解决复杂工程问题能力培养的PLC课程实践教学方法探索

李 萍 祁 鲲 刘丽华

北京信息科技大学自动化学院 北京 100192

PLC是专为工业应用而设计的一种数字运算控制器。采用可编程的存储器存储面向用户的指令，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等操作，通过数字或模拟输入或输出通道控制各类自动化生产流水线。PLC是将计算机技术与继电接触控制技术相结合的产物。它的出现可解决传统继电器控制系统中继电器装置多、接线复杂、可靠性低、耗能高以及灵活性较差等问题，目前已被广泛应用于水泥、钢铁、石油化工、纺织、轻工食品、饮料、啤酒等电气自动化行业中。

电气控制与PLC技术应用是一门实践性非常强的专业主干课，是广大工科院校电气工程及其自动化专业的专业基础必修课程，也是我校自动化专业的专业选修课程。课程实验在电气工程实验室的PLC电气控制实验平台进行。原有的实验装置简陋，安全性差，实验模块功能少，扩展实验内容有较大局限性，而且采用的PLC型号非目前工业领域中的主流产品，影响学生就业后快速上手；且原有实验装置从开发手段到实验内容远落后于现代PLC技术发展水平，与当前通用的PLC实验教学平台先进程度有较大的距离；无法体现教育教学先进性，学生缺乏创新能力培养的基础实验条件。因此目前实验装置所开设的实验不能满足电气工程专业、自动化专业工程教育专业认证[1]中关于“解决复杂工程问题”能力培养的目标要求，不能满足电气工程专业、自动化专业培养的学生与企业实现无缝对接。

1 PLC实验室建设必要性

鉴于上述问题，提出PLC实验室建设，经对全国知名教学仪器生产厂家有关PLC实验模块的性能、价格、实验种类等进行考察；选购目前企业应用主流PLC控制器及配套实验装置，可模拟工业生产流程，可实现较复杂对象的控制。优化设计实验模块配套功能，完成电气控制PLC实验平台的更新换代(实验室条件改建，实验台各模块调试)，重点通过实践教学改革制定层进式实验项目，引入先进的实验教学理念、实验方法、手段和实验内容并渗透到课内实验、课程综合实践、开放实验、创新实践、毕业设计等实践环节中，开拓学生视野，完善知识储备，达到“解决复杂工程问题”能力培养的目标，具有创新能力。

开发出符合专业培养方案的课内实验教学、开放实验、大学生创新、毕业设计等PLC相关实验项目，形成该课程完整的实验教学体系[2]，同时通过实践教学改革对课程体系中其他相关课程实践项目进行优化，进一步完善培养方案，提高学生实践技能和专业素质，使其具有解决复杂工程问题的能力和较高的科研水平。因此，PLC实验室建设是必要的，是开展教学活动的前提条件。实验室建设内容包括规划实验实物模型和计算机布局、安装、电源分配等工作，根据实物模型搭建模拟实验系统，对选购的模块最大限度开发利用。

2 PLC实践教学体系建设依据与内容

2.1 PLC实践教学体系建设以教学目标为依据

(1)根据电气工程专业和自动化专业制订的培养方案；(2)根据PLC课程教学计划、内容要求与目标；(3)根据专业与课程教学规范要求；(4)根据电气工程专业和自动化专业工程教育认证标准；(5)实验项目开发与设置，符合基本认知规律。

2.2 PLC实践教学体系建设以教育理论为依据

(1)以应用型人才培养目标，专业认证评价标准为依据。根据理论教学内容构建实践教学环节，将理论教学和实践教学有机融合，激发学生的创造性思维和提高分析、处理实际问题的能力。

(2)实践教学是素质教育和创新人才培养的重要环节，而较高层次实践教学环节(综合实践、创新实践等)是培养具有“解决复杂工程问题”高水平应用型人才的主要途径。

(3)“理论、方法引导—实践领会—问题探索—理论和实践相互印证—新问题探索—理论、方法发展”互动教学模式是培养具有解决复杂工程问题能力的渐进式学习方法的有效途径。

