《电气控制与PLC应用》课堂教学模式探索与教材建设

王亭岭 熊军华 周玉

摘 要：到激发学习兴趣和缩短掌握“电气控制与PLC应用”课程的学习时间，文章探索出多样化的课堂教学模式，以项目教学法为核心，并将其贯彻于课堂教学的始终，同时在课堂讲授时辅以动画演示与PLC仿真，并不断丰富自编教材体系及逐步完善校内精品课程建设，以促进学生自主牢固地掌握本门课程的相关知识。

关键词：教学模式；项目教学法；PLC仿真；教材建设

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）02-0084-03

Abstract： In order to stimulate the learning interest and shorten the learning times of the course of "the Electrical Control and PLC Application"， a variety of classroom teaching modes were explored. The project teaching method was chosen as the core， and it was carried out in the classroom teaching with the animation demo and the PLC simulation. And the teaching material system was continuously enriched and the construction of school quality course was gradually improved to promote students to firmly grasp the relevant knowledge of this course.

Keywords： Teaching mode； project teaching method； PLC simulation； construction of teaching materials

引言

可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）技术脱胎于继电-接触器控制技术，二者具有很强的继承性和互补性。目前很多高等院校将两种技术合在一起讲授，课程名称为“电气控制与PLC应用”。该课程对培养学生自动控制系统设计、分析及应用能力具有十分重要的作用。该课程将硬件电路设计和软件应用程序设计相结合，涉及知识面广泛，包括各种低压电器组成的继电-接触器控制系统、PLC的结构与原理、PLC程序编写技能、PLC控制系统的设计和调试等相关知识点，并涵盖了微型计算机控制和网络应用等相关内容[1]。

对于高校教师而言，课堂教学的过程就是教师通过课堂活动实现师生互动、共同发展的过程。教师要不断提高自身的教育教学技能，指导学生学习行为，鼓励学生参与课堂教学过程，并具有高效讲授及交流技巧，能进行引导式、启发式提问，能熟练使用多媒体工具辅助教学，具有较强的亲和力和对课堂的创新能力等。针对“电气控制与PLC应用”课程的特点，结合近十年来讲授该课程的心得，不断探索课堂教学模式的改革，大力加强教材建设，以期达到事半功倍的效果。

探索课堂教学模式重点围绕培养学生的工程设计能力和工程实践能力，贯彻基于工程应用，以工程项目为载体，理论联系实践的基本思路，充分发挥学生的主观能动性。将项目教学法贯彻始终，并在课堂讲授时辅以PLC仿真软件，采用多样化的考核方式，促进学生自主牢固地掌握“电气控制与PLC应用”课程的相关知识，同时为学生开辟了第二课堂，建立较为全面的教学资源库，制作生动的教学课件、设计完备的试题库、教学仿真模型及工程项目的应用程序等。

一、项目教学法贯彻始终

项目教学法以课题模块为单元，以项目为主线，通过设计不同的项目，将书本重要的知识点融入项目中，让学生在实践操作中掌握抽象的理论知识[2]。教师在讲授时可以不按授课教材原有章节的顺序开展教学，项目教学法极大提高了学生的学习积极性，教学效果获得督导专家和学生的一致好评。按照项目教学法，“电气控制与PLC应用”课程的教学内容组织结构如图1所示。

项目教学法可根据不同专业授课课时的多少对图1中五大模块中的项目进行相应的删减。尽管可编程控制器技术发展了几十年，但仍然不能取代继电-接触器控制系统，如接触器的主触点是控制电气主回路，PLC一般只工作在控制回路，且智能化可通信低压电器也不断在发展。模块1继电-接触器控制系统设计与分析是基础，成熟的技术不代表陈旧。掌握继电-接触器控制系统对理解PLC技术及应用十分重要。

