李時輝

(義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 義烏 322000)

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“三位一體”遞進式PLC實踐教學(xué)模式構(gòu)建

李時輝

(義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 義烏 322000)

PLC課程是電氣自動化技術(shù)等電氣類專業(yè)的核心課程，其實踐教學(xué)效果是衡量該課程教學(xué)質(zhì)量的風(fēng)向標(biāo).針對傳統(tǒng)PLC實踐教學(xué)模式中所存在的問題，提出了“模型—實物—虛擬”三位一體遞進式PLC新型實踐教學(xué)模式.經(jīng)義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電信息學(xué)院的教學(xué)實踐證明，該教學(xué)模式不僅能促使學(xué)生牢固掌握PLC 的基本知識，還大大提高了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，有利于提升高職院校電氣類人才的培養(yǎng)質(zhì)量.

PLC；三位一體；遞進式；實踐教學(xué)

可編程控制器 (Programmable Logic Controller)簡稱PLC是一種以微處理為核心，將“3C”(微型計算機技術(shù)、控制技術(shù)及通信技術(shù))技術(shù)融為一體，集“3電”(電控、電議、電信)控制功能于一身的高可靠性控制器.運用PLC構(gòu)建的柔性程序控制系統(tǒng)可替代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，在工業(yè)自動化進程中得到迅速普及和應(yīng)用.經(jīng)過20多年的發(fā)展，PLC現(xiàn)已成為美國等工業(yè)發(fā)達國家的重要產(chǎn)業(yè)，在我國也已廣泛應(yīng)用于機械制造、輕工、汽車及文化等各種行業(yè)[1]20-21，[2]144-146.

當(dāng)前PLC已成為各高校電氣自動化、機電一體化等電氣類專業(yè)的核心課程，它與工程實際聯(lián)系緊密，實用性、工程性和綜合性很強[3]136-139.PLC的實踐教學(xué)效果是衡量該課程教學(xué)質(zhì)量的風(fēng)向標(biāo)，PLC的實踐教學(xué)模式影響著電氣類人才的培養(yǎng)質(zhì)量.

開展PLC課程教學(xué)不僅要讓學(xué)生掌握一些基本指令的應(yīng)用，更需通過大量的實驗、生產(chǎn)實習(xí)和課程設(shè)計等實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、知識的綜合運用能力及創(chuàng)新能力.各高校也深知PLC課程在專業(yè)課程體系中的重要性，也都通過增加課時、開設(shè)獨立實訓(xùn)環(huán)節(jié)及引進虛擬實訓(xùn)等方式加強學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，取得了一些成果.但當(dāng)前各高校PLC課程實踐教學(xué)模式仍存在教學(xué)項目受限制、教學(xué)設(shè)備受限制、教學(xué)時間受限制及教學(xué)空間受限制諸多問題.

1 當(dāng)前PLC實踐教學(xué)模式所存在的問題

當(dāng)前各高校在PLC實踐教學(xué)中一般都采用“PLC+實物模型”的教學(xué)模式，近幾年為增強學(xué)生的動手能力，部分高校采用了“PLC+實物模型”為主、“PLC+實物”為輔的實踐教學(xué)模式，這類實踐教學(xué)模式在讓學(xué)生接受一些簡單指令的學(xué)習(xí)方面，取得了較好的效果，但要培養(yǎng)學(xué)生內(nèi)化技術(shù)理論知識，牢固掌握理論知識并靈活應(yīng)用于實踐還是相當(dāng)困難的.主要有以下幾個方面的問題尚待解決.

1.1 教學(xué)內(nèi)容受限制

當(dāng)前各高校的實踐教學(xué)設(shè)備往往都較為簡單，能完成的實訓(xùn)項目非常少，存在無法將企業(yè)生產(chǎn)項目“搬入”課堂、無法非常直觀的運用PLC控制設(shè)備及無法隨時隨地的開展實訓(xùn)等問題.

