阶梯型实验教学模式在电气控制与PLC课程教学中的探索与实践

李小斌 吴宏岐 陈 江

宝鸡文理学院 陕西宝鸡 721016

PLC(可编程序控制器)是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置[1]。国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱(PLC、机器人和CAD/CAM)中跃居首位[1]。电气控制与PLC课程作为电气工程及其自动化专业的主干专业课，具有实践性强、应用广泛、与工业控制联系紧密的特点，因而要求学生必须有较高的实际操作能力，必须能够理论联系实际，会分析、处理和设计实际的控制系统，以满足现代企业发展的需求。课程培养的目标应以工程应用为导向。然而PLC课程又与电机控制、计算机控制、通信技术等多门课程联系紧密，如没有合适的实验项目配合，学生对其内容很难理解并掌握，更谈不上复杂控制系统的设计。为此，从工程应用角度出发，按照普通高校应用型人才培养目标，设计了阶梯型实验教学模式。实验内容由简单到复杂，分为5个等级，逐级提高难度。这样，学生能够循序渐进地掌握PLC 控制系统的设计过程，并对工程应用产生浓厚的研究兴趣。

1 阶梯型实验教学模式思路

阶梯型实验教学模式的思路构建是非常重要的一环，它的思维高度决定了具体内容是否科学、合理、可行[2]。通过调研发现，目前电气控制与PLC实验课程教学多以验证性实验为主，实验教学多以验证教材基本知识为主，缺乏工程意识培养，缺乏专业综合应用意识培养。这里以培养目标为基点，将目标进行阶段性分层划分，以“认知(感官)—验证(原理)—应用(技术)—综合(提高)—创新(设计)”为主线，分别对教学内容、教学方法及教学时间进行改进和调整，设定每个培养阶段的训练重点，充分体现实验教学的层进式，遵从循序渐进的教学规律，旨在实现学生对专业知识体系的清晰构建[2-5]。

2 阶梯型实验教学模式的构建

根据教学目标，按照工程应用能力培养要求，将实验培养过程划分为5个层次(如图1所示)。基础实验层次实现教材基本知识、基本概念、基本原理的验证，通过实验要求认识常用的低压电器，熟悉PLC编程环境及基本指令，掌握PLC的运行方法；应用实验层次实现常用电路以及典型电路的验证，要求掌握电路工作原理、接线及调试方法，会用所学知识分析和处理电路故障；综合实验层次实现电气控制和PLC的综合应用验证，要求掌握用PLC实现电机、电磁阀等控制方法，掌握强弱电混合接线及实验方法；设计实验层次要求按照教师的给定题目要求，能够自己选择设计电路、程序，并能完成实验验证；创新实验层次依据工业应用背景，结合运动控制或过程控制设计综合应用专业知识的简单系统，使学生了解PLC、电气控制、计算机、控制理论、通信等知识的综合应用。

图1　阶梯型实验教学体系构成图

3 阶梯型实验教学模式的实现

建立电气控制与PLC实验课程的阶梯型教学模式，每个层次选做1～2个实验，不同层次的实验采用不同的教学手段、不同的教学时间，培养学生独立分析思考问题、解决实际问题的能力以及开展工程项目研究的能力[6-13]。

3.1 第一阶梯“基础实验层次”

(1)教学目的。教材基本知识的验证，基本实验方法的掌握，编程环境的熟悉。通过这个层次的实验，要求学生认识常用低压电器并会选用。掌握基本的概念，如自锁、互锁、能流、软继电器。熟悉PLC编程软件，会进行文件的编辑、存储、调用以及软件的调试运行。会进行PLC的外部接线和调试运行。要求学生掌握实验现象及实验数据的记录方法，会分析实验数据和实验结果，会撰写实验报告。

(2)教学内容。三相鼠笼式异步电动机点动、自锁、可逆、制动、顺序控制实验；PLC的基本指令、定时器指令、计数器指令；实验安全操作。

(3)教学方法。教师讲授、演示、答疑指导，学生验证，每次实验课时3学时。要求学生提前预习并写好预习报告，教师讲授完后提问巩固，然后演示。注意演示完后教师一定要拆除演示电路并强调学生要按图接线。

3.2 第二阶梯“应用实验层次”

(1)教学目的。掌握典型电路、常用电路，掌握常用的电气保护电路，掌握PLC移位指令、中断程序、子程序、AD/DA转换的应用。要求学生掌握常用典型电路的工作原理、接线方法以及调试分析方法，掌握常用电气保护电路的原理与应用，掌握PLC程序设计及调试方法。

(2)教学内容。三相鼠笼式异步电动机的行程控制实验、能耗制动实验、星—三角降压启动实验、PLC天塔之光实验、中断程序应用实验、子程序应用实验、AD/DA转换应用实验。

(3)教学方法。教师讲授、演示、答疑指导，学生验证，每次实验课时3学时。

3.3 第三阶梯“综合实验层次”

(1)教学目的。会用PLC代替继电器实现常用电气设备控制。要求会使用PLC内部资源，理解输入电路和输出电路的工作原理。

(2)教学内容。用PLC实现三相鼠笼式异步电动机点动、自锁、可逆、制动、顺序控制实验，用PLC实现三相鼠笼式异步电动机的行程控制实验、能耗制动实验、星—三角降压启动实验。

(3)教学方法。教师讲授、演示、答疑指导，学生验证，每次实验课时3学时。

3.4 第四阶梯“设计实验层次”

(1)教学目的。会用PLC设计异步电动机控制系统，会使用变频器，会进行变频器参数设置。

(2)教学内容。基于变频器的运动控制，能实现电动机的转向及转速控制。

(3)教学方法。教师讲授、演示、答疑指导，学生验证，每次实验课时3学时。

3.5 第五阶梯“创新实验层次”

(1)教学目的。了解工业应用背景的控制系统设计方法，熟悉PLC控制系统设计过程，掌握人机界面设计方法，掌握PLC实现闭环控制设计，掌握文献检索方法以及设计报告的撰写方法。

(2)教学内容。液位控制系统设计，全自动洗衣机控制系统设计。要求学生掌握触摸屏使用方法，熟悉PLC控制系统设计方法，会应用组态软件实现系统的实时监控。了解触摸屏和PLC的通信方法。

(3)教学方法。分组设计自行验证，每组3～4名学生，1周时间完成。以学生自学为主。教师点评、演示3学时。教师讲解整个系统的设计过程、模拟方法、仿真方法以及实现方法。

4 结语

通过阶梯型实验教学，使学生掌握了PLC和电气控制系统基本思想、基本知识和基本方法，帮助学生树立了强烈的工程意识，培养了他们较高的自学能力、协作能力、沟通能力以及工程实践能力。通过阶梯型实验教学，有效解决了以下2个问题：一是传统实验教学模式单一的问题，二是传统实验教学内容孤立、缺乏联系的问题。