应用型“电气控制技术和可编程控制器”课程体系研究

孙晓波 张礼慧

摘要：国家中长期教育改革发展纲要和卓越工程师教育培养计划对工程技术人才的知识结构、学习能力、实践能力和创新能力及工程意识提出了明确要求。应用型本科院校必须修改培养方案，创新课程体系以适应人才培养的要求。本文以电气工程专业的“电气控制技术和可编程控制器”为例，进行课程体系研究，通过整合教学内容、改善教学手段、课程实验层次划分、课程设计工程化、改善实验室运行方式等强化学生的能力培养，取得较好的效果。

关键词：电气控制技术;可编程控制器;课程体系;能力培养

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0065-02

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》，指出高等教育今后的战略目标是：“优化知识结构，丰富社会实践，强化能力培养;着力提高学生的学习能力、实践能力和创新能力，”力争于2020年跻身创新型国家行列和人力资源强国行列[1]，为实现这一目标，高等教育任重而道远。教育部于2010年6月23日启动了“卓越工程师教育培养计划”，旨在培养造就一批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才。卓越工程师教育培养计划的核心是以社会需求为导向，以实际工程为背景，以工程技术为主线，强化学生的工程意识和实践能力[2]。

“电气控制技术”和“可编程控制器”是两门实践性强的专业基础课程，是电气工程及其自动化专业的核心课程。如何利用现有条件，在“电气控制技术”和“可编程控制器”的教学环节中，不断提高教学质量，提高学生综合分析和解决工程实际问题的能力，培养高素质创新型应用人才，满足社会需要，已引起各高校和相关教师的高度重视。因此，改革这两门课程的教学方法和手段，构建与社会需求相适应的教学新方案，具有重要而深远的意义。我院从课程的教学内容、教学手段、实践环节以及实验室运行改革入手，开展研究，逐渐形成了自己的教学特色。

一、调整教学大纲，精心选择授课内容

对于应用型本科院校，应紧密联系社会生产实际，瞄准典型岗位群，整合教学内容。因为可编程控制器应用越来越广泛，所以课程应以可编程控制器控制为核心;同时，考虑到企业中还有相当数量的接触器——继电器控制的机床设备，加之接触器——继电器控制的典型环节和控制规律又是学习可编程控制器控制的基础，所以课程内容中要有接触器——继电器控制部分。这两部分内容既相对独立，又密切联系。

1.电气控制技术理论课程内容安排

继电器——接触器控制部分主要有低压电器元件的原理、用途及电气符号介绍、典型控制环节和基本控制规律以及典型的常用机床的电气控制系统原理分析，要求熟练掌握典型环节、基本控制规律和原理分析方法及必要的故障检查排除方法。

2.可编程序控制器理论课程内容安排

可编程控制器部分以国内广泛应用的西门子S7-200为背景机型，主要讲述可编程控制器的结构和工作原理、基本指令和使用频率较高的扩展指令、可编程序控制器的编程方法。在编程方法上，以顺序控制编程方法为主要内容。以上内容分两门课进行讲授。教学中注重理论与工程实际相结合，重视培养学生的实际工程应用能力和创新能力，融入前沿技术，较好地体现课程的基础性、先进性和前沿性[3]。在讲课过程中注重对比和联系，引导学生理解两种控制方式的异同和特点。

因为可编程控制实践性强，安排适当的学时数讲解最新典型可编程控制系统的编程实例，使学生眼界开阔。这部分内容每轮都会更新，即课程内容是开放的、动态的。编写教学大纲时要充分考虑两部分之间的联系，将课程内容精选。

二、应用现代化的教学手段

理论教学中采用多媒体辅助教学手段，进行启发式教学，课堂气氛活跃，同时可以使复杂问题简单化，抽象问题具体化，便于知识更新，显著提高理论教学效果。

对于扩充学生知识面的认知知识，我们采用多媒体手段，可以扩大课堂信息量，也可以为重点问题留出更多的理论课时。

充分利用网络手段，将课程多媒体课件、章节重点内容和典型案例等传至QQ交流群，供学生下载交流学习。

在多媒体教室计算机中预装S7-200编程监控软件及仿真软件，供教师在课堂教学中使用。当学生对某些指令用法存在疑惑时，可进行现场演示，生动直观。

鼓励学生在自己的电脑上安装S7-200编程监控软件和仿真运行软件，查找资料进行自主学习，可以弥补实验设备的不足[4]。

三、分层次安排课程实验内容

根据学习规律，必要数量的实验可以强化学生对课程内容的理解与掌握，但学生的技能优势逐步提高的。因此将实验课程按難度排列，可以达到较好的效果。

1.电气控制技术课程实验安排

电气控制技术的课程实验分为两部分。一部分为基础实验，主要验证典型控制环节和基本控制规律，引导学生加深对上述控制电路的理解与掌握，培养学生的动手能力;另一部分是综合实验，培养学生对较复杂的机床电气控制系统的原理分析、寻找故障和排除故障的能力，相应的实验内容和学时分配见表1。

2.可编程序控制器课程实验安排

可编程序控制器部分的课程实验也分为两部分。一部分为基础实验，主要包括熟悉编程软件和实验装置用法的准备实验和若干基本指令应用实验，主要是理解和验证指令功能，重点掌握移位寄存器指令和顺序控制指令的编程方法，掌握基本编程技能;另一部分是综合实验，训练学生根据任务要求，绘制程序流程图，进而综合利用各种指令进行复杂编程的能力，学生可以在四层电梯的模拟控制、加工中心模拟控制、自动售货机模拟控制等试验中选择一个进行。相应的实验内容和学时分配见表2。