(4)把握认识规律：从简单到复杂，从低级到高级，从特殊到一般，感知大量事物变化过程，建立牢固而清晰的表象，逐步由表及里认识到客观事物存在的规律。实践项目内容设置循序渐进逐步深入，并有机匹配到实践教学不同环节中，最终达成解决复杂工程问题的能力。

2.3 PLC实践教学体系建设的方法与内容

(1)符合应用型人才培养方案、课程教学目标、工程教育认证标准前提下，实验实物模型选取、组合，确定实验项目。

(2)设计实验装置合理布局与可靠安装，操作平台设置具有安全性、科学性、易于规范化操作、易于层次化教学。

(3)针对解决复杂工程问题的能力培养目标，研究系列化、层次化实验教学方案设计和互动式实验教学模式。实验教学方案包括系列化实验总体规划与层次化实验项目内容设计。实验内容按照不同层次的教学形式分类，优化每个实验项目，使其具有典型性、代表性，突出理论教学重点、难点，突出应用现实意义，每个实验项目贯穿“理论教授—方法引领—实践领会-问题探索—理论和实践相互印证—新问题探索—理论、方法发展”的理论和实践相互促进的互动式教学模式。

(4)研究组态软件强化学生学习主动性。利用组态软件开发动态监视画面[3]，对PLC的动作进行实时跟踪，逼真生动反映实验效果，可有效激发学生的学习兴趣，促进学生不断优化实验程序的积极性。

3 解决复杂工程问题能力培养的实践教学方法

构建符合认知规律的课程实践教学体系，实现系列化、层次化实验教学方案的实施和互动式、兴趣化实验教学模式的开展，渐进地达成解决复杂工程问题的能力培养。

在实践教学过程中重点要解决的问题包括以下两方面。

(1)提高实践教学与理论教学的契合度。要求学生紧跟实践教学计划，按照实践教学内容全面掌握PLC功能，知识储备与知识框架更加充足与牢固，为高层次实践活动打基础，为提升创新能力提供源泉。

(2)不断完善实践教学体系，实现学生具备的技能、素养与对口就业单位达到无缝对接。与对口单位进行必要的技术互动，不断完善PLC实践教学训练体系和优化实践项目，对学生全面专业能力、素质的提升非常重要。

以解决复杂工程问题能力为培养目标，开展系列化、层次化、互动式教学方法可有效解决上述实践教学过程中的问题。以下为系列化实践教学活动中教学方法的运用。

(1)课内实验

实践中通过掌握PLC历史发展脉络，明白PLC的由来、作用、意义、必要性，从而进一步把握其发展趋势。实验内容需要设置继电器控制实验，让学生了解早期电气自动化控制特点，突出这种控制方式的缺点。PLC的出现是为了克服继电器控制缺点，实验安排PLC认识实验，学生在掌握PLC基本功能、原理、控制方法、特点的基础上，熟悉编程环境，掌握调试方法，并与继电器实验对比分析采用PLC控制优越性，以加深学生对PLC作用、功能理解，同时利用组态软件生动的画面实时监控PLC控制状况，以激发学生学习兴趣。课内实验环节主要让学生领会指令的功能并灵活运用，以及掌握不同控制对象典型的编程方法及技巧，例如电机启动、定时正反转；带有中断的十字路口交通灯时序控制；可变换的流水灯、数码管、造型灯的控制等。掌握定时器、计数器、移位等基本指令功能、作用、应用方法，以及梯形图典型单元、环节的学习，使每个学生都能学会PLC 接线、编程与调试，为综合性、设计性实验做准备。