1.2 教學(xué)設(shè)備受限制

進入21世紀(jì)以來，企業(yè)的技術(shù)發(fā)展可謂是日新月異，企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備也是幾年一換 ，而因受資金、空間等限制，學(xué)院內(nèi)現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)施更新根本無法追上企業(yè)設(shè)備的更新和升級的步伐，致使教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)技術(shù)需求脫節(jié)，嚴(yán)重影響了課程的教學(xué)質(zhì)量.

1.3 教學(xué)時間及空間受限制

當(dāng)前各高校所采用的實踐教學(xué)模式都需要有PLC這一硬件基礎(chǔ)，而隨著高校的快速擴大，在校學(xué)生的不斷增加，當(dāng)前各高校的實驗室往往僅能勉強滿足日常的教學(xué)需求，根本無法滿足學(xué)生在課余時間開展實踐學(xué)習(xí)，為學(xué)生開展自學(xué)、創(chuàng)新性學(xué)習(xí)帶來了時間和空間上的限制，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.

2 “三位一體”遞進式PLC實踐教學(xué)模式的構(gòu)建

為有效地解決PLC實踐教學(xué)中所存在的教學(xué)內(nèi)容受限制、教學(xué)設(shè)備受限制以及教學(xué)時間和空間受限制的3大問題，義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電信息學(xué)院進行了積極而有效的探索與實踐，提出了“三位一體”遞進式PLC實踐教學(xué)創(chuàng)新性的模式，即根據(jù)行業(yè)、企業(yè)對PLC應(yīng)用技能的要求，將實踐教學(xué)分為“驗證性實訓(xùn)”“綜合性實訓(xùn)”及“創(chuàng)新設(shè)計性實訓(xùn)”3大教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)的具體內(nèi)容安排和預(yù)計達到的效果如表1所示.

表1 “三位一體”遞進式PLC實踐教學(xué)模式內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)

PLC的“三位一體”實踐教學(xué)模式以遞進式方式融入教學(xué)實踐(如圖1所示)，通過“PLC+實物模型”教學(xué)模式、“PLC+實物”教學(xué)模式及虛擬實訓(xùn)平臺教學(xué)模式三位一體開展PLC實踐教學(xué).

圖1 遞進式實踐教學(xué)模式

“驗證性實訓(xùn)”階段：在學(xué)期初利用學(xué)院現(xiàn)有的“PLC+實物模型”設(shè)備開展一些基礎(chǔ)性的教學(xué)，讓學(xué)生快速掌握一些PLC的基礎(chǔ)及編程知識.

“綜合性實訓(xùn)”階段：在學(xué)期中，機電信息學(xué)院設(shè)立了為期2周的課程設(shè)計環(huán)節(jié)，利用學(xué)院的“PLC+實物”設(shè)備培養(yǎng)學(xué)生動手能力及系統(tǒng)的安裝調(diào)試能力.

“創(chuàng)新設(shè)計性實訓(xùn)”階段：在學(xué)期后半段，利用PLC虛擬實訓(xùn)平臺培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力及創(chuàng)新能力.

3個階段項目的設(shè)立都由簡單到復(fù)雜、由低級到高級、由基礎(chǔ)到綜合的遞進式，充分利用3個階段的實驗平臺優(yōu)勢，彌補各自實踐教學(xué)模式所存在的不足，突破了常規(guī)實踐教學(xué)模式受時間、空間、設(shè)備不足帶來的諸多弊端，從而達到提高學(xué)生對PLC理論知識的掌握程度，增強學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力的目的.

3 “三位一體”遞進式PLC實踐教學(xué)模式的實踐

3.1 利用“PLC+實物模型”完成驗證性實驗教學(xué)

很多高職院校在實踐教學(xué)中往往僅用該模式完成教學(xué)任務(wù)，該模式實驗臺上PLC的I/O輸入口往往都是用按鈕或撥動開關(guān)來代替行程開關(guān)等各類主令電器，I/O輸出口則用發(fā)光二極管或7段數(shù)碼管來代替電機、水泵及液壓泵等各類工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備.這樣的實驗臺具有操作簡單、安全等優(yōu)勢，但也存在一些問題：

1)學(xué)生無法真正意義上理解PLC在工業(yè)現(xiàn)場的實際應(yīng)用

實驗臺上用撥動開關(guān)來代替行程開關(guān)，在調(diào)試時學(xué)生無法理解行程開關(guān)實際的工作過程；用發(fā)光二極管來代替電機，當(dāng)發(fā)光二極管亮?xí)r代表電機開始工作，學(xué)生只看到燈亮而沒看到電機轉(zhuǎn)，學(xué)生心里會納悶如果接的真的是一個電機，它的確會轉(zhuǎn)嗎.

