《PLC应用技术》课程教学改革的研究与实践

袁琦　刘晓梅　易细龙

摘要：PLC应用技术是一门实践性、综合性很强的专业课程。根据新时期电气工程及其自动化专业建设的要求，结合课程的特点和存在的问题，在教学内容改革、实验教学改革等方面进行了探索。实践证明，这些改革既提高了学生对PLC应用技术基本理论的掌握，又提高了分析问题和解决问题的能力。

关键词：可编程序控制器（PLC）；教学内容；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）04-0122-03

可编程序控制器（PLC）是以微处理器为核心，将继电—接触器控制技术、自动化技术、计算机技术和通信技术融为一体的一种新型工业自动控制装置，具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于扩展、调试维护方便等一系列优点，在工业自动化、机电一体化、传统电气控制技术改造等方面得到了广泛的应用。[1，2]目前，PLC应用技术已成为普通高等学校电气工程及其自动化专业一门很重要的专业课程。

PLC应用技术是一门实践性和综合性都十分强的专业课程。然而，在科技迅猛发展的大背景下，新时期学科专业建设增设了不少新的课程，很多专业课程都面临着缩减学时的压力，PLC应用技术这门课程也不例外。因此，为使学生在有限的时间内真正掌握好这门课程，我校PLC应用技术课程组教师从课程内容设置和改革实验教学等方面进行了探索，并取得了较好的教学效果。

一、教学内容改革

在PLC出现之前，工业控制领域中占主导地位的是继电—接触器控制，PLC控制系统是在继电—接触器控制系统和计算机控制系统基础上发展起来的。在PLC课程设置初期，《电气控制技术》和《PLC应用技术》两门课程同时并存，前者设置了24学时的理论教学和8学时的实验教学，后者设置了34学时的理论教学和8学时的实验教学。但自2004级起，根据新时期学科专业建设的要求，在遵循“重基础、宽口径、多方向、强应用”的原则下，各专业增设了一些新的课程。为解决课时缩减和教学内容的矛盾，我校对《电气控制技术》和《PLC应用技术》两门课程进行了整合，调整为“电气控制及可编程序控制器技术”一门课，总学时压缩为50学时，其中理论34学时，实验16学时，并且大幅度地压缩了继电—接触器控制部分的内容，基本上是以一章篇幅内容对该技术作了简要介绍，大部分学时是用于讲授PLC应用技术。经过实际教学我们发现，这样的整合，表面上学时是压缩下来了，但教学效果远不如前。出现这样的教学效果，我们认为与课程内容设置不合理有直接的关系，特别是对继电—接触器控制技术只作简要介绍，不管从深度还是广度上都是远远不够的，因为继电—接触器控制技术既是PLC技术产生的基础，又是PLC控制实际系统中的桥梁和纽带。再者，学生没有一本合适的参考教材，也是其中一个重要原因。学生仅靠教师在课堂上的讲授，是很难做到完全理解和消化的。为此，课程组以进一步调整该课程内容为契机，在机械工业出版社的大力支持下，编写了《现代电气控制与PLC应用技术》一书。编写时，在继电—接触器控制部分主要介绍其基本理论和设计思想，为学习PLC技术提供必要的基础；同时大大缩减继电—接触器控制应用的相关内容，以满足整门课程学时的要求。另外，在合理设置继电—接触器控制技术与PLC控制技术内容的基础上，还介绍了一大批如FXON-3A、RS485-BD板等现代新器件、PLC与变频器的综合应用、PLC在数控机床中的应用，以及CC-Link现场总线等新技术。该教材为电气工程及其自动化专业的学生提供了一本系统、全面的学习参考书。通过学习，既使学生掌握了本课程的基本理论、基本技能，又培养了他们对新技术的应用能力。

二、实验教学改革

根据《中共中央国务院关于深化教育改革，全面推进素质教育的决定》的文件精神，在调整和改革课程体系、结构和内容的同时，各高等院校还应深入扎实开展实验教学工作，加强专业课程的实验的综合性，以培养学生的综合应用能力和实际操作能力。[3]PLC应用技术是一门工程应用性很强的专业课程，其实验教学的目的不仅要让学生在基本实验技能方面得到培养，而且还应让学生在专业知识的综合运用能力、工程意识以及创新能力等方面得到一定的锻炼和培养，这是本课程实验教学改革的方向。

