智能制造背景下的高职PLC教学改革探究

江田辉 赵玉超 曾胜财 彭晓雷

摘要：智能制造时代对高职教育中的可编程控制器课程提出新要求，高职院校要积极进行改革创新，以适应产业变革和人才培养的新需求。智能制造背景下，可编程控制器与数据处理、机器人控制、智能化产线、互联网等领域密切相关，但高职可编程控制器课程存在理论与实践脱节、实验设备过时、师资不足、缺乏学科融合、不注重培养学生核心能力等问题。在具体实践中，要增加典型项目案例、构建虚拟实验平台、强化师资培训、整合跨学科课程、优化培养模式，进一步提高课程教学效果。

关键词：可编程控制器课程；智能制造；数据处理；机器人控制；智能化产线；互联网

中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：1008-3561（2024）02-0105-04

基金项目：本文系厦门海洋职业技术学院教育教学改革研究与实践项目（编号：JWJB202202）的研究成果

随着科技的日新月异和产业的不断变革，智能制造正成为推动工业革命的重要力量。工业和信息化部等八部门联合印发的《“十四五”智能制造发展规划》指出，智能制造将成为制造业的主流，并表明国家对制造业数字化发展的充分重视和支持。智能制造以网络、云计算、大数据和人工智能等技术为基础，以数字化、柔性化和智能化等生产方式为主，可使生产效率和质量得到显著提高[1]。作为智能制造的核心技术之一，可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）具有操作简单、可靠性高、功能强大等特点，广泛应用于现代工业中的自动化控制领域。随着智能制造的高速发展，PLC的使用范围也越来越广，并呈现出新趋势，其不仅是实现工业自动化控制的硬件设备，还通过优化软件建设，实现更为智能的控制，如人机界面（HMI）的界面操作、在线监测、数据采集和分析等。高职PLC控制技术是一门实践性很强的课程，其教学改革一直是国内外研究的重点课題。长江工程职业技术学院的周亚芳等从具体学情出发，提出基于“课堂革命”的课程整体设计思路[2]；聊城职业技术学院的刘东认为，专业教师要在掌握专业课程内容、学生就业前景等情况下，整合学科内容，梳理专业知识，强化实践训练，根据不同专业学生的需求开展教学改革，以实现高职教育目标，满足学生的就业需求[3]；常州工学院的马金祥等提出借助虚拟仿真技术，采用项目驱动教学法开展教学改革探索[4]。国外的PLC教学改革以德国的“双元制”人才培养模式最为典型。其根据企业项目创设教学情境，并按照企业工作全流程展开教学，让学生采取自主学习、自主探究、小组合作等方式，通过项目分析、项目实施、项目总结等环节获得知识与技能。但目前的高职PLC教学效果并不理想，导致培养的学生不能满足企业需求。本文从智能制造的背景和发展趋势出发，针对高职教育中的可编程控制器课程教学现状，提出相应的教学改革策略，以期适应智能制造背景下的产业变革和人才培养需求，为社会培养出更多具有多技能、高素质的应用型人才。

智能制造是指在数字化、网络化、智能化和柔性化的环境下，实现产品和生产方式的智能化和高效化[5]。随着信息技术的发展和网络的普及，智能制造已成为推动制造业转型升级、提升生产效率的重要方式。在智能制造背景下，PLC在工业自动化领域的应用范围也不断扩大。智能制造的发展趋势及PLC在其中的应用主要体现在以下几个方面。

1.数据处理

随着智能制造的不断发展，现在的工厂变成了数据中心，数据的收集、分析和应用成为驱动智能制造的核心。基于开放的数据架构，不同的数据源之间可以互相连接，使得整个生产线的数据实时同步。PLC具有强大的数据处理能力，集数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能于一体，可以进行数据采集、存储与处理。这些数据可以通过串口、以太网和OPC通信等多种方式传送到其他智能设备或软件平台。具体而言，在智能制造系统中，PLC可以通过采集生产过程中产线、设备、物流等的运行状态、环境参数、工况（如压力、温度、振动、应力等）等数据，并通过对数据的分析和应用，让企业实时了解产线的生产状况，进而对生产过程进行更加精确的调度和优化，以提高生产效率和质量。未来，PLC将会越来越多地应用于数据采集和分析领域，帮助企业实现更加高效的生产。

