基于应用型人才培养的PLC课程改革与实践

2017-11-07李晓丹王晓磊黄海龙赵英

辽宁工业大学学报(社会科学版) 2017年5期

关键词：学时应用型软件

李晓丹，王晓磊，黄海龙，赵英，于涛

(辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州 121001)

基于应用型人才培养的PLC课程改革与实践

李晓丹，王晓磊，黄海龙，赵英，于涛

(辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州 121001)

以培养应用型人才为目标，提出了对PLC课程进行改革的必要性。文中分析了现有教学模式的不足，通过调整教学计划，加强学生对PLC课程的重视程度与实践创新能力的培养；通过项目驱动法与考核评价的建立，提高学生的团队合作意识与学习的主动性；通过引入虚拟仿真软件的教学方式，全面提升学生的实践能力。实践证明：本次改革使学生的动手能力、逻辑思维能力和工程应用能力得到了全面的锻炼，对应用型人才培养起到了促进作用，取得了良好的教学效果。

应用型人才；PLC课程改革；虚拟仿真；项目驱动法

目前，我国的高等教育已由过去的精英教育向大众化教育转变，原因在于学生毕业人数不仅巨大，而且生源质量也存在很大的差异，学校培养的人才与社会需求有些脱节。如何培养企业所需求的应用型人才是今后课程改革的重点[1-3]。与此同时，随着科学技术的发展，在工业领域中，采用PLC做控制器的自动化设备越来越普遍，PLC控制技术的应用型人才越来越匮乏，急需解决[4-6]。辽宁工业大学机械工程与自动化学院（以下简称我院）的PLC课程是机电专业的主干课程。传统的教学方式已不能满足企业单位的用人需求，因此非常有必要构建出一套完整适合于应用型人才培养的教学体系，以解决目前的PLC课程理论与实践脱节的问题。本文通过从调整教学计划、改革课堂教学模式，应用虚拟仿真技术与项目驱动法结合的教学模式，突出教学内容的工程性和实践性。经过教学实践达到了良好的教学效果。

一、调整教学计划

首先，学时及PLC课程性质发生变化。原来课程为选修课程，32学时，其中实验学时占6学时。由于是选修课、考查课，学生对这门课程不重视，学习积极性不高，达不到良好的教学效果。另一个重要原因是PLC是一门实践性极强的课程，学生学完的理论知识没有完全通过实践“消化”，同样达不到良好的教学效果；改革后课程性质变为专业技术基础必修课、考试课，学时变为40学时，实验变为16学时，加大了实践环节学时。其次，在实验内容上也发生了变化，之前基本都是验证性实验；改革后增加了综合性和创新性实验。这种改变加强了实验环节，提高了学生的动手实践能力，同时促进学生创新、动脑、理论联系实际的能力。

二、项目驱动式引入PLC课堂

传统的PLC教学中，都是老师按部就班地按课本章节进行教学，学生缺乏“主人”精神，讲授的知识如填鸭般地灌给学生，这样学生很容易没有兴趣和主动学习的热情，教学效果很不理想。针对此问题，本次改革引入项目驱动式教学法激发了学生学习潜能，效果良好。项目驱动式教学法是指在老师给定设计任务，通过团队或小组合作的形式，共同完成设计任务，从而完成一个完整的教学任务[7-9]。

（一）给定设计任务

教师结合课堂所学内容，利用多媒体软件播放一些日常生活中学生所熟悉的工程实例工作场景，使学生了解PLC技术在工程中的实际应用，自动化控制的奇妙。设计的任务应由简单到复杂，逐层深入，培养学生学习的兴趣。例如：三项异步电机的正反转控制，自动生产线传送带控制、交通信号灯的实现等。教师再根据课程内容将任务进行分解，根据所分解的任务学习相关知识点，突出知识点的重点和难点，使学生切身参与到分析学习中，充分调动学生学习的积极性，使在实现任务方案的分析讨论中掌握课程的知识点。

（二）实施分组讨论，培养团队意识

在项目实施过程中，首先针对任务进行分解，然后针对分解的具体任务进行分组讨论。学生分组的原则是将3～4名学生按能力进行分解，一组中不能全是能力强的学生，也不能都是能力较弱的学生，选择其中能力比较强的学生任组长负责任务的实施。任务实施的过程中，可以利用课余时间查找资料，成员之间的讨论等手段确定设计方案。在此期间，教师负责掌控方案设计的合理性和可行性，并对小组方案进行评价，指出优缺点及不足。方案结束后利用虚拟仿真软件进行硬件搭接、软件编程、调试运行，使学生完成对自己方案及程序的验证，加强对知识点的理解和巩固。通过这样的小项目的实施，可以改变传统的以教师为主体、以老师为主导的授课方式，转变成学生为主体，以学生为主导的课堂教学，不但可激发学生的学习的主观能动性和学习兴趣，还可培养学生的团队协作能力。

