PLC實驗課程教學與創(chuàng)新能力培養(yǎng)

0 引言

隨著信息技術的發(fā)展，生產智能化已成為當今社會生產技術的發(fā)展趨勢，社會需要更多創(chuàng)新能力強的智能化人才。但是，目前高校主要是培養(yǎng)知識型人才，對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)相對欠缺。缺乏創(chuàng)新能力的知識型人才踏入企業(yè)還需要經過相當長時間的打磨才能滿足企業(yè)發(fā)展需求，這使他們在就業(yè)市場里相對缺乏競爭力，給他們帶來比較大的就業(yè)壓力[1-3]。當然，高校理工科都有實驗課，對培養(yǎng)學生的實踐能力起到非常積極的作用。然而，高校理工科實驗多是驗證性實驗，幫助學生更加直觀地理解掌握理論知識，對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)相對欠缺。因此，高校需要開展更多的創(chuàng)新綜合型實驗項目。

PCL（可編程邏輯控制器）是一種用于自動化控制的具有微處理器的數位邏輯控制器，是微機技術與傳統(tǒng)的繼電器接觸控制技術的結合體。PLC作為通用工業(yè)控制計算機，實用性強，方便易學。它接線容易，采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使編程更形象、直觀，易于為工程技術人員所接受，即使沒有掌握專業(yè)的計算機編程語言知識也能上手。在理工科院校或專業(yè)中，PLC類課程是重要課程之一[4]。傳統(tǒng)的 PLC 實驗課程缺乏綜合性和設計性實驗，重在加強對基本指令知識的掌握和軟件操作。由于實驗器材的限制，兩個學生為一組做實驗，無法保證每個學生都能動手操作。實驗評價更重視實驗結果和實驗報告而忽略實驗過程，不利于全方位提升學生的實踐能力與創(chuàng)新能力，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新人才。此外，理論課和實驗課分割不利于“理論用于實踐，實踐反過來促進理論學習”教學理念的貫徹[5]。

基于此，本文提出的PLC課程將理論課和實驗課相結合，將傳統(tǒng)基本實驗和創(chuàng)新綜合設計實驗有機結合，并引導學生將課堂所學用于解決企業(yè)生產中遇到的問題，實現多維度培養(yǎng)和提升學生的創(chuàng)新能力和將理論應用于實際的能力[6]。

1課程結構與實施

實驗中心開設的PLC課程主要分為PLC原理和PLC實訓兩大模塊。

1.1 PLC原理

這部分課程主要給學生講解PLC的理論知識，包括PLC基礎知識、三菱系列PLC介紹、PLC的程序編制、PLC的基本指令和功能指令。課程目標：學生能認識了解PLC的基本知識，學會PLC基本編程技能和各種功能指令的使用方法，大概六個課時。

1.2 PLC實訓

學生學習理論知識和技能后需要將其應用到實踐中，實訓課程是培養(yǎng)學生動手能力的核心。實訓部分包括三個內容：實訓要求、PLC實驗裝置和編程軟件介紹、PLC實訓內容。

1.2.1 實訓要求

開展實訓課前，先跟學生講清楚實訓要求，包括：實驗前預習、實驗注意事項、實驗記錄和實驗報告要求、實驗室守則和實驗室安全等。

1）實驗前預習。預習是課前必備環(huán)節(jié)，對實驗的順利開展和提高實驗效率至關重要。學生需要提前了解實驗原理、實驗內容和實驗步驟，了解所用實驗設備的使用方法。因前面已經學習了相關理論知識，實驗課上只給學生快速講解實驗原理和設備使用方法，以便學生有更多的時間進行實驗操作，提高實驗效率。學生必須按要求做好課前預習并撰寫預習報告，教師在課堂上檢查學生的預習報告，沒有預習報告或者預習報告不及格的，不予批準做實驗。另外，在預習報告中設置相關題目讓學生回答，有效避免學生應付了事，同時題量不大，避免學生產生厭倦情緒。

