王 丹

梧州學院機械與材料工程學院 廣西梧州 543002

電氣控制與PLC技術課程是自動化專業(yè)的專業(yè)基礎課。主要解決制造裝備方面電氣設計與PLC控制方面的問題。自從應用型本科建設[1]和新工科建設[2-4]提上日程，工程思維[5]引起了廣泛關注。電氣控制與PLC技術課程一直以來在工程運用中占有非常重要的位置[6-7]，尤其是在新工科建設中，屬于智能制造方向的分支，因此基于工程思維的電氣控制與PLC技術課程改革迫在眉睫。

1 從工具思維到工程思維

傳統(tǒng)的電氣控制與PLC技術課程教學分為2個部分，存在如下問題。

(1)各知識點孤立。電氣控制部分涉及接觸器、繼電器、主令電氣、按鈕、開關等低壓電氣元件的介紹，典型線路的電氣控制等。PLC技術涉及PLC原理、數字量、模擬量、基本指令、通信等。每一個知識點都是一個小節(jié)內容，包括原理介紹、運用舉例等。這些知識點是一個個散的點，沒有融合起來，因此對于電氣控制和PLC技術的知識體系，學生沒有搭建完成。

(2)知識點過于陳舊，缺乏實際工程背景。新型的控制設備，元器件等很少介紹。教學案例多采用的比較陳舊搶答器之類的，缺乏實際工程背景支撐。

(3)理論重于實踐。傳統(tǒng)的教學中，電氣控制部分在介紹電氣原理圖的設計時，包括選型、畫圖等講解了之后，沒有真正地讓學生針對某一個任務進行電路圖的設計，也沒有使用電工工具進行電路布線等操作，幾乎是按照課本瀏覽了圖片。PLC技術部分重點放在了單個指令的使用，沒有進行工程項目的訓練，同時實驗室的教學設備，輸入輸出等接口內部已經接好，學生只需要插線就可以，沒有親自動手了解其輸入輸出接線的原理與規(guī)則，導致很多學生到了現(xiàn)場，不知道實際PLC輸入輸出的接線規(guī)則。

傳統(tǒng)的電氣控制與PLC技術課程側重于工具思維的培養(yǎng)，教育學生使用電氣元器件、PLC控制器這些工具，在解決某一個具體問題時，學生可以根據所學知識進行解決，但是面對一個實際的工程，學生缺乏解決這個工程的工程思維。在課程中工程思維體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)設計方案

對于項目設計，首先控制要分析需求，根據實際需求，理論計算和實際分析相結合，設計電氣控制方案和PLC技術的軟件方案。在設計方案時，需要團隊合作，共同協(xié)商。

(2)選型

根據設計的方案，考慮可行性、可靠性和經濟效應，選擇電氣元器件和控制器的型號、品牌、數量等。在選型時，要注意選擇最合適的，而不是最好的。

(3)畫圖和編程

根據系統(tǒng)方案和選型結果，進行電氣原理圖的繪制，需要掌握電氣原理圖繪制的規(guī)則及標準。軟件方面，需要配合電氣元件進行程序的編寫。這個過程中要有權衡得失的思維，例如用軟件編程解決還是用硬件電路解決，需要綜合考慮，站在電控系統(tǒng)整體的高度權衡利弊。

(4)電控柜的制作及布線

根據電氣原理圖制作電控柜，同時完成布線。需要掌握布線的規(guī)則、接線方法、常用的電工工具的使用。這個過程中需要抓住重點，例如布線的時候，電源線和信號線的安排等。

(5)設備調試

完成電控柜的安裝之后，進行調試。需要掌握調試的方法、調試工具的使用及調試的思維。

(6)項目文檔

調試完成之后，需要完成使用手冊與說明，方便使用者使用。

以上是基于PLC控制系統(tǒng)方面的工程項目，從開始提出需求到最后完成需要的步驟，這些步驟要完成，就需要具備工程思維的能力。因此把一個項目拆分成6步，按照這些步驟引導學生去完成，從而鍛煉學生的工程思維能力。如果課時比較少，可以分組完成，電氣和軟件2部分共同協(xié)作。