2.机器人控制

工业机器人具有强大的计算能力以及高速、高精度和高重复性等优点，可以完成复杂的任务，如抓取、焊接、装配、加工等，有利于提高生产线的效率和品质。作为工业机器人控制系统的核心部件，机器人控制器负责接收来自PLC或其他传感器的指令，并进行相应的运动和操作，如进行数据交换和通信，共同构成智能自动化系统的大脑，确保整个系统之间的稳定和高效运行。随着科技的不断进步，PLC及机器人控制器将发挥更重要的作用，推动智能制造的高速发展。

3.智能化产线

智能制造要求其产线可以实现生产过程的自我诊断、故障排除、预测性维护，并可根据实际情况进行自动调整和运行优化，以提高行业的自适应能力和竞争力。当前，人工智能技术在研发和应用方面取得重要进展，基于先进的机器学习和深度学习算法的PLC产品，具备智能决策和学习能力。这些产品能够根据实时数据进行智能分析和预测，优化生产过程并提高效率。

4.互联网

随着工业生产规模的不断扩大，传统的单一设备控制和小范围控制的PLC设备的需求正在逐步减少，规模经济也要求大型PLC设备能够实现设备间和厂区间的跨界控制。在5G技术普及的新背景下，实现与互联网的连接是PLC发展的必由之路，其基于大数据、云计算和物联网技术，可实现生产资源的高度共享和合理配置，实现生产线的高度自动化、数字化和智能化，从而提高企业的生产效率，并降低成本。

在高职院校的教学体系中，PLC一般安排在电子信息类、自动化、电气工程等专业课程中，以课堂授课和实验教学相结合方式开展教学，引导学生掌握PLC的基本原理、硬件组成、操作流程、应用范围及其在自动化控制中的作用。目前，PLC课程在教学实践中存在一些问题，具体如下。

1.理论与实践脱节

PLC涉及多学科知识，但在教学中存在理论与实践脱节的问题。例如，部分教师过于注重梯形图、顺序功能图或各种应用指令的教学，而不注重将PLC程序融入PLC控制系统中。如前所述，在智能制造背景下，PLC的关键在于大数据的处理、识别、分析、决策等在工业控制中的应用，而只注重PLC程序设计会导致学习者对PLC工程实际应用存在狭隘理解，即理论知识与实际操作之间产生脱节。

2.实验设备过时

PLC产品种类繁多、发展迅速，部分高职院校的PLC实验室设备却没有与时俱进，存在过时、扩展性差等情况，无法满足大规模实验需求，导致教学内容受教学设备落后限制而不能及时更新，严重限制了学生的发展和就业。例如，有的实验室设备使用的是旧的指令、控制端口和触发方式，与当下现代化的PLC系统存在差距，导致学生进入企业后对新的PLC控制设备不知所措，不得不学习PLC控制新技术。以西门子PLC为例，在中小型控制系统应用中，西门子S7-1200系列PLC是S7-200系列的升级版，因具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点，逐渐成为使用的主流，而部分高职院校采用西门子S7-200低端系列设备，导致学生在进入工作岗位后需学习西门子S7-1200、S7-1500系列的相关知识、技能[6]。

3.师资不足

在智能制造背景下，PLC技术是建立在多学科基础上的复合专业和技术，有效地掌握这样的跨专业知识与复合技术对高职院校教师而言是比较大的挑战。在培养、磨合时间有限的情况下，部分教师很难完成跨专业知识与技术的学习，并内化到自身的知识、能力和素养体系中，出现专业化水平、实践能力不符合教学要求等情况。另外，PLC技术发展迅速，教师又处于非行业一线，对PLC的运行技术和发展趋势存在一定的认知滞后。