2）實驗注意事項。良好的操作程序和習慣是實驗高效進行的保證，也是實驗設備能持續(xù)長久運行的根本。要求每個學生按指定編號就座，以便統(tǒng)計各個學生所使用設備的故障率，從而分析學生操作是否得當，對因不正確操作導致設備損壞的學生，視情節(jié)嚴重程度給予相應處罰。學生開展實驗時不能隨意搬動設備，要輕拿輕放，對按鈕和旋鈕用力不能過猛、過快，需要慢慢調節(jié)并待視數穩(wěn)定后再讀數。數據測量完畢后先斷開電源，待教師檢查簽字后方可拆除線路。實驗結束后需把設備和桌面還原到實驗前狀態(tài)方可離開實驗室，從而養(yǎng)成良好的實驗習慣。

3）實驗記錄和實驗報告要求。向學生講清楚實驗需要記錄的內容和實驗報告要求，學生需按要求撰寫實驗報告并在下次課前統(tǒng)一上交，對無故不交報告或遲交報告者視情節(jié)給予相應處分。

4）實驗室守則和實驗室安全。向學生宣讀實驗室守則并要求嚴格遵守，強調必須愛護實驗設備、節(jié)約使用實驗材料，不得隨意調換實驗設備更不能取走實驗室器材，否則給予紀律處分。實驗室安全是重中之重，學生不得在通電情況下接線或更改接線，所有實驗操作必須在斷電情況下進行，接好線路后需檢查確認無誤方可通電。禁止違規(guī)操作，實驗過程中嗅到焦味、看到冒煙和火花或發(fā)現設備過燙等異常現象，應立即切斷電源并報告教師，待排除故障后方可開機，嚴禁私自處理[4]。

1.2.2講解PLC實驗裝置和編程軟件

給學生介紹實驗設備結構、性能指標、功能和使用方法，并介紹涉及的多種功能的擴展模塊和實物模型，激發(fā)學生的興趣。給學生講解設備的接線端口與接線的原則和方法。最后，向學生講解所用到的軟件及其使用方法。

1.2.3 實訓內容

前期的講解都是為了規(guī)范學生的實驗操作和習慣，確保實訓的順利高效運行。實訓內容包括基礎實驗和綜合設計實驗。

1）基礎實驗主要包括：基本指令的編程練習、十字路口交通燈控制模擬、五相步進電動機模擬、LED數碼顯示控制模擬、裝配流水線模擬等項目。這部分實驗內容旨在讓學生熟練掌握應用基本指令，實現工作生產的一些簡單控制模擬，體會實際應用的樂趣并能在快樂學習中打好PLC技能基礎。

2）綜合設計實驗主要包括：小車綜合運行控制、爬行機器人控制、智能溫室控制、四層電梯模型和門禁實物系統(tǒng)模型等實驗項目。學生通過前期基礎實驗已掌握PLC的一些基礎應用實驗技能，熟練掌握編程技巧，可以進行綜合設計實驗。綜合設計實驗是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力應用所學技能解決實際問題能力的重要環(huán)節(jié)。學生需要開闊思路，自己設計實物模型實現相應功能，并能通過改變程序改變模型運行模式。實物模型就是科技生產和日常生活中實物的縮影，通過這部分實驗訓練，學生能掌握科技產品的運行原理和模式，有效提升創(chuàng)新思維，激發(fā)創(chuàng)造發(fā)明新科技產品的斗志和信心[7-8]

