對高職《電氣控制與PLC》課程教學的思考

□徐 茜

對高職《電氣控制與PLC》課程教學的思考

□徐 茜

在總結多年教學實踐的基礎上，提出了一種旨在培養(yǎng)學生工程能力的“工程體驗式”教學方法，結合“電氣控制與PLC”課程教學，介紹了在教學過程中的具體做法。強調安裝調試過程及自動化產品使用手冊、工程圖紙等技術文件的使用在教學過程中的重要性和必要性。教學實踐表明，“工程體驗式”教學法，在高等職業(yè)技術教育教學中行之有效。

工程體驗式；PLC；教學法；電氣控制

一、引言

美國近代著名的教育家約翰·杜威（John Dewey，1859—1952）關于教學，曾有過一段精彩論述：“學校的責任是啟發(fā)學生對學科的興趣，并從中學習解決問題的方法和思考方式，讓學生從實踐（活動）中掌握知識，而不是由教師報告他人的學習成果?！盵1]美國的高等工科教育受到杜威思想的深刻影響，如美國最早的私立工科大學之一，位于馬塞諸塞州的伍斯特理工學院 （Worcester Polytechnic Institute，簡稱 WPI，1865 年建校），在美國率先創(chuàng)立了“理論與實踐并重”的工科教育模式，并以校園內兩座塔式建筑，教學樓和工程訓練大樓作為標志，“理論與實踐并重”的教育模式也被稱為 “雙塔模式”（The Two Towers)，“雙塔模式” 得到美國學界和工業(yè)界的廣泛認同，并被之后的工科院校紛紛效仿。現在，WPI仍保持一貫的教育傳統，與工業(yè)界關系密切，重視學生應用理論知識解決工程實際問題的能力培養(yǎng)，學校設有項目中心（Project Center)，負責管理來自工業(yè)界工程項目，為學生和企業(yè)服務[2]。WPI的畢業(yè)生因為有著良好的工程訓練，一直以來，受到美國乃至全球優(yōu)秀企業(yè)的青睞。

“雙塔模式”也影響了國內的工科教育，但如何更好地培養(yǎng)學生工程實踐能力，激發(fā)學生對學科的興趣，也是歷次工科教育、高等職業(yè)技術教育改革的目標?！半姎饪刂婆cPLC”是電氣控制、自動化類專業(yè)開設的一門專業(yè)技術課程。由于微電子技術的發(fā)展進步，電氣控制技術日新月異，特別是可編程控制器的出現，由于它具有功能強、可靠性高、抗干擾能力強、適用于復雜的工業(yè)環(huán)境、易于與工業(yè)控制系統聯成一個整體、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點，使其在電氣自動化控制的各個領域得到了廣泛的應用，成為現代工業(yè)自動化的三大支柱之一[3]。所以，我國各類工科院校、高等職業(yè)技術學院相關專業(yè)都開設了電氣控制與PLC課程。目前，國內市場上95%左右的可編程控制器都是國外進口，主要廠商有Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc 等國際大公司，歐美公司在大、中型PLC領域占有絕對優(yōu)勢，日本公司在小型PLC領域占據十分重要的位置。所以，相同的課程設置，教學內容因為所選產品的不同而呈現多樣性。一般以中小型PLC作為首選，常見的選型產品有：德國西門子S7-200/300、日本三菱FX0N/FX2N、歐姆龍CP1H等。教學形式上，基本上沿用以往理論課加實驗課的模式。

如何跟近技術應用的發(fā)展，如何提高學生的工程應用能力，下面結合自己多年來 “電氣控制與PLC”教學工作，圍繞如何提高學生工程實踐能力這一中心，從教學內容、教學方法與手段、教學的組織等幾個方面，探討了我們在課程教學中的一些具體做法。

二、課程教學的目標與要求

“電氣控制與PLC”教學內容由兩部分組成，第一部分，介紹常用低壓電器及繼電接觸器控制系統；第二部分，介紹可編程控制器的工作原理及應用，包括硬件電路和應用軟件的設計。從知識的內在關系來說，第一部分是基礎，第二部分既是繼電接觸器控制系統功能上的延續(xù)，同時又具有全新的體系結構，實際上，可編程控制器是以微處理器為核心的工業(yè)計算機。課程基本要求：熟悉常用低壓電器的結構、工作原理、特性及應用，具備繼電接觸器控制系統基本分析能力，重點掌握典型電氣設備控制系統分析及應用；了解可編程控制器的工作原理及結構特點，熟悉可編程控制器基本邏輯指令、順控指令、功能指令及應用；具備PLC控制系統設計與維護基本能力。課程以提高學生的全面素質和培養(yǎng)學生的各項能力為核心組織教學。