（三）建立项目评价机制作为平时成绩的考核

对学生项目的完成情况做出科学的评价，并作为平时成绩，最后计入期末总成绩。评价的方法为以小组为单位进行成果汇报，内容包括方案的设计及项目实施的过程中所遇到的难题及解决办法，心得和体会。小组汇报完后，教师给出评价，并给出成绩。在给出评价时，对学生所取得的表现和成绩要给予肯定的同时，也要对其不足提出改进意见，以便更加深入地理解和掌握所学内容，使学生的能力得到提升。这种方法还能锻炼学生的表达能力，培养学生的团队协作精神。

三、将虚拟仿真软件引入课堂，进行“虚实”结合，提高课堂效果

将虚拟仿真软件引入课堂，给学生构建一个虚拟的、形象的实践环境[10-12]，让学生在课堂上就能完成在PLC实验台完成的设计任务，使学生能够有更多的机会得到实践，丰富了教学手段。下面为本次教学改革引入虚拟仿真软件的实施过程。

（1）对于指令的练习，可以采用仿真软件进行随堂练习。通过仿真软件的指令联系，使学生明白指令的真正含义及如何应用，否则在黑板上讲指令，学生很快就会感觉枯燥乏味，失去了兴趣。如图1所示。点下仿真启动按钮，再点击I0.0、I0.1、I0.2下的开关，开关就会闭和，即表示I0.0、I0.1、I0.2有输入，而当Q0.0、Q0.1由黑色变为红色表示Q0.0、Q0.1有输出，程序中变红色的代表触点和线圈有效，黑色代表无效。通过这种手段，使学生可以迅速理解和掌握指令的用法和软元件应用，并掌握软件调试的方法，避免了学生写完语句不知道对错的情况，激发了学生学习的兴趣。

图1 指令练习图

（2）通过虚拟仿真软件实现项目驱动法教学。在搭接硬件电路时，电路的通断可以通过观察电流是否流过判别硬件接线是否存在连接问题，红色代表电流顺利通过，反之黑色表示线路不通，这样就可以简单地查找硬件问题。另外，由于实物实验台的演示也只能通过小灯的方式来演示，不够形象，且不能反应实际工作的场景。本次采用的虚拟仿真软件含有一个开放式的元器件库、多个3D控制对象，用户可以自己通过系统自带的各种功能部件，自由搭建用户所需要的电、液、气的自动控制系统。教师根据虚拟软件所带的元件库及3D控制对象，提炼出能够实现的工程项目，按给定项目的要求分给某个项目组。项目组成员首先针对项目要求给出设计方案，绘制电路控制原理图，然后在虚拟仿真环境中绘制硬件接线图，进行软件控制方案的设计及软件编程。接着进行调试、仿真，通过3D图形观察实验现象，验证硬件及软件的正确性。这一过程中肯定要遇到很多问题，需要成员间进行协作、讨论，让学生学会思考是何处出现了问题，是硬件问题还是软件问题，以此来找出解决问题的途径，最后教师给出综合评价。具体项目的三维仿真图片如图2、3所示。

图2 四节传送带三维仿真图

图3 液体混合三维仿真图

四、改革效果

通过本次改革，近年来学生的考试及格率均在90%以上，在未改革前及格率在80%左右。在指导课程设计和毕业设计等实践环节方面，学生的积极性得到了提高，完成的质量也得到提升，原因在于本次改革使学生对PLC的实践应用能力得到全面锻炼；同时已有很多学生将PLC控制应用到各类创新创业项目及科技竞赛项目完成作品的制作，如图4、图5所示。图4为校级大学生创新项目双轴伺服控制实验台，实现伺服机械手搬运过程的模拟；图5为参加省级机械创新设计大赛作品。

图4 双轴伺服控制实验台

通过调整教学计划和虚拟仿真软件与项目驱动法结合的教学方式，提高了学生对本门课的学习兴趣及主动性，学生的考试成绩得到了显著提高；同时通过硬件搭接检验了学生电路是否正确，通过虚拟仿真验证了所编制程序正确性；通过对仿真过程中遇到软硬件问题的解决，使学生解决工程实际问题的能力有了大幅度的提高。通过本次改革，已经使很多学生可以参与到机械创新设计大赛中做控制，并取得优异的成绩，对应用型人才培养起到了促进作用。