2 課程案例

2.1基礎實驗：LED數碼顯示控制

1）向學生介紹實驗器材和使用方法。實驗器材有PLC可編程控制實驗箱和LED數碼顯示控制擴展模塊、導線若干。

2）讓學生明確實驗目的。掌握置位與復位指令在控制中的應用及其編程方法。

3）向學生講解實驗原理。講解SET置位指令和RST復位指令的功能。SET目標操作元件為Y、M、S，RST目標操作元件為Y、M、S、D、V、Z、T、C。兩條指令占 1～3 個程序步。用RST可以將定時器、計數器、數據寄存器、變址寄存器的內容清零。控制要求：按下啟動鍵后，八段由LED發(fā)光二極管模擬的數碼管開始顯示：先按 A～H 的次序一段一段地顯示，然后按 0～9 、A、B、C、D、E、F的順序顯示數字和字母，再返回初始顯示并往復循環(huán)。

4）實驗過程。按照輸入／輸出接線列表進行連線，按梯形圖參考程序（圖略）自行輸入梯形圖，將其轉換為指令表語句并傳送至PLC，運行程序并記錄實驗現象。問題分析：此控制系統(tǒng)一共有24個狀態(tài)，由24個輔助繼電器記錄當前所處狀態(tài)，請分析當M201為ON時，八段數碼顯示輸出 A～H 的狀態(tài)分別如何，顯示結果又是什么？課后學生需按要求完成實驗報告并在下一次課前提交紙質版實驗報告。

5）實驗評價。主要從課堂實驗表現和實驗報告兩方面對學生實驗作出評價，再給出最終實驗成績。對于課堂表現，需要指導教師密切觀察學生實驗表現，包括實驗操作流程是否規(guī)范、完成實驗的時間、實驗過程中遇到問題如何解決、完成實驗后是否整理實驗器材等；對于實驗報告，從實驗記錄現象，問題分析，實驗報告格式、完整性、書寫等方面作出綜合評價。該實驗為基礎實驗之一，主要目的是讓學生掌握PLC的基本操作和應用，為綜合

設計實驗打下堅實基礎。

2.2綜合設計實驗：六足機器人動作設計與實現

1）介紹實驗器材。實驗器材包括六足機器人（圖1左）、控制器（圖1右）、PLC可編程實驗箱。控制器與機器人可無線連接，控制器上半部分為機器人控制信號端口，下半部分為8路自復位按鈕開關。控制器需要外接24VDC電源，用單獨的電源開關控制。實驗用六足機器人有六足18個關節(jié)并配18個舵機，可模仿自然界節(jié)肢動物部分動作，學生通過編程可實現六足機器人多功能運動。

圖1六足機器人和控制器

2）實驗目的。了解六足機器人工作原理，通過PLC編程實現六足機器人多種動作行為，為開發(fā)新控制程序打下基礎。

3）實驗過程。按照講義中輸入輸出接線分配表進行接線。按照實驗面板設計編寫PLC控制程序并畫出梯形圖，簡單描述六足機器人運動過程并演示運動效果，錄下運動過程視頻。對實驗過程和結果進行反思，學生按照各自想法設計六足機器人運動并編寫梯形圖，觀察六足機器人實際運動情況是否與所設計的運動情況和梯形圖相符，如果不符，思考并尋找原因，修改程序梯形圖，直到實現設計動作。課后按要求完成實驗報告，要求把實驗過程中出現的問題、問題原因分析和解決方法等詳細記錄在實驗報告中。

4）實驗評價。該實驗屬于開放設計性實驗，沒有標準的實驗流程，可充分發(fā)揮學生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學生的創(chuàng)造欲望。學生可按自己的想法在實驗條件允許的情況下進行實驗設計并驗證實驗效果，從而增強實驗興趣，提高實驗課效率。根據學生設計的機器人動作的復雜程度、運行的連貫性、實際效果、其間出現的問題及問題是否得到解決、實驗報告分析的完整性與合理性等對學生本次實驗作出評價打分。