2)無法培養(yǎng)學(xué)生的動手能力

在傳統(tǒng)型實驗臺上開展實驗，實驗臺上的PLC的I/O口與各輸入輸出間僅需插拔導(dǎo)線即可，不需動手安裝啟停按鈕、接觸器、行程開關(guān)及電機等各類輸入輸出設(shè)備，出現(xiàn)故障也可以非常容易判斷，根本無法培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，當(dāng)學(xué)生走上社會，走上工作崗位，遇到一個實際的PLC控制系統(tǒng)將束手無策.

因此，機電信息學(xué)院在開展實踐教學(xué)中，充分利用在進行一些基礎(chǔ)指令教學(xué)時其得天獨厚的優(yōu)勢，在課程開設(shè)的初級階段(一般為第1～8周)采用這種教學(xué)模式，讓學(xué)生快速地掌握一些PLC的特點及基礎(chǔ)指令的學(xué)習(xí).在課程開設(shè)的中后期階段則采用“PLC+實物”模式及PLC虛擬實訓(xùn)平臺的模式來彌補“PLC+實物模型”在培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力上的不足.

3.2 利用“PLC+實物”模式完成綜合性實訓(xùn)提升學(xué)生動手能力

為彌補驗證實訓(xùn)平臺所存在的不足，提高學(xué)生的動手能力及解決實際問題的能力，機電信息學(xué)院在學(xué)期中設(shè)立了為期2周的綜合性實訓(xùn)環(huán)節(jié).通過此前近2個月的學(xué)習(xí)，學(xué)生已掌握一定PLC編程技能，對PLC的內(nèi)部構(gòu)成及外部接線已有了一定的了解，為綜合實訓(xùn)環(huán)節(jié)開展奠定了有力的基礎(chǔ).為進一步提升綜合實訓(xùn)的效果，在實施過程中機電信息學(xué)院通過“三個結(jié)合”予以保障.

1)結(jié)合維修電工(高級工)技能鑒定要求設(shè)置實訓(xùn)項目

在綜合實訓(xùn)環(huán)節(jié)教師將結(jié)合高級工考證實際操作內(nèi)容安排3個實訓(xùn)項目，3個實訓(xùn)項目難度逐級提升，項目1為電機的星三角啟動及正反轉(zhuǎn)，項目2為自動送料裝車控制，項目3由學(xué)生自主選擇設(shè)計，難度不得低于前2個項目[4]20-22.

2)結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)過程設(shè)定實訓(xùn)內(nèi)容

為使學(xué)生對企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)過程有較為實質(zhì)性的了解，在設(shè)定實訓(xùn)環(huán)節(jié)內(nèi)容上結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)過程，主要包括：控制方案的設(shè)計，電氣接線圖等硬件的設(shè)計，程序等軟件的設(shè)計，線路及設(shè)備的安裝，系統(tǒng)的調(diào)試及完善.

3)結(jié)合生產(chǎn)實際充分發(fā)揮學(xué)生的動手能力

在實訓(xùn)臺上除了電源外無其他任何設(shè)備，是全開放式的，學(xué)生可根據(jù)控制要求及自己的設(shè)計來安裝各類主令電器、設(shè)備等，根據(jù)硬件設(shè)計方案動手完成PLC與外部輸入輸出的接線等各類接線.