4.缺乏学科融合

基于智能制造背景，PLC技术的应用涉及多个学科领域，如计算机科学、人工智能、自动化控制等。为更好地理解和应用PLC，学生要掌握这些学科知识，以更好地适应现代社会对复合型人才的需求。但目前的PLC课程体系设计固化于传统的学科分类和学科专业，学科之间的融合较少。另外，部分教师也偏向于传统的单一学科教学，缺乏跨学科的综合性教学方法。有的教师专注于自己熟悉的学科领域，不知如何将其他学科知识有机融入教学中。

5.忽略培养学生的核心能力

智能制造背景不仅对PLC专业人才的技能提出更高要求，对人才的核心能力也提出相应要求，特别要求学生具备创新能力和工程实践能力。现代社会竞争和发展的核心就在于创新能力，而工程实践能力是指学生能根据工程项目要求，进行理解、研究、设计、分析、实施、监管、评估的能力，是PLC技术相关岗位对学生的基本要求。但部分高职院校在课程设置和教学实践中，偏向于专业技能的传授，未开设相应培养学生核心能力的课程，培养和考核模式单一，以灌输式教学模式为主，不注重培养学生的质疑能力、探索意识、发现与解决问题能力，导致学生的核心能力發展受限。

智能制造的目标是利用技术推动产业转型升级，提高生产力，其载体是智能工厂，关键在于大数据的处理、识别、分析、决策等在工业控制中的应用。作为智能制造系统中广泛应用的核心部件，“工控+互联网+智能”将成为PLC发展的大趋势，这就对从事PLC行业的工作人员提出新的要求。高职院校作为人才培养的前沿阵地，应顺应时代潮流，积极探索PLC技术课程基于智能制造背景的教学改革策略，培养具有高素质的复合型PLC人才。

1.增加典型项目案例

项目案例是将理论知识应用于实际工程的方式之一，有助于激发学生的学习兴趣，使其初步认识可编程控制器的应用领域。为此，PLC课程教材应摒弃传统的章节概念，代之以一个个项目，并将整个知识体系有机融入其中。项目案例可选取当地企业的典型工作任务，如基于PLC的智能光伏产线、LED产线、机器人控制、新能源系统的控制等[7]。学生可在项目中完成PLC的学习，建立实际项目的概念，实现实践能力的逐步提升。

2.构建虚拟实验平台

虚拟实验平台是一种新型的实验教学方式。通过计算机仿真技术和数据采集技术，学生可在虚拟实验平台完成PLC仿真实验和实际控制。这种方式可弥补现有实验设备不足或陈旧等问题，同时也便于学生在新颖有趣的环境中掌握控制系统的设计和调试技术，然后将结果应用到PLC虚拟仿真实验教学平台的硬件设计中，以验证硬件设计和接线的正确性。通过PLC虚拟仿真实验教学平台，学生还可进行多次验证和调试，无需担心编程错误导致的设备损耗，极大解决了设备和场地限制难题。另外，虚拟实验平台也可突破教学在时空上的限制，是教学模式的创新之举。

3.强化师资培训

要想提高教学效果，就必须提高师资队伍的教学水平。为使教师具备PLC课程的授课能力，学校应加强对教师的培训。第一，可邀请PLC领域的专家来校，向教师传授PLC先进的教学理念、教学方法和教学经验。第二，可成立教学研讨组，组织教师参与教学交流和合作。第三，应为教师提供到企业实践锻炼的机会，让教师亲身体验PLC的实际应用场景，学习PLC最新技术，从而更好地理解PLC的实际应用需求和面临的挑战。第四，应建立奖励机制，对参与培训、积极改进教学策略以及在教学活动中取得优异成绩的教师给予奖励和表彰，以激发教师的教学积极性和主动性。