在我校，電氣自動化技術專業(yè) “電氣控制與PLC”課程安排在校內工業(yè)中心電氣控制與可編程控制器實訓室，每周兩個單元的時間?？紤]到高等職業(yè)教育主要服務于地方經濟，承擔著為本地區(qū)培養(yǎng)高級技能型人才。深圳地處我國經濟發(fā)展前沿，工業(yè)自動化水平很高，工業(yè)生產自動化裝備主要是進口，且以德國和日本裝備為主，現場大量地使用中小型PLC。所以，我們學校選用的PLC以日本三菱和德國西門子小型機為主，這也基本上反映了當前國內PLC市場上主流機型的狀況。

“電氣控制與PLC”課程教學以怎樣用好自動化產品為主線展開，任務非常明確，在了解自動化產品結構原理基礎上，重點是如何應用，熟悉產品的主要技術參數、特點，使用中要注意的問題等。以交流接觸器為例。首先，了解交流接觸器的結構原理、功能，熟悉具體某一個型號的產品，如交流接觸器CJ10-20，通過典型的應用，掌握交流接觸器的檢測方法和使用方法、主要的技術參數、選型方法及使用中的注意事項。課程大綱中所有要求掌握的自動化器件（包括PLC）都是從產品使用的角度出發(fā)介紹給學生。盡量減少理論的贅述。學時分配情況，第一部分常用低壓電器及繼電接觸器控制系統約占總學時的三分之一，第二部分PLC控制系統占約三分之二。分階段展開教學，每一個階段，知識的學習和能力訓練各有側重，由簡單到復雜，由單一功能到綜合應用，循序漸進。第一部分，低壓電器及繼電接觸器控制系統部分，通過幾個典型的電氣控制系統訓練項目，讓學生重點在工程識圖、硬件電路的接線、布線、電路的檢測等方面得到訓練；第二部分分兩個階段，首先，了解PLC的結構、工作原理，熟悉PLC輸入/輸出電路，通過電動機正反轉循環(huán)控制等簡單項目的訓練，讓學生熟悉PLC控制系統組成及系統的調試方法、指令的基本應用。最后階段是綜合項目的訓練，重點是PLC編程訓練與提高。

三、“工程體驗式”教學法

教育家約翰·杜威的教育思想揭示了一個認知規(guī)律，即體驗是對未知領域的最好的認識過程，且這一過程具有自主思維的特性，充滿激情。強調技術應用和實際操作能力的高等職業(yè)技術教育，特別注重學生工程實踐能力的培養(yǎng)，我們認為培養(yǎng)學生技術應用能力最有效的途徑，就是讓學生在工程實踐中去體驗，在體驗中去學習。

（一）以項目驅動教學[4]

“電氣控制與PLC”課程教學一般兩個同學為一個小組，在教學的不同階段，相互協作，共同完成工程項目。第一階段，重點在工程識圖、硬件電路的接線、布線、電路的檢測等方面訓練，項目以器件的檢測、安裝，系統的調試、運行為主，在工程實踐活動體驗中，熟悉產品，掌握測試和調試的方法。在熟悉器件的開始階段，盡量不用封閉或半封閉的實驗裝置，讓學生在真實的工業(yè)環(huán)境中去體驗。由簡到繁，完成工業(yè)上幾個典型的電氣控制系統項目。第二階段，重點是了解PLC的結構、原理，熟悉PLC輸入/輸出電路、PLC控制系統。具體地，將PLC作為一個器件，從使用的角度讓學生去認知，重點是輸入/輸出電路、工作原理。讓學生在PLC的應用中，由外部到內部，由淺及深逐步深入下去，在使用的過程中學習，逐步擴展知識面。同樣地，在開始階段，我們也不贊成用封閉或半封閉的實驗裝置，盡可能讓學生通過安裝、測試、系統調試、運行等過程來熟悉可編程控制器，包括編程器和電腦編程軟件的使用。從簡單的電動機控制項目到工業(yè)機械手的PLC控制項目，讓學生在項目實施的過程中，熟悉產品，熟悉指令及編程調試。在以程序設計為主的第三階段，側重軟件設計與調試，包括計算機仿真，系統的靜態(tài)調試和動態(tài)調試等，完成一個綜合性項目，如三層電梯的PLC控制系統等。

（二）真實工業(yè)環(huán)境的營造[4]

現在大部分學校的實驗裝置使用封閉或半封閉的教學實驗箱，方便了學生接線，而且外型設計美觀，但是，這樣的教學實驗箱我們在工業(yè)現場是看不到的，學生的感受和體驗是不一樣的。在強調學生工程體驗的情況下，我們設置了安裝這一教學環(huán)節(jié)，對于PLC，為了減少對產品本身接線端子因反復接線而造成的損壞，要求學生在輸入/輸出端引入接線端子（這本身也是實際的工程項目中常見的安裝方法），學生對PLC也有更直觀的了解。

