面向卓越工程师培养的PLC控制技术理论与实践课程教学改革探索与实践

许仙珍　单长考　邹萍

摘要 PLC控制技术理论与实践是针对自动化专业卓越工程师培养而开设的一门课。根据卓越计划的培养要求和PLC课程的特点，依托现有的实践和实验平台，围绕优化教学内容、教学方法、评价体系等方面进行改革，实施理实一体化教学模式。实践结果表明，改革后的课程教学更适应卓越工程师培养的要求，提高了学生工程设计能力和工程实践能力。

关键词 PLC控制；教学改革；卓越工程师培养计划

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）08-0148-03

1 引言

随着知识经济的到来，国家竞争的不断加剧，大学创新型人才培养的质量已成为影响我国综合国力和国际竞争力的重要因素。为此，国家教育部2010年启动了“卓越工程师培养计划”（以下简称“卓越计划”），其目标是培养和造就一大批能够适应和支撑产业发展、具有创新能力和国家竞争力的卓越工程师，重点是培养学生的工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力。要实现这一目标，突出能力培养的课程体系建设和实施是其中的关键。只有将卓越工程师的培养标准融入专业课程教学中，对教学模式、内容和方法进行改进，强化工程意识、素质与实践，才能保证卓越计划目标的实现。

PLC作为现代工业控制的三大支柱之一，与工业过程联系紧密，一直以来PLC控制技术这门课就是自动化、电气及其自动化等专业的主干课程。常熟理工学院自动化专业是“卓越计划”试点专业之一。原有的“理论+实践”分离式教学模式离卓越工程师培养目标还有一定差距。因此，按照卓越工程师培养的要求，对PLC控制技术课程教学开展一些探索性的改革与实践，把理论教学与实践教学合二为一，采取集中式一体化教学，课程也随之更名为PLC控制技术理论与实践（以下简称课程），突出工程能力的培养。本文主要围绕教学内容优化、实践平台建设、教学方法改革、评价体系建立等方面介绍课程教学改革探索与实践过程中的工作与经验。

2 教学内容的优化

PLC课程主要讲述PLC硬件构成、指令系统和实际应用，具有很强的实践性和实用性。目前市场上PLC生产厂家和型号非常多，功能也各有特点。根据苏州地区PLC市场占有率和卓越工程师工程能力培养的需求，选择西门子S7系列PLC，以其中的模块式S7-300PLC为主讲机型。授课的知识点包括PLC概述、硬件与组态、编程基础与指令系统、梯形图设计方法、PLC控制系统应用。通常的授课顺序基本上按硬件→指令→设计方法→控制系统设计的顺序进行。这样的授课顺序往往造成理论知识实际应用的时候会有脱节。如模拟量模块在硬件部分就已经介绍完，到最后才会用到相应模块进行模拟量采集，而此时学生已忘记模拟量模块接线和相关组态知识了。

因此在内容的安排上，对知识点进行了梳理，根据卓越工程师培养要求，以工程实践能力培养为目标，以任务为导向，以项目为载体，将知识点融入一个个具体的项目中去，形成教学模块。图1给出课程模块框图，根据项目的难易程度，分成基础篇、设计篇和综合篇三大块内容：基础篇主要介绍PLC硬件构成、组态和软件使用等基础知识点；设计篇主要介绍编程方法、程序设计与调试；综合篇主要讲述系统设计概念，从PLC三大典型应用（数字量逻辑控制、模拟量闭环控制和运动控制）中各提炼出一个典型工业应用案例，给出从硬件选型及接线、PLC编程调试到上位机人机界面设计与组态及通信设置整个系统的设计方案与实施过程及控制效果。调整后的每一个教学模块包括理论教学和实践训练两部分内容，知识目标和能力目标明确，具有较好的系统性和相对独立性，便于理实一体化教学的开展。

3 实践平台建设

实践课程是卓越工程师培养的重要途径，是巩固、加深理论知识，培养学生三大能力和提高综合素质的有力手段。PLC作为工业界主要控制器，该课程具有很强的应用性和实践性。为能有效地培养学生的工程实践能力和创新能力，学院从2011年开始加大投入，加强PLC实践平台建设。

目前，常熟理工学院拥有先进自动化技术联合示范实训中心、电气实践中心等PLC实践平台。先进自动化技术联合示范实训中心是学校与西门子（中国）有限公司于2011年联合共建并投入使用。该中心包括小型自动化控制系统、故障安全型自动化控制系统和集散控制与创新三个实验室。

小型自动化控制系统实验室配置6台套ST-200PLC、TD400C文本显示器和以太网模块，主要面向低年级和非电类理工专业学生的实践教学，是自动化卓越班学生大一暑期期间进行PLC认识性实习和操作技能训练的场所。

故障安全型自动化控制系统实验室配有15套实验装置，每套装置配置了CPU315F型号PLC、TP177触摸屏、MM440变频器和以太网模块，采用模块式结构，可通过组态搭建故障安全的自动化系统。实验装置配有西门子标准实验教学对象和五层模拟电梯实训装置，支持MPI、Profibus-DP、工业以太网等多种通讯方式，可设计单级控制系统，也可组网构建控制网络，主要面向高年级学生和社会技术人员进行培训，是培养卓越班学生工程实践能力和设计能力的主要基地。

集散控制与创新实验室定位于培养高素质、应用创新型人才。实验室配置了PCS7集散控制系统一套，高级多功能过程控制实训系统SMPT-1000两套和PROFIBUS现场总线仪表。所有实验装置构成一个高级冗余集散控制创新研究实验平台，主要承担每年一度的西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛学生队伍的训练、学生课外科技创新活动、教师科研等任务，是培养卓越工程师创新能力和工程应用开发能力的实验平台。