PLC应用技术这门课程在电气工程及其自动化专业的教学计划中，是安排在三年级的下学期开设的。由于在这之前学习了电路原理、电子技术、计算机基础、自动控制原理等专业基础课程，有了一定的专业基础知识和基本实验技能，因而学生对参照实验指导书，机械地按照步骤在实验装置上操作的、以验证为主的传统实验模式基本上没有多大兴趣，呈现出来的面貌是被动地来上课，消极地进行实验。通过与学生的交流，发现他们感兴趣的是希望实验内容能够更多得贴近实际，希望体会到所学知识在实际工作中确实有一定的作用，以使自己的实践能力真正得到锻炼。因此，为培养学生的工程意识和学科知识的综合运用能力，我们对PLC应用技术这门实践性较强的专业课程的实验教学进行了改革，以PLC在工厂、企业中的较典型的应用为依托，探索出了综合性工程项目式的实验教学模式。

（一）综合性工程项目式实验的特点

综合实践教学是高等学校培养高素质、复合型工程科技人才的重要环节。综合性实验是指实验内容既可以是涉及本课程的综合知识的实验，也可以是与本课程相关课程多个知识点的实验，由学生综合自己所学知识和已掌握的基本实验技能，对解决实际问题的能力进行综合训练的一种复合型实验。[4]综合性实验具有以下特点：（1）实验内容的复合性；（2）实验方法和手段的多样性；（3）实验结果的未知性；（4）学生学习的主动性；（5）人才培养的综合性。学科知识的综合应用是综合性实验的重要特征。综合实践教学是一种激发学生求知兴趣，提高学生综合素质，培养学生创新精神和实践能力的新型教学模式，目前正在很多学科的实验教学中得到积极的尝试和探索。[5，6]endprint

实验教学改革是高等教育改革的重要组成部分，作为实验教学的主要环节，实验教学模式改革近年来受到普遍关注，[7]其中，将工程项目式教学模式引入实验教学中已成为实验教学研究的热点。项目式教学模式是由美国著名教育家、伊利诺伊大学教授凯兹博士和加拿大教育家、阿尔伯特大学教授查理博士共同推创的一种以学生为本的教学方法，它是师生通过共同实施一个完整的或设计的项目工作而进行的教学活动。[8]工程项目式实验是指，所有设计的实验项目以工程项目为背景，紧密联系工程实际，即以满足实践所需的项目为目的而开展的教学过程。[9]工程项目式实验注重培养学生树立工程观，提高学生的工程实践能力。

工程项目式实验其特点是，以工程项目为背景，使实验更有针对性、系统性和整体性；整个实验过程中以学生为主体，以教师为主导，学生积极主动发现问题、探索问题并最终解决问题。

（二）综合性工程项目式实验项目设计原则

由于工程项目式实验强调的是学生的主体作用，学生主要以自我教育的方式获取知识，即在实验过程中，以学生为主、教师为辅，学生有足够的自主性和灵活性。因此，实验项目的设计是非常重要的一个环节。每个项目的设计，都要求能够突破与项目相关课程的重点和难点，让学生对项目中的问题有深入的理解。同时要求教师对项目中所涉及的知识点、难易度有较准确地把握。

一般来说，综合性工程项目式实验项目的设计基本上遵循以下原则进行。

1.实验内容尽可能来自于工厂、企业的实际应用中，且具有较典型的意义和价值，以培养学生树立工程观。

2.在明确教学目标的前提下，实验规模适中，难度适宜。实验项目不能太小，也不能过于庞大。太小则所涉及的知识点少或单一，知识点之间的关联性差，达不到预期的锻炼效果；太大则学生无法在有限的实验学时内完成，导致实验流于形式。