模块2讲解S7-200系列PLC结构与工作原理，其中项目1为专业与通用计算机异同，各高校开设的“微机原理与接口技术”一般先于“电气控制与PLC应用”，因此，复习先前开设的课程有助于掌握PLC的结构。针对计算机由五大部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备）这一经典结构，可以快速理解PLC的结构。PLC属于专业计算机的范畴，专业主要体现在I/O接口单元上，控制特征更明显。随着PLC性能的不断提升，计算能力也越来越强，功能指令也就越来越丰富，功能指令可以借助高级语言的库函数加以理解。PLC循环扫描的工作机理也可以借助计算机的知识来理解。PLC的系统程序类似于计算机的BIOS（基本的输入输出系统），是管理硬件层的操作系统，这个操作系统设置成定时循环扫描用户编写的PLC程序。这就是为什么PLC主程序中没有类似于C语言中的while（1）{...}语句，仍然可以定时循环执行PLC程序。

模块3讲解S7-200系列PLC指令系统，梯形图编程语言借助电气控制原理图一般比较容易掌握，但要深入学习PLC技术，搭建复杂的PLC控制系统，不掌握语句表编程语言会显得力不从心，有些通信协议接口程序的编写是非采用语句表编程不可。语句表编程语言类似于汇编语言，尤其是大量的功能指令，其助記符与汇编语言十分相似，略具计算机知识的人不难记忆。功能指令实际上是厂商为满足各种客户的特殊需要而开发的通用子程序。

模块4讲解S7-200系列PLC设计与应用，每个项目综合多个重要的知识点。如项目3用PT100 RTD测量温度，并用TD200显示温度，学习的知识点包括：模拟量扩展模块EM235的配置、模/数格式转换、标度变换、TD200的使用等。

模块5讲解S7-200系列PLC网络与通信，难点是上位机和PLC的双向通信。上位机PC与PLC通信时，为了避免各方争用通信线路，常常采用主从结构的工作方式，首先应由主机主动发送请求报文，从机收到请求报文后便可以返回响应信息。

二、仿真教学法形象生动

讲解“电气控制与PLC应用”课程中的电气原理图和电气接线图时，抽象死板的图纸，对于基本知识掌握不够好的学生较难接受，理解能力强的学生相对较易掌握。对照图纸讲解原理，无论讲的多么形象生动，不管针对何种学生，仍难以摆脱照本宣科的套路。如果能将死板的电气原理图和电气接线图做成Flash动画，在讲解时可以人为操作某些按钮、开关，让电路图“动”起来，这样学生既容易理解，又能提高学习积极性。

对于PLC部分，教学时难免要讲解抽象的工作原理和枯燥的PLC指令，此时可借助PLC的仿真软件，将理论讲解与仿真演示结合起来，使学生更好的理解PLC的循环扫描的工作原理和指令的功能。如西门子S7-200系列PLC，可先用STEP7-Micro/WIN软件进行编程，编好后把主程序和子程序一起导出，再送到S7-200 PLC硬件模拟软件仿真运行。

S7-200仿真软件不是西门子公司提供给用户学习的，是由于S7-200系列PLC的全球广泛使用，促使国外PLC爱好者编写的。使用该仿真软件学习S7-200 PLC可以大大节省硬件成本和缩短学习时间。目前，国内已将各种版本的仿真软件汉化，其V3.0版可以对S7-200编程软件STEP7-Micro/WIN V4.0编写的程序仿真。仿真软件不能直接接收S7-200的程序代码，必须用编程软件的“导出”功能将S7-200的用户程序转换为扩展名为“.awl”的ASCII文本文件，然后再下载到仿真PLC中去执行。最新版本的仿真软件仍然不能对S7-200的全部指令和全部功能仿真。该软件不需要安装，运行文件夹中的“S7-200.exe”文件打开即可。