做本實驗前，學生已經掌握一定的PLC實驗基礎，具備設計PLC實驗程序控制操作實物模型的知識儲備。通過編程將設計的六足機器人動作展示出來，提高學生應用PLC實驗程序進行實物模型控制操作的能力。學生從中能感受到成功的喜悅，增強自信心，提高學習熱情；學生在實驗過程中也會遇到挫折和失敗，通過分析失敗原因，尋求解決問題的方法，增強抗壓能力，提升解決問題的能力。這些正是學生需要的能力，更是他們以后步入社會所需要的重要能力。實物模型控制實驗教學是PLC實訓課程的重要一環(huán)，后期將開發(fā)更多的實物模型實驗項目，如電梯模型、門禁系統(tǒng)、材料分揀系統(tǒng)、溫室控制系統(tǒng)等。這些項目將豐富實驗課程內容，切實提高學生的實操能力和創(chuàng)新思維能力，為國家和社會培養(yǎng)高素質人才[9]

3 課程拓展

PLC實驗課程的主要目的是讓學生掌握PLC基本原理和應用相關知識技能解決實際生產問題。實驗部分從前期基礎實驗掌握PLC基本操作和編程要領，到應用PLC技能進行實物模型操作控制，由簡入深，循序漸進，從而增強課程效果，更加有效地實現課程目標，使學生得到極大的鍛煉，提升動手能力和解決實際問題的能力。另外，通過PLC實驗課程的學習，學生已經掌握一定的PLC應用技能，具備初步的應用PLC技能解決實際問題的能力，在此基礎上，可以將此課程進行拓展，如參加一些大學生實驗大賽。學生可以根據大賽要求自行設計實驗方案，創(chuàng)作實驗作品參賽，進一步提升創(chuàng)新能力與動手能力。

此外，還可以與相關企業(yè)合作，讓學生到企業(yè)實訓，感受和課堂學習的區(qū)別，從而更加深刻地認識到學習的重要性，提升學習自主性，明確學習目標[10]。企業(yè)可給學生提出一些生產上遇到的問題，讓學生嘗試給出解決方案并驗證方案的可行性和效果。年輕學生思維活躍，或許能給企業(yè)帶來更多元的視角，同時，學生站在技術工程師的角度，應用所學技能為企業(yè)出謀劃策，不僅能提前了解社會大生產對技術人才的需求，還能獲得更多實踐鍛煉的機會，有助于畢業(yè)后快速融入社會并為社會作出貢獻。

4創(chuàng)新能力培養(yǎng)

創(chuàng)新能力對增強國家綜合國力、促進社會發(fā)展至關重要。高校是為國家和社會培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要基地。本文以PLC實驗課程教學創(chuàng)新為例推進學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，首先要重視思想創(chuàng)新。在PLC實驗課程教學中，教師要和學生講清楚該課程與生活生產聯系比較緊密的例子，讓學生知道學習本課程能有什么用途和需要掌握怎樣的技能，激發(fā)學生的興趣和創(chuàng)新意識。其次是重視培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。大家都知道創(chuàng)新能力的重要性，但怎么去創(chuàng)新？教師在PLC課堂中，應重點教學生創(chuàng)新的思路和方法，如機器人可以實現什么樣的動作？什么樣的動作更美觀？怎樣設計程序去實現？需要用到哪些所學知識？也可以在每個實驗中讓學生修改程序改變某個功能，還可以提出一些問題讓學生思考，等等。然后強調方法創(chuàng)新，即實現同樣功能是否有不同方法，哪個方法更優(yōu)。總之，就是要學生多動腦、多動手并多反思[1]

5 結束語

PLC實驗課程教學提倡將理論和實踐相結合，由淺入深，循序漸進，環(huán)環(huán)相扣，逐步培養(yǎng)學生的邏輯思維和創(chuàng)新能力。前期開展理論學習，然后進行基礎實驗訓練鞏固理論知識，掌握基本實驗技能，接著應用所掌握的知識和技能進行綜合設計實驗，最后參加相關比賽乃至為企業(yè)解決實際生產問題，切實用所學知識服務社會。

6參考文獻

[1］李幼真，徐富新，何彪，等．面向拔尖人才培養(yǎng)的大學物理實驗教學改革實踐［J].大學物理實驗，2023，36（1）：149-152.