新工科背景下虚实结合的PLC 原理及其应用课程教学改革与实践研究

任明月 冯俊杰 王艳红 陈祖星

摘要：进入21 世纪以后，社会对于工程型人才的需求越来越大，培养学生的工程实践能力及创新能力更为重要，原有的教学模式难以满足行业对于学生的工程要求。本文从PLC 原理及其应用课程教学虚实结合为出发点，研究新工科背景下该课程的教学策略。首先，分析现阶段PLC 原理及其应用课程教学模式的不足，得出采用虚实结合的教学模式的必要性；其次，指出虚实结合课程教学体系的构建；最后，通过PLC 课程的虚实结合教学模式为案例，得出虚实结合的教学模式，能够将实践项目更为形象具体地展示出来，提高学生课程的积极性，增加实验课程的吸引。

关键词：新工科；虚实结合；教学模式；课程改革

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）06-0178-03

注重提高学生的工程实践素质，培养学生的创新能力，是新工科背景下对高等学校本科专业学生的新要求。工程实践的能力培养是高等院校工程教育的重要环节，也是学生学习专业知识、培养创新意识、掌握实践技能的重要途径。PLC原理及其应用课程是本科自动化方向的一门专业必修课，具有较强的实用性，主要为了工程应用，同时也为从事本专业相关工作打好基础，本课程的培养目标更为注重培养学生的设计开发能力。课程内容主要分为两部分：一是电气控制线路的分析与设计；二是PLC控制线路的分析与设计，授课内容繁多且难度较大，对学生的综合能力要求较高[1]。因此，在使学生掌握理论知识的同时，也能培养学生应用于工程实践的能力，传统的教学模式多是集中在对学生理论知识的教授，并且以教师为主体，学生的参与度较低，学生普遍反映课程学习的难度较大，目前PLC原理及其应用课程教学存在不少问题。

1 传统教学模式的不足

1）传统的授课过程多是先理论后实践[2]，例如，对于低压电路的讲解，按照教材內容先对各低压电器进行介绍，然后运用电器元件设计电气线路；讲解可编程控制系统设计时，先进行各指令系统的介绍再进行系统设计。这样的授课模式难免会使理论与实践脱节，工程设计环节所用的知识已经过去一两周时间，学生对于工程设计的关注点是去查找所用元器件或指令的功能，忽略工程设计环节的思考及创新。

2）传统PLC课程无法展示出PLC程序执行的具体流程，学生对内容不能全面理解，只能流于表面想象，例如在讲解定时器指令功能时，单纯地运用PPT 很难将其运行过程中的当前值和位变化展现出来。因此，学生对于相关知识理解不深，难以有很好的学习提升，学生的学习兴趣与创新意识未能得到充分激发。

3）传统教学受场地和器材的限制，很难做到在课堂授课的过程中运用实物展示PLC的控制系统，例如对于PLC对红绿灯控制系统的设计，只能靠讲解梯形图或语句表去分析该过程的执行方式，无法将理论与实践相结合，这种教学模式无法真正培养学生的工程应用能力。

4）传统的教学模式多采用单一的期末考试形式来进行课程考核，学生更为注重去记忆课本中的理论知识，机械性的记忆设计环节，这种考查方式并不能激励学生的工程设计与创新的兴趣。

基于上述原因，传统的教学模式已很难满足要求采用虚实结合的教学模式打破传统的教学模式，使学生不仅仅学习掌握到理论知识，还能在仿真平台上模拟实践应用，将理论应用于实际，学以致用，在提高学生的学习兴趣的同时，锻炼学生的工程设计能力[3]。

2 虚实结合课程教学体系的建立

1）采用“理论+仿真+实践”的教学模式。在学生掌握基本知识的情况下，教学过程中加入STEP-Mi?cro/WIN V4.0 SP6 编程软件和S7-200仿真软件的使用环节。利用STEP-Micro/WIN V4.0 SP6编程软件锻炼学生PLC编程能力，并与S7-200仿真软件结合，利用虚拟的PLC仿真程序执行的过程，理论与实践教学相结合，避免仅依靠理论讲解程序的枯燥。

2）工程性教学改革研究。为培养工科学生的动手能力，以及理解教学内容的工程应用，在课程教学中引入PLC控制下的实际工程案例，为进一步培养学生的实践能力提供基础。对于工程案例的设计，应遵循先易后难、循序渐进的原则，在设计的过程中融入所学理论知识，不仅仅进一步巩固了学生的理论知识，同时使学生亲身参与到系统的开发设计过程中，提高学生的工程意识。

3）虚实结合的课程教学改革研究。为锻炼学生的编程能力和培养学生创新能力，在教学环节中引入仿真平台的搭建，结合实际工程案例，生动形象地把课程知识点与工程应用紧密结合起来，解决了传统课程中受场地和设备的限制问题，学生更为直观地体会到PLC在实际场景的应用，激发了学生的学习积极性，提高了学生的工程实践能力。

4）多层次考核方式。PLC课程的考核不仅仅只关注期末试卷的考试结果，新的教学模式下，对于学生的考核更为注重学生的工程设计能力掌握情况[4]。因此，考核结果应由两部分组成，平时成绩+期末成绩，而这两部分成绩中应将工程设计能力的考核放于首位。首先，对于平时成绩，应由学生平时课堂表现及项目设计所组成，其中项目设计主要是学生应用仿真软件实现；其次，对于期末成绩，除了考查基础知识点还需增加程序设计题目重点考查知识点的应用[5]。