三、加强教材建设

华北水利水电大学陈建明、王亭岭编著的教材《电气控制与PLC应用》从2006年至2014年共计出版3次。2005年以前“电气控制技术”与“可编程控制器技术（PLC）”在很多高校是作为独立的两门课程分别讲授的，所用教材也是各不相同。随着高校课程改革，课程学时的压缩，“电气控制技术”与“可编程控制器技术”合二为一，但国内却很少有综合二者技术的相关教材。2005年初至2006年初，课题组经过一年的探索和总结，《电气控制与PLC应用》第1版于2006年2月由电子工业出版社正式出版。经过国内十几家院校使用获得一致好评，同时也提出了许多宝贵意见，并在2010年再版的《电气控制与PLC应用（第2版）》一并进行了修订，去掉了陈旧的内容。为了更好的深入学习西门子S7系列PLC，打造一本专业的精品教材，去掉了三菱和欧姆龙的相关章节。

“电气控制与PLC应用”是综合了继电-接触器控制、计算机应用、自动控制和通信技术的一门新兴技术，应用十分广泛。由于PLC技术脱胎于继电-接触器控制技术，两者处于不同的发展阶段，在理论和应用上一脉相承[3，4]。因此本书在编写过程中力求做到：

一是讲究实际。精心选取继电-接触器控制技术的内容，删掉工程实践中不太常用的电机扩大机及其控制系统、磁放大器和顺序控制器的内容，大幅增加应用越来越广泛的PLC的相关内容。

二是强调应用。侧重介绍典型生产机械的继电-接触器控制线路和PLC工程实践的应用线路，重点介绍利用PLC对三相异步电动机进行控制的多种实用基本线路，实现电动机的继电接触控制和PLC控制两种线路对比分析。

三是方便教学。编写上坚持深入浅出，循序渐进，理论结合实际的原则，书后附有实验指导书、课程设计任务书、课程设计指导书，以便学生课后自学。本书较全面、系统地介绍了可编程序控制器及其应用技术，并不断进行教学改革与课程建设的有益尝试。鉴于上述这些特点，本书也便于有一定电气技术基础的人员自学。

为了适应教学改革和科研实践的需要，课题组对2010年出版的《电气控制与PLC应用（第2版）》进行了全面的修订。本次修订，除保持本书深入浅出、系统性强、富有工程性以及便于自学的特点外，删除了“S7-300和S7-400 PLC系统配置与编程”一章，缩编“STEP 7-Micro/WIN32编程软件”一章成为4.4节，增加了“可编程控制器与电气传动系统”一章，力求奉献给读者一本更专业、较完美的西门子S7系列PLC教科书[5]。2014年出版的《电气控制与PLC应用（第3版）》成功入选国家级普通高等教育“十二五”规划教材，“电气控制与PLC应用”系列教材目前已经成为本行业经典教材，被几十家科研院所作为首选教材使用。

四、结束语

“电气控制与PLC应用”课程是机电一体化类、自动化类及电气工程类专业一门综合性和实践性很强的专业选修课程。由于传统教学方法无法适应本门课程的课堂教学，因此在“电气控制与PLC应用”课程的日常教学中，实践了多种新式的教学方法，如项目教学法、仿真教学法等，在今后的课程建设中也将不断尝试兴趣小组教学法、模拟工业现场教学法、难点答疑教学法等。真正将理论知识与工程实践紧密结合在一起，不断提升课程的教学质量，加强学生的实际动手能力，提高学生自主学习的积极性，发掘和培养学生的创新力和创造力。

参考文献

[1]“电气控制与PLC应用”课程教学理念优化[J].电气电子教学学报，2012，4（2）：20-22.

[2]基于项目式教学的电气控制与PLC技术课程改革的实践[J].高等函数学报，2012，11（6）：64-65.

[3]陈建明，熊军华，王亭岭.电气控制与PLC应用[M].北京：电子工业出版社，2006，2.

[4]陈建明，王亭岭.电气控制与PLC应用（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2010，1.

[5]陳建明，王亭岭.电气控制与PLC应用（第3版）[M].北京：电子工业出版社，2014，1.