4.整合跨学科课程

高职PLC教学应与机械、电气、计算机等学科课程相结合，形成完整的智能制造技术教学体系，让学生了解智能制造的综合性和复杂性，提高跨学科综合能力。第一，在进行PLC课程设计时，可融入不同学科的知识和技能要求，如将PLC技术与电路原理、自动控制理论、机械设计、人工智能等学科内容进行有机整合，使学生能够综合运用不同学科的知识解决实际问题。第二，可积极组织学生参与跨学科项目，让其以团队合作的方式，将PLC技术与其他学科知识相结合来解决实际问题或完成实际工作任务。例如，在设计智能家居控制系统时，学生要了解电力、电子、通信、计算机等多学科知识，将各种设备和系统有机整合起来。第三，应积极促进教师之间的协同与合作。跨学科教学需要多个学科教师的共同参与、共同设计、共同实施，学校要加强教学团队建设，定期开展教学研讨，让教师分享经验和教学资源，共同研究跨学科教学方法和策略，以帮助学生全面了解和应用相关学科知识，逐步提高综合学习能力和问题解决能力。

5.優化培养模式

在具体教学实践中，教师要以培养学生的工程实践能力、创新能力等核心能力为目标设计课程体系，灵活制定教学方案和考核方式。第一，在教学内容的制定上，应以提升学生的工程实践能力和创新能力为核心，结合“岗赛证”，专门制定诸如PLC产品创意设计、工业机器人创意设计、PLC创意设计等多种与PLC有关的创新创意设计内容。第二，可给学生布置相应的实践课题，并鼓励学生积极参与其中，以培养学生主动思考、自主研究的能力，或引导学生通过听取各类学术报告和校园宣讲，打开思路，发散思维，开拓视野，多维度、深层次、宽渠道地完成课题研究，以锻炼和提高学生的专业素养和创新能力[8]。第三，要丰富教学方式，建立校内大学生创新实践基地，定期开展大学生科技学术活动、科技制作活动，引导和鼓励其参加校级、省级、部级的各类学科创新创业竞赛，全面提高学生的创新能力、动手能力和工程实践能力。

总之，在智能制造背景下，高职院校要积极推进可编程控制器课程教学改革，以适应产业变革和人才培养的新需求。在具体实践中，要分析当前可编程控制器课程的不足之处，通过增加项目案例、构建虚拟实验平台、强化师资培训、整合跨学科课程和优化培养模式等，提高学生的核心能力，提高师资队伍的教学水平，从而达到高质量的教学效果。未来的PLC教育改革应致力于构建以项目实践为核心的可编程控制器课程体系，充分利用虚拟实验平台等现代技术，持续开展前期的实践教学和课程评估工作，为智能制造的高速发展提供强有力的人才体系支撑。

参考文献：

[1]黑生海.智能制造背景下PLC技术在机械工程控制系统中的应用[J].现代制造技术与装备，2023，59（08）：204-206.

[2]周亚芳，范有雄.“课堂革命”背景下高职《机床电气控制与PLC》课程教学改革与研究[J].长江工程职业技术学院学报，2022，39（03）： 19-22.

[3]刘东.高职院校PLC课程教学改革的思考[J].南方农机，2020，51（02）：111.

[4]马金祥，姚文卿，张燕红等.“电气控制与PLC技术”课程教学改革探索[J].常州工学院学报，2022，35（03）：101-104.

[5]崔华楠，王国栋，郑辛酉，等.我国高职院校学生岗位实习管理现状分析与对策研究———基于202所高职院校及457家企业调研结果分析[J].中国职业技术教育，2022，（17）：5-12.

[6]陶亦亦，陆春元.PLC技术应用及其课程教学模式改革的探讨[J].职业教育研究，2008，（01）：90-91.

[7]贺玮彤，陈炳森，陈伟珍.智能制造背景下“PLC应用技术”课程教学改革研究[J].装备制造技术，2022，（06）：223-225+235.

[8]李伟.数字化制造技术在汽车生产制造中的应用[J].现代制造技术与装备，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