(2)课程综合实践、开放实验

设计的实验内容注重模拟实际工程应用，侧重学生自主设计如轧钢机控制、装配流水线控制等实验。教师提出任务与要求，学生自主分析、设计、编程、调试。教师负责查阅学生项目设计的可行性，以关键原理、方法引导，提问式指导，共性难点启发式探讨，推演出不同方法指导学生探究，并通过实验结果对比进行总结、归纳。通过学生“自主设计+教师引导”、提问、讨论等互动方式开展实践教学活动，使学生能够熟练地进行PLC 硬件设计与软件编程，培养学生基本专业技术实践技能和逐步形成分析问题的方法和解决问题的思路。

(3)大学生创新实践、毕业设计

创新实践是培养和发展学生创新能力的重要载体和关键环节[4,5]。在注重模拟实际工程应用、学生自主设计的基础上，强调综合性，多模块、多功能、多参数、多任务，复杂工程控制系统，如水位控制、多层电梯控制、机械手模拟控制、直流电机双闭环调速、交流电机变频调速等。学生根据既定的任务与要求，查阅资料自主分析、设计、编程、调试。教师负责审核学生项目设计的可行性，以关键原理、方法引导，难点探讨，对设计方法分析、总结以明晰思路，通过对难点反复试验，分析结果，修正实验方法，进而创新实验方法。较高层次的实验教学环节还要涉足研讨、开发PLC未来发展方向的实验内容。互联网时代，PLC网络化是必然趋势。PLC系统不再是自成体系的封闭系统，而是开放式PLC网络，可与上位计算机管理系统实现信息交流；还可以通过现场总线技术与其他安装在现场的智能化设备，如智能化仪表、传感器、电磁阀、智能型驱动执行机构等，互相传输信息，构成一个现场工业控制网络。高层次训练不仅锻造学生具有扎实的PLC应用专业素养和解决复杂工程问题的能力，而且具有把握专业未来发展趋势的能力。

4 PLC实践教学体系建设与实践教学方法总结

实践教学中采用“理论教授—方法引领—实践领会—问题探索—理论和实践相互印证—新问题探索—理论、方法发展”的理论和实践相互促进式教学模式，实践教学活动中采用引导式、提问式、探究式、讨论式教学方法，理论和实践有机统一，且在实践中进一步探索新理论、新方法，并逐步推进实践教学内容的提升，达到学生“解决复杂工程问题”的能力与科研水平的提高。

利用组态软件强化学生学习主动性。采用组态软件开发动态监视画面，对PLC的动作进行实时跟踪，加强学生对实验内容理解深度，提高实践活动中的师生间互动效率，激发学生的学习兴趣。实验项目、内容以分层式递进深入，有机匹配到不同的实践教学环节中，包括课内实验教学、综合实践、开放实验、大学生创新、毕业设计等环节，在贯穿学生体系化培养方案中形成完整的单科课程的教学培养方案，具有系统性、层次性，符合学生认知规律，有利于完善学生知识体系与能力提升，且益于学生创新意识、科学素养、实践精神和团队合作精神的培养。

教师通过实验室建设、实验项目设计、层进式实验环节安排、互动式教学模式开展，在师资队伍上，教师逐步具备较高理论水平和积累了丰富的实践教学经验；在学生层面上，大大提高了学生学习的积极性、主动性、创造性，形成教与学的相互促进、相生相长的良性循环。

[1]都昌满.对我国工程教育专业认证试点工作若干问题的思考[J].高等工程教育研究,2011(2):27-32.

[2]欧意宝.PLC实验系统构建模式研究[J].实验室研究与探索,2010,29(9):73-76.

[3]刘力.组态软件在PLC实验系统中的应用[J].实验实研究与探索,2014,33(4):127-129.

[4]李小川,黄庠永,田萌.大学生创新实践能力培养存在问题的思考[J].中国现代教育装备,2017(3):64-66.

[5]汤佳乐,程放,黄春辉.素质教育模式下大学生实践能力与创新能力培养[J].实验室研究与探索,2013,32(1):88-90.