機等多學科知識，將各種設備和系統有機整合起來。第三，應積極促進教師之間的協同與合作。跨學科教學需要多個學科教師的共同參與、共同設計、共同實施，學校要加強教學團隊建設，定期開展教學研討，讓教師分享經驗和教學資源，共同研究跨學科教學方法和策略，以幫助學生全面了解和應用相關學科知識，逐步提高綜合學習能力和問題解決能力。

5.優化培養模式

在具體教學實踐中，教師要以培養學生的工程實踐能力、創新能力等核心能力為目標設計課程體系，靈活制定教學方案和考核方式。第一，在教學內容的制定上，應以提升學生的工程實踐能力和創新能力為核心，結合“崗賽證”，專門制定諸如PLC產品創意設計、工業機器人創意設計、PLC創意設計等多種與PLC有關的創新創意設計內容。第二，可給學生布置相應的實踐課題，并鼓勵學生積極參與其中，以培養學生主動思考、自主研究的能力，或引導學生通過聽取各類學術報告和校園宣講，打開思路，發散思維，開拓視野，多維度、深層次、寬渠道地完成課題研究，以鍛煉和提高學生的專業素養和創新能力[8]。第三，要豐富教學方式，建立校內大學生創新實踐基地，定期開展大學生科技學術活動、科技制作活動，引導和鼓勵其參加校級、省級、部級的各類學科創新創業競賽，全面提高學生的創新能力、動手能力和工程實踐能力。

總之，在智能制造背景下，高職院校要積極推進可編程控制器課程教學改革，以適應產業變革和人才培養的新需求。在具體實踐中，要分析當前可編程控制器課程的不足之處，通過增加項目案例、構建虛擬實驗平臺、強化師資培訓、整合跨學科課程和優化培養模式等，提高學生的核心能力，提高師資隊伍的教學水平，從而達到高質量的教學效果。未來的PLC教育改革應致力于構建以項目實踐為核心的可編程控制器課程體系，充分利用虛擬實驗平臺等現代技術，持續開展前期的實踐教學和課程評估工作，為智能制造的高速發展提供強有力的人才體系支撐。

參考文獻：

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[3]劉東.高職院校PLC課程教學改革的思考[J].南方農機，2020，51（02）：111.

[4]馬金祥，姚文卿，張燕紅等.“電氣控制與PLC技術”課程教學改革探索[J].常州工學院學報，2022，35（03）：101-104.

[5]崔華楠，王國棟，鄭辛酉，等.我國高職院校學生崗位實習管理現狀分析與對策研究———基于202所高職院校及457家企業調研結果分析[J].中國職業技術教育，2022，（17）：5-12.

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[8]李偉.數字化制造技術在汽車生產制造中的應用[J].現代制造技術與裝備，2018，（01）：151-152.

Exploration of PLC Teaching Reform in Higher Vocational Education under the Background of Intelligent Manufacturing

Jiang Tianhui， Zhao Yuchao， Zeng Shengcai， Peng Xiaolei

（Xiamen Ocean Vocational College， Fujian Province， Xiamen 361012， China）

Abstract： In the era of intelligent manufacturing， there are new requirements for the programmable controller course in vocational education. Higher vocational colleges should actively carry out reform and innovation to adapt to the new needs of industrial transformation and talent cultivation. In the context of intelligent manufacturing， programmable controllers are closely related to fields such as data processing， robot control， intelligent production lines， and the Internet. However， there are problems with the disconnection between theory and practice， outdated experimental equipment， insufficient teaching staff， lack of subject integration， and a lack of emphasis on cultivating students’ core abilities in vocational programmable controller courses. In specific practice， it is necessary to increase typical project cases， build virtual experimental platforms， strengthen teacher training， integrate interdisciplinary courses， optimize training models， and further improve the effectiveness of course teaching.

Key words： programmable controller course； intelligent manufacturing； data processing； robot control； intelligent production line；internet