通過自己親自動手安裝設(shè)備、編寫程序及調(diào)試系統(tǒng)，首先，加深了學(xué)生對此前所學(xué)的PLC知識的理解，指令的應(yīng)用更加熟練，編程思路更加清晰；其次，學(xué)生自己通過動手安裝的系統(tǒng)能讓設(shè)備工作起來，增強了學(xué)生的自信心及學(xué)習(xí)的興趣；再次，學(xué)生真正把工業(yè)中應(yīng)用的PLC、常用低壓電器、電動機等通過綜合訓(xùn)練聯(lián)系在一起，熟悉了它們的使用方法，使學(xué)生的動手能力有了很大的提高，分析解決實際問題的能力更是有了突破性進展.同時，通過開展綜合實訓(xùn)環(huán)節(jié)，很好地做到了與高級工考證的無縫對接，真正意義上做到了“雙證融通”.但“PLC+實物”模式因受場地、資金限制等原因，能開展的實訓(xùn)項目較少，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力上仍有很大程度上的欠缺，機電信息學(xué)院在課程開設(shè)的后期則采用PLC虛擬實訓(xùn)平臺的教學(xué)模式，利用虛擬仿真投入小，能開展的實訓(xùn)項目多等優(yōu)點來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

3.3 利用PLC虛擬實訓(xùn)平臺提升學(xué)生的綜合設(shè)計及創(chuàng)新設(shè)計能力

相比“PLC+實物模型”模式，“PLC+實物”完全通過硬件實現(xiàn)PLC實驗裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，輸入輸出明確，容易展現(xiàn)結(jié)果，可很好的提高學(xué)生的動手能力等優(yōu)點.但因資金投入等原因?qū)嶒炘O(shè)備往往較簡單，能完成的實訓(xùn)項目較為單一，更新的成本大，實驗效果并不理想.對于復(fù)雜對象在實驗室難于建設(shè)，特別是在進行綜合性的大型實驗時，效果欠佳，同時，因設(shè)備等原因使學(xué)生也很難在上面開展創(chuàng)新型實驗.同時前面2種模式還有一個共同的缺點，學(xué)生開展實訓(xùn)必須要在實驗或?qū)嵱?xùn)室開展，使學(xué)生能參加實訓(xùn)的時間和空間受到了很大的限制.為彌補此前2種模式所存在的不足，機電信息學(xué)院的專業(yè)教師又研究開發(fā)了基于“視頻+虛擬仿真”模式的PLC虛擬實訓(xùn)平臺，運用于課程后期階段的實踐教學(xué)，取得了較好的效果.該實訓(xùn)平臺具有以下一系列優(yōu)勢：

1)可將生產(chǎn)線“搬入”課堂

該虛擬實訓(xùn)平臺以組態(tài)軟件為平臺，利用多媒體處理軟件的優(yōu)勢來彌補組態(tài)軟件在處理聲音、圖片及制作動畫上的劣勢，從而可將自動化控制系統(tǒng)現(xiàn)場通過視頻及計算機仿真模式“搬入”課堂，展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生在教室內(nèi)就可直觀地感受到生產(chǎn)現(xiàn)場的工作過程及工藝要求.提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對試驗本身及理論課程的理解，從而達到提高教學(xué)效果的目的[5]162-167.例如社會上及學(xué)校內(nèi)都安裝有自動售貨機，據(jù)了解所有的學(xué)生都曾使用自動售貨機購買東西，機電信息學(xué)院即在虛擬實訓(xùn)平臺上根據(jù)自動售貨機的外觀及工作原理制作了虛擬售貨機，要求學(xué)生為售貨機編制PLC控制程序，確保售貨機正常工作，因項目的設(shè)置完全貼近于生活，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

2)可滿足生產(chǎn)企業(yè)不斷更新的技術(shù)需求

虛擬實訓(xùn)平臺上的設(shè)備都是虛擬的，而且虛擬實訓(xùn)平臺還具有二次開發(fā)的功能.因而當(dāng)企業(yè)內(nèi)的設(shè)備更新?lián)Q代了或者工藝有提高了，機電信息學(xué)院的專業(yè)老師就很快可以利用平臺的二次開發(fā)功能，按企業(yè)更新后的工作設(shè)備的形狀、特點及工作特征在平臺上構(gòu)建一個類似的虛擬設(shè)備，因而在投入極少的情況下就可以使課程的實踐教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)的技術(shù)需求完全對接，彌補了常規(guī)實踐教學(xué)模式更新速度慢、更新成本高這一難題.