3 虚实结合教学模式的应用

1）根据虚实结合的理念，将该教学模式应用在实际教学工作中，在PLC课程教学内容和形式上采用分阶段教学。第一阶段为基础理论教学部分，这部分内容在传统教学模式的基础上融入仿真演示，教学方式采取、仿真平台STEP-Micro/WIN V4.0 SP6 编程软件和S7-200仿真软件演示教学法和学生练习为主。教师将理论知识讲解完成之后为加深学生的理解，可应用仿真软件展示具体的执行过程，例如在定时器指令讲解时，S7-200仿真软件能更清晰地演示出定时器当前值和位的变化过程，如图1所示。同理在其他执行讲解时，也可让学生进行仿真练习，观察其执行变化，这种教育模式，使学生参与其中，且较为直观形象，便于理论教学的开展及学生的掌握。

第二阶段为理论应用阶段，主要考查学生的综合应用能力。该部分设置多个指令讲解完成后及章节总结阶段，以设计典型环节为目标，将所学知识点应用于环节设计中，避免理论与实际脱节。学生在完成这一任务过程中，要求先进行环节分析，掌握环节中所用的元器件及基础指令，通过工程设计规则、设计步骤、所需资料的查询方法等，使学生掌握基本的工程技术知识，减少精力和时间上不必要的浪费，提高学习效率。以设计PLC控制电机运转为例，学生确定好基本环节方案后，根据设计规则，确定使用指令系统中的自锁结构，然后确定所需环节中的元器件、I/O 分配、梯形图设计等，通过仿真平台模拟出基本环节。

第三阶段为实际工程应用阶段，主要考查学生学以致用、理论联系实际的能力，时间安排在学期末的课程设计阶段[6]。学生通过前面的理论学习和基础实验，已经掌握了工程设计规则、编程的基本方法和技巧，这时要求学生完成一些应用创新性实验，该设计项目需要真实的工业控制与仿真相结合，将理论知识应用于实际场景，应用PLC去完成这些实际场景的控制过程。例如常见的交通灯控制，学生需要根据交通灯控制的实际过程分析出PLC控制系统设计的基本环节，根据设计规则及仿真平台，实现该实际场景的仿真。

2）实现多元化、过程性评价。虚实结合模式下PLC课程的考核成绩主要由三部分组成：第一部分侧重理论知识掌握，总评成绩的20%；第二部分侧重平时工程设计能力考核，占总评成绩的40%。第三部分是笔试考试，占总评成绩的40%，其中除了考查基础知识点还需增加程序设计题目重点考查知识点的应用[7]。图4为课程改革前后的学生成绩统计对比，从图中可以看出，学生成绩的波峰由之前的40-59，提高为70-89，从成绩方面可以看出有明显的提升。同时对学生进行虚实结合教学模式满意度调查，从图5可以看出，学生对于采用仿真+理论的教学方式比较认可，虚拟仿真教学模式的加入能够提高学生对于课程的兴趣。

4 结束语

实践能力培养是高等院校工程教育的重要环节， 也是学生学习专业知识、培养创新意识、工程意识、掌握实践技能的重要途径[8]。随着科学技术的高速发展，为实践课程虚实结合多层次教学模式提供了技术支持，对于工程人才的培养起到了重要作用。采用虚实结合的多层次实验教学模式，在丰富实践教学内容的基础上，极大地改变了实验教学的环境、内容与模式[9]。本文从教学内容、教学方法、考核形式等方面進行课程改革与实践研究，通过加强教学实践、理论联系实际，使学生对可编程控制器有更深入的了解。同时，充分发挥学生的学习主体性，提高学生的动手能力和工程应用，以扩展学生视野，提高学生学习积极性，最后达到教学改革效果。

参考文献：

[1] 黄春香.PLC课程的CDIO教改模式研究[J].黑龙江科技信息，2014（34）：120.

[2] 韩海豹，樊建强，贾维丁.独立学院现代电气控制技术与PLC课程CDIO 模式教改的研究与实践[J]. 知识文库，2017（9）：168-169.

[3] 达正花，何继爱.基于CDIO理念的PLC实验教学探索与实践[J].中国教育技术装备，2018（8）：117-119.

[4] 王浩.基于提高大学生素质和创新能力的《网页设计》课程教学改革[J].电子制作，2014（19）：157.

[5] 郑伟南.虚实结合教学模式下的实践教学质量评价体系研究[J].通讯世界，2020，27（4）：176-177.

[6] 许有熊，曹锦江，刘娣，等.新工科背景下智能制造虚实结合项目教学的探索与实践[J].中国现代教育装备，2022（5）：91-94.

[7] 魏中举，谢小平，李健.基于虚实结合的混合式实验教学探索与实践[J]. 创新创业理论研究与实践，2023，6（11）：149-151，162.

[8] 付百学，朱荣福.新工科背景下虚实结合的实验教学模式研究[J].黑龙江教师发展学院学报，2021，40（5）：40-42.

[9] 王宏宇，丁建宁，许桢英，等.虚实结合实践教学的现状分析与发展探究[J].实验技术与管理，2021，38（7）：11-16.

【通联编辑：梁书】