（三）PLC实验项目设计实例和实施

在我校电气工程及其自动化专业的教学计划中，PLC应用技术课程的实验学时为16学时。根据教学要求，把实验教学分为两部分，即基本内容练习实验和能力提升综合应用实验。其中，基本内容练习实验为4学时，主要用来熟悉和掌握PLC编程软件的使用方法，PLC的在线操作、基本电路的程序设计与调试方法等。能力提升综合应用实验为12学时，这部分共设计了三个实验，属于工程应用实例，用于工程教育。第一个实验的题目为“基于PLC的电机控制系统设计—电动机自耦变压器降压起动PLC控制系统设计”，实验内容来自于电动机使用量较大的某些工厂和企业，项目所涉及知识点相对较少，主要包括三相异步电动机起动、继电—接触器控制和PLC等方面的内容，但具有一定的工程应用性。这个实验属于小型工程应用项目，实验时间设置为3学时，目的是使学生建立工程项目的概念。实施时，分成三个步骤来完成。第一步，由教师给学生提出电动机的具体控制要求，即：（1）任意一台电动机在起动过程中，其他电动机都不能起动；该电动机起动结束后才能起动下一台电动机；任何电动机不论是停止，还是运行都不能影响正在起动的电动机。（2）起动任何一台电动机时，首先使该台电动机与自耦变压器连接，降压起动，不应有直接起动的可能性。（3）控制系统应具有较强的容错能力，即使出现误操作，也不应出现有危害人身安全和设备安全的情况。（4）对电动机应有必要的保护措施，如过载、过电流保护等。第二步，实验设计。实验小组根据项目的具体要求，自行设计控制系统电路主接线图、PLC的I/O分配图、实验程序等。考虑到实验学时的限制，这一步所有工作均安排学生在课外完成。第三步，联机实验。学生进入实验室后，在断电状态下，将计算机与PLC连接好，开始实验。实验操作包括程序下载、在线调试、运行监控等，当系统功能达到控制要求后，结束实验。

这个项目所涉及的知识点虽然相对较少，但内容来自于实际，且所有环节由学生自己独立完成。所以，通过这一项目，让学生感觉到了实验不是枯燥的，而是生动有趣的，提高了他们主动学习的积极性，从而为其全面掌握相关课程知识和提高实际动手能力奠定了基础。同时也为逐步改变他们过去被动地来上课，消极地进行实验这一学习状态起到积极作用。

为进一步提高学生分析和解决实际问题的能力，后面接下来的两个实验，在实验内容和难点方面都作了一定程度上的增加。第二个实验的题目是“用PLC和变频器实现对工业洗衣机的综合控制”。因为有前一个实验的基础，学生对这个项目的实验设计基本上没有多大问题，他们大部分的时间和精力是花在了解、学习新增知识点和控制程序优化等方面，如新增部分变频器的结构、原理、使用以及梯形图程序编程方式的选择等。与第一个实验相比，实验内容和难度都有增加和提高，为保证学生能较好地完成整个实验，后面两个实验的学时增加到4～5个学时。这种目标具体、升级适度的阶梯式综合性工程项目式实验，使学生在每个实验完成后都能信心倍增，觉得学有所用，有成就感。几个实验下来，不但进一步增强了学生对所学专业的兴趣，而且还使学生自己在发现问题、分析问题和解决问题上的能力得到了进一步提高。

（四）实验的考核方式

实验考核方式也是实验教学改革的一个重要方面。在传统实验教学中，实验成绩评定主要是依据学生的出勤率和每次实验后提交的实验报告，而实验过程中学生分析问题、解决问题的能力往往被忽视，这样造成了很多学生做实验时只是敷衍对待，在撰写实验报告时只考虑实验报告的篇幅和整洁程度。因此，实验教学最终结果将是流于形式，未能发挥其应起到的作用，学生的实际动手能力没有真正得到锻炼。专业课实验的目的主要是锻炼学生的动手能力和应用能力，尤其是像PLC应用技术这类实践性较强的专业课实验。因此，根据前述实验项目的分类，我们把PLC应用技术这门课的实验分成基本实验和能力提升综合应用实验两大块来进行考核。其中，第一大块占20%，主要由出勤率、实验态度、基本方法和技能、实验报告等内容组成。第二大块占80%，主要包括实验方案设计、实验技能、实验报告等内容。经实际操作后，学生普遍反映，这种考核方法能极大地调动他们学习的积极性和主动性，提高他们对实验课的重视程度，能全面客观地评价每一位学生的实际水平，同时还有利于提高他们分析问题和解决问题的能力。

三、结语

根据新时期高等学校学科专业建设的要求，专业课程教学改革势在必行。本文针对PLC应用技术课程的教学进行了改革，主要从课程内容的设置、实验教学改革等方面进行了探索。经过近几年的实践，我们体会到，在教学内容的设置方面，必须充分考虑到课程前后知识体系的联系与衔接，以便于学生更好地理解和掌握各个知识点；在实践教学方面，要结合课程的特点，对像“PLC应用技术”这一类实践性较强的专业课，在实验教学过程中，需要根据实验条件，开设一定数量的综合性工程项目式实验，对提高学生综合运用所学知识和解决工程实际问题的能力是十分有益的。

参考文献：

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