此外，2014年学校与昆山巨林公司合作建立数字化柔性制造生产线（电气实践中心），为培养学生的工程实践能力又增加了一个典型工程实践平台。这些实践平台的建设满足了不同层次的工程训练需求，为后续的理实一体化教学提供了良好的物质条件。

4 教学方法改革

PLC控制技术这门课一直以来是高职、高校工科类专业的必修课程。为增强该课程的教学效果，近10年来将案例教学法、项目教学法、仿真技术、任务驱动法等多种方式引入课程教学中，对课程教学进行改革。该门课程也是学校自动化、电气类专业的主干课程，经过多年的教学探索，本课程的教学方法和模式有了较大的改善，如教学方法上引入项目教学法、开发仿真对象、注重实践教学与考核、改善实践平台等。但是由于授课学生人数较多、实验设备有限等限制，授课方式仍是按传统的理论和实践分离式教学，教、学、做之间还有些脱节。

在教学内容优化规整、实践平台建成后，为了有效地培养学生的工程实践能力，达到卓越计划的培养目标，针对2011级自动化（卓越计划）的学生，主要从以下几个方面对PLC控制技术这门课程的教学模式和方法进行改革。

理论实践一体化教学 对现有的理论教学和实践教学进行改革，把理论教学、实验和实训环节整合在一起实施理论实践一体化教学，利用3周时间完成该门课程教学任务。理论实践一体化教学在自动化联合示范中心进行，前两周主要是知识点和操作技能的训练，完成基础类和设计类项目任务最后一周是综合项目设计，主要由学生完成项目的设计、实施，并撰写设计报告。教学过程中转变教师与学生的角色关系，强调充分发挥教师的主导作用和学生的主体地位，通过设定教学目标和教学任务，让师生双方边教、边学、边做、边讨论，丰富课堂教学和实践教学环节，提高教学质量。

项目驱动法教学 教学内容以工程项目为教学主线，设计不同的教学项目（如表1所示），每个项目包含若干个任务，巧妙地将知识点和技能训练融于各个项目之中。各个项目按照知识点与技能要求循序渐进编排，形成理实一体化教学模块。教学模块的目标明确可达，项目贴近实际工程，控制效果直观。项目驱动教学法明显提高了学生学习的积极性和参与度。

开放实验室和构建网络学习平台。促进学生自主学习 学院积极贯彻落实国家的卓越计划，提供广泛的开放实验平台，给学生提供课后练习机会。配以优秀的师资力量和常驻平台的学生，鼓励学生充分利用实验室资源，自主设计创新课题，积极参与校内、校外学科竞赛，坚持“以赛促学”，强化培养学生的工程能力和创新能力。此外，建立网络学习环境，提供全课程网络多媒体课件，建立完善的课程相关资料库，包括各种PLC手册、工程项目实例和控制算法等书籍，将一些知名的自动化网站推荐给学生，鼓励学生进行自主学习，增强终身学习能力。

5 评价体系建立

考核是检验教学效果的手段，评价是对学生学习的促进。为了实现对学生的团队合作精神、创新意识和综合实践能力的培养，该课程的考核评价体系主要建立在对学生参与课题、完成训练项目情况、创新能力等方面的考核，改变原有笔试为主的考核方式，将考核重心从试卷的理论知识转移到实际操作。本课程的考核分为实践操作、综合设计和笔试三部分。前两者主要考核学生项目设计、实施和创新能力，笔试部分也是以程序设计和问题分析为主。

此外，为了进一步激发学生兴趣和创新潜能、培育更多优秀的学生创新训练项目和科技作品，本课程还推出课程抵修和自主学习方式的考核标准，鼓励学生参加相关竞赛和创新项目，自主设计应用课题，通过现场答辩和成果展示的方式证明达到规定的考核标准，即可获得本课程的学分。第一轮考核下来，2011级自动化专业的学生已有11人次通过抵修和自主学习获得学分。

6 结语

卓越工程师培养计划以培养创新力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才为目标。根据自动化（卓越计划）专业的培养要求，本文以工程实践能力、创新能力和自主学习能力培养为核心，分别从教学内容、实践平台、教学方法和评价体系四个方面对PLC控制技术理论与实践课程的教学进行探索和实践。两学期的教学实践结果表明：理实一体化教学模式和项目教学法的采用，学生学习的积极性和主动性大大增强；实践平台的开放和贴近工程实际的控制对象的引入，给学生提供了很好的工程实践平台，学生的工程设计与应用能力得到很大提商形式多样、客观、灵活的考核和评价机制促进学生个性和创新能力的发展。

教学成效在近两年的学科竞赛和PLC认证中得到充分体现：2011级和2012级卓越班共61名学生中，获得全国大学生“西门子”杯工业自动化挑战赛华东赛区特等奖5人次、一等奖8人次、二等奖5人次，总决赛一等奖7人次、二等奖2人次；“OMRON”Sysmac自动化控制应用设计全国大赛二等奖2人次；2011级卓越班全体学生通过西门子公司PLC应用技能认证。

实践证明，理实一体化是一种行之有效的方法，能提高学生解决问题和工程实践的能力。但实行过程中还存在一些问题，如：如何进一步完善教学模块，使之能更符合企业的需求？团队协作能力如何能更有效地进行评价？如何有效防止学生互相拷贝？这些问题还需要教学团队在后续教学中摸索改进，从而进一步提高教学质量。