另外，這里要特別指出，在教學過程中，實訓室必須備有相關產品使用手冊（電子或文本均可），方便學生隨時查閱，鼓勵學生查閱產品使用手冊。教材和產品使用手冊有很大差別，教材側重于基本原理和基本方法，而關于產品的很多技術細節(jié)不可能涉及到。產品使用手冊作為重要的技術文件就不同了，它對產品有一個全面的描述，包括使用產品需要特別注意的事項，技術指標，甚至典型的案例，有些技術細節(jié)必須要查閱產品使用手冊。重要的是，工程技術人員在工程項目設計和實施過程中，產品的技術文件是經常要使用的。指導學生查閱產品技術文件（或產品使用手冊）是工程體驗式教學不可或缺的教學環(huán)節(jié)。

“工程體驗式”教學法，首先，改變了傳統教學方式，變填鴨式教學為真正以學生為主體、教師為主導的教學方式，突出了教學的實踐性；另外，在教學過程中，同學之間，同學與教師之間的交流討論貫穿教學整個過程，學生的學習主動性和熱情極大提高。

四、仿真軟件的應用

目前可編程控制器的生產廠家有數百家之多，各個廠家的產品又從小型到大型分為許多型號和系列。以日本三菱公司的產品為例，常見的產品有A系列、Q系列和FX系列等，FX系列中又分為FX0、FX0N、FX1、FX1S、FX1N、FXU、FX2N、FX3U等類型，但不管哪種系列或類型，其基本原理是相同的，功能上有所差異。所以，在教學中，我們一般以一種典型產品為對象展開教學，注重對產品結構原理的理解和在工程應用中解決問題的方式和方法的學習。

“工欲善其事，必先利其器”（《論語·魏靈公》），工程技能人才的培養(yǎng)，要特別重視“工具”的使用，除了優(yōu)選合適的產品作為學習對象外，電路檢測和系統調試的工具也尤為重要。各個PLC生產廠家為了方便PLC程序的調試，都推出了相應的PLC仿真軟件，如西門子公司的S7-PLCSIM，三菱公司的GX SIMULATOR等，目前，使用PLC編程軟件和仿真軟件成為學習PLC一種簡單有效的方法。各種仿真軟件的功能基本相同，都是在沒有PLC硬件設備的環(huán)境下，建立一個虛擬的PLC設備，通過編程軟件集成環(huán)境完成程序下載、程序調試和變量狀態(tài)的監(jiān)視[5]。變量時序圖不僅能幫助我們了解程序的運行情況，也能夠讓學生更清楚地了解PLC不同于一般計算機的掃描工作過程。在“電氣控制與PLC”課程教學的第三階段，我們加強了學生PLC仿真軟件的應用。一方面，GX-SIMULATOR的應用，加快了程序調試的過程，通過仿真調試后，再將程序下載到PLC進行靜態(tài)調試，然后再進行系統的動態(tài)調試；另一方面，掌握系統仿真的方法，學生可以很方便地在實訓室環(huán)境以外在自己的電腦上完成項目程序的設計和調試，增加了學生學習的熱情和主動性。很多同學的程序都是在課余時間完成的。更重要的是，仿真軟件的學習和使用，培養(yǎng)了學生的學習能力，為學習其他系列PLC或其他品牌的產品提供了一條有效的方法。“授人以魚，不如授人以漁”，對工程環(huán)境的熟悉，學習解決工程實際問題的方式方法才是工科教育的重要目標。同樣地，系統仿真也是工程實際中常用的技術手段，在實際項目中學習使用是最好的體驗。

五、結束語

“工程體驗式”教學法，強調在教學過程中，讓學生在真實的工程環(huán)境下去體驗、在完成項目的過程中去學習，要求采用真實的工業(yè)設備、技術資料（包括規(guī)范的工程圖紙、產品使用手冊）和工程實際中的技術手段和方法。學生在整個教學活動中，始終處于主體位置，教師的主要工作是組織和指導，充分調動學生的學習興趣，多給學生自由的空間去展示自我，使他們處于主動和積極思考、探索狀態(tài)，在過程中去體驗、發(fā)現問題、解決問題，交流與討論成為“工程體驗式”教學過程的常態(tài)。十多年來，我們一直堅持“工程體驗式”教學法，并在教學實踐中不斷完善，收到了很好的教學效果。

[1]簡·杜威.杜威傳[M].合肥：安徽教育出版社，2010.

[2]WorcesterPolytechnic Institute Undergraduate Catalog，2007-2008.

[3]鐘肇新，等.可編程控制器原理及應用[M].廣州：華南理工大學出版社，1999.

[4]（不詳）.[EB/OL]http://jpkc.szpt.edu.cn/jdx/index.asp，2003.

[5]日本三菱公司.FX系列編程手冊[S].（不詳），1997.

徐茜（1963-），男，湖北人，深圳職業(yè)技術學院副教授，碩士研究生，研究方向為高職教育。

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1001-7518（2011）14-0046-03

責任編輯 顏小兵