表1 电气控制技术实验内容

实验层次 实验内容 学时

基础实验 电动机正反转直接起动控制电路 2

电动机降压起动控制电路电路 2

电动机串电阻反接制动控制电路 2

电动机能耗制动控制电路 2

综合实验 C620车床的电气控制线路 2

M7130平面磨床的电气控制线路 2

X62W铣床模拟控制线路的调试 4

表2 可编程控制器实验内容

实验层次 实验内容 学时

基础实验 PLC的基本指令练习、软件学习 2

交通灯的PLC模拟控制 2

机械手的PLC模拟控制 2

装配流水线的PLC模拟控制 2

综合实验 加工中心的PLC模拟控制 2

自动售货机的PLC模拟控制 2

四层电梯的PLC模拟控制 4

四、改進课程设计教学

为了巩固学习效果，进一步训练学生利用所学知识分析问题解决问题的能力，在每门课程讲授完成后，进行课程设计。

1.电气控制技术课程设计

进行电气控制技术课程设计时，学生根据所给题目进行接触器——继电器控制系统原理设计，然后在维修电工实训室对所设计的原理图进行连线验证，验证通过后，根据负载选择电源开关、熔断器、接触器、热继电器、时间继电器、按钮等电器元件的型号、参数，查阅资料确定每个元件尺寸，按题目所给的底板尺寸安排各元器件的位置，绘制电气元件布置图和电器元件布线图，给出元器件清单和其他材料消耗定额，撰写设计说明书，最后答辩评定成绩。通过上述课程设计，使学生经历一次比较完整的接触器——继电器控制系统设计过程，提高学生的工程实践能力。

2.可编程序控制器课程设计

进行可编程控制器课程设计时，学生根据所给题目，明确控制要求，确定输入、输出信号和可编程控制器的输入、输出点数，选择可编程控制器的型号，绘制可编程序控制器接线图和程序流程图，然后根据流程图进行梯形图设计，利用计算机和可编程控制器实验装置进行程序验证和改进设计，符合要求后，打印程序清单，进行程序注释。根据题目所给控制箱的背板尺寸安排个电器元件的位置，绘制控制系统元件布置图和布线图，给出元器件清单和其他材料消耗定额，撰写设计说明书，最后答辩评定成绩。通过上述课程设计，使学生经历一次比较完整的可编程控制系统的设计过程，进一步锻炼学生的工程实践能力。

五、改进实验室运行方式

实验室是学生施加能力培养的重要场所，以往理论教学后开始实践教学，当学生做实验时，电气控制原理或可编程控制器的指令已经生疏了。其次，理论教学和实践教学分别由不同老师执行，不了解学生的学习情况，影响学习效果。再次，受实验设备的限制，有些实验项目不能进行。最后，实验室利用效率低，非实验时间实验室不开放，学生想进一步进行实验提高能力时不方便。基于此，我们改变实验室运行方式，主要有：

1.为了促进理论教学和实验教学的融合，理论课教师参加指导实验，这样有利于理论知识对实践环节的切实指导，也有利于实践环节对理论知识的有效检验，同时也促进了教师的教学交流，提高教学质量[5]。

2.应用MCGS等监控仿真软件，构造虚拟实验环境，扩充实验数量，学生可自主进行仿真实验，提高学生实践能力，还可引导学生进行仿真实验开发，丰富实验内容。目前已经将可编程控制器经典的三十多个试验进行仿真建模。

3.将实验室在课程设计、生产实习、毕业设计阶段全开放，提高实验室利用率。指导教师指定课程设计和毕业设计内容，学生充分利用实验室资源，通过查阅资料，结合生产实践，确定控制系统方案，进行验证。

4.鼓励学生申请创新性试验项目，在老师指导下，利用实验设备进行项目研究，锻炼学生创新能力。

六、结语

在卓越工程师培养计划的引导下，对电气工程专业的“电气控制技术”和“可编程序控制器”的课程体系进行了重建。

1.精简整合两部分的理论授课内容，重视原理和方法的阐述，并注重两部分之间的异同和联系;

2.在课程实验教学中，将实验分成基础实验和综合实验，分层次培养学生的动手能力;

3.在课程设计环节教学中，为学生虚拟一个工程背景，按工程技术人员的开发规程完成课程设计;

4.改进实验室运行方式，理论课教师参加实验教学，改善实验条件，扩大实验室开放时段，引导学生利用实验室资源。

通过几轮的理论与实践教学，我们观察到学生对电气控制原理都有较深的理解，可编程序控制器的编程能力与前几届学生相比有明显提高。同时，学生接受了电气控制系统的开发工作过程训练，工程实践能力明显增强。

参考文献：

[1]刘欣梅，刘雪暖，丁传芹，等.“卓越工程师教育培养计划”的实施[J].石油教育，2011，（5）：68-70.

[2]戴波，纪文刚，刘建东，等.以工程能力培养为主线建构专业人才培养模式[J].高等工程教育研究，2011，（6）：136-140，168.

[3]马永力.“电气与PLC控制技术”教学改革的研究与探索[J].黄石理工学院学报，2012，（2）：67-70.

[4]王惠莉.基于MCGS的PLC实验教学系统的构建[J]. 电气电子教学学报，2010，（S2）：144-146.

[5]尚书旗，杨兆慧，连政国，等.促进实验教学改革的思路与探索[J]. 华中农业大学学报，2005，（S1）：128-130.

（责任编辑：刘翠枝）