3)可有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

該實訓(xùn)平臺注重學(xué)生的能力培養(yǎng)，并給學(xué)生留有足夠的發(fā)揮空間，具有很好的開發(fā)柔性和擴展性.虛擬實訓(xùn)平臺中設(shè)有一定數(shù)目的輸入輸出元件，同時PLC也有一定數(shù)目的輸入輸出點，學(xué)生可以自己利用平臺內(nèi)的元件組成的接近實際工業(yè)應(yīng)用的界面，自己編制其控制程序，在仿真狀態(tài)中同學(xué)們可直觀地對自己所編的PLC實驗程序正確與否進行驗證.能充分發(fā)揮學(xué)生個人的創(chuàng)造性思維，同時也可以使學(xué)生掌握PLC與電力拖動、計算機系統(tǒng)的信號傳遞及控制功能等結(jié)合的先進控制技術(shù).

4 結(jié)語

文章以義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電信息學(xué)院PLC課程為研究對象，分析和總結(jié)了該院PLC課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，形成了以專業(yè)知識能力培養(yǎng)為基礎(chǔ)、以動手能力培養(yǎng)為推手、以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為終極目標(biāo)，“PLC+實物模型”教學(xué)模式、“PLC+實物”教學(xué)模式及虛擬實訓(xùn)平臺教學(xué)模式“三位一體”遞進式開展PLC實踐教學(xué).盡管“三位一體”遞進式PLC實踐教學(xué)模式還存在著一定的問題，諸如3個階段的項目的設(shè)置還不盡合理、虛擬實訓(xùn)平臺中現(xiàn)有的實訓(xùn)項目還偏少及虛擬實訓(xùn)項目的美觀度還有待進一步提高等問題.但不容置疑的是“三位一體”遞進式PLC實踐教學(xué)模式較之傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式具有更好的優(yōu)越性、開放性、空間性及創(chuàng)新性，是對PLC實踐教學(xué)模式的一種有益的探索，在提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，特別是動手能力和創(chuàng)新能力等方面，起到了非常明顯的積極的作用.“三位一體”遞進式教學(xué)模式注重將企業(yè)生產(chǎn)項目與課堂教學(xué)相結(jié)合，更注重學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，值得在高職院校PLC課程實踐教學(xué)中推廣應(yīng)用.

[1] 王 春.基于組態(tài)軟件的PLC實驗教學(xué)系統(tǒng)[D].成都:西華大學(xué),2009.

[2] 王惠莉.基于MCGS的PLC實驗教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2010,32(s2).

[3] 苗紅霞,齊本勝.PLC控制技術(shù)實驗教學(xué)改革研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2010,27(03).

[4] 魏祥林,付龍飛,王樹東.“電氣控制與PLC應(yīng)用”課程教學(xué)理念優(yōu)化[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2012,34(02).

[5] 張 芬.基于MCGS組態(tài)技術(shù)的PLC實踐教學(xué)改革[J].電子設(shè)計工程,2012,20(10).

[責(zé)任編輯 梧桐雨]

Construction of the “Three-in-one” Progressive Teaching Mode in PLC

LI Shihui

(YiwuIndustrialandCommercialCollege,Yiwu322000,China)

PLC is a core curriculum of electric majors of Electrical automation technology, whose teaching effects usually measure the teaching quality. Based on the analysis in problems in the traditional PLC practice teaching mode, the paper focuses on the construction of “Model-Material object-Virtuality” “Three-in-one” Progressive Teaching Mode which has been put into practice in School of Mechatronics﹠IT of Yiwu Industrial and Commercial College. It is proved that the teaching mode will help students master the basic knowledge of PLC, greatly improve their skills and innovation ability, and cultivate high-quality electric talents in vocational colleges.

PLC; Three-in-one; progressive; practice teaching

2016-10-11

浙江省社科聯(lián)課題“‘大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新’背景下浙江省高技能人才培養(yǎng)體系構(gòu)建研究”(2017N21)

李時輝(1981- )，男，浙江義烏人，義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，主要從事信號與信息處理及自動控制系統(tǒng)研究。

TP273；G642

A

1671-8127(2017)02-0087-04