2 基于工程思維的課程體系的教學實踐

工程項目：基于PLC的電熔焊智能監(jiān)控系統(tǒng)設計。該項目由東莞某機器人公司提供，需要解決通用電熔焊機在焊接新能源汽車電機定子引線時精度不穩(wěn)定、一致性不高的問題，因此經工程師們協(xié)商方案，采用以監(jiān)控引線端子厚度為主控制、焊接時間為輔控制的控制方案。該項目設計到的知識點包括了低壓電氣的選型、控制原理圖、電控柜布線、控制方案設計、PLC的數字量、模擬量、高速捕獲，總線通信等。將該工程項目拆分成6個步驟，設計任務書，5～6人為1個小組。

(1)需求分析與方案設計

任務要求：

第一，討論需要監(jiān)測和控制的參數，如該項目需要監(jiān)測引線端子厚度、電極壓力、氣壓、流量、焊接電流、時間等。

第二，討論監(jiān)測參數的方法。

第三，討論控制參數的方案。

課時：理論4課時+課下討論。

說明：理論4課時，教師有3個部分的任務，首先，需要組織學生討論，分析項目需求；其次，引導學生查閱資料，討論可行的方案；最后，對學生提供的方案進行點評，提出合理建議，并評出獲得全班最優(yōu)方案的小組。

(2)選型

任務要求：

第一，根據方案確定PLC控制器型號、通信模塊型號。

第二，確定傳感器型號，如該項目涉及光柵尺、掃碼槍、壓力傳感器、流量傳感器、電氣閥門等。

第三，確定低壓電氣元器件型號。

課時：課堂8課時+課下討論。

說明：課堂8課時，分為2部分，首先，在學生完成需求分析與方案設計之后，正式選型之前，引導學生查閱資料，理解選型的原則與思路，掌握選型時計算方法與需要考慮的經濟、實用等現(xiàn)實問題。其次，學生完成選型后，分組匯報選型結果后組織大家互相點評。點評后教師集中點評，提出建議，并評出獲得全班最優(yōu)方案的小組。

(3)畫圖與編程

任務要求：

第一，根據控制方案和選型結果，確定電氣原理圖模塊和軟件程序模塊。此項目中電氣原理圖模塊包括：主控制器模塊，通信模塊，模擬量模塊，擴展模塊等。軟件程序模塊包括：流程模塊，自動焊接模塊，手動調試模塊，報警模塊，記錄數據模塊等。

第二，分工。根據總框圖分工完成電氣原理圖繪制和程序編寫。

課時：課堂32課時+課下討論。

說明：在此階段，需要細分步驟和分析模塊，引導學生拆分任務，并階段性地組織討論，引導其完善任務。在此階段中，涉及比較多的知識點，需要教 師羅列出來，并引導學生在完成任務時將其掌握。此環(huán)節(jié)需要評出獲得全班最優(yōu)方案的小組。

(4)電控柜制作與布線

任務要求：

第一，根據電氣原理圖和元器件，設計電控柜的布局圖。如電源線和控制線分開布線，地線端子統(tǒng)一布置，控制器與其他模塊之間的間距等。

第二，根據電控柜布局圖展開討論，改善不合理的部分。

第三，根據完善后的電控柜布局圖進行布線。如工具的使用，線型的分配，線色的安排等。

第四，檢查線路。例如，使用萬用表檢查控制器模塊電源線是否正確等。

課時：課堂8課時+課下。

說明：此步驟需要課下花大量時間完成，涉及動手操作與實際運用，教師要引導學生多嘗試，在確保安全的情況下進行。此環(huán)節(jié)需要評出獲得全班最優(yōu)方案的小組。

(5)設備調試

任務要求：

第一，手動模式下，調試各傳感器線路，包括數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、通信測試等。

第二，手動模式下，測試焊接過程的邏輯是否合理。

第三，自動模式下，測試自動焊接。根據焊接過程出現(xiàn)的問題，修改程序或者線路的錯誤。

課時：課堂14課時+課下討論

說明：此步驟涉及到邏輯思維能力與發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是最難的一個步驟，教師需要提出方式和方法，引導學生思辨。此環(huán)節(jié)需要評出獲得全班最優(yōu)方案的小組。

(6)項目文檔

任務要求：完成使用手冊的撰寫。

課時：課堂2課時+課下討論。

說明：此步驟可以參考以往實驗室設備的說明書模仿完成。此環(huán)節(jié)需要評出獲得全班最優(yōu)方案的小組。

3 課程考核方式和評價的教學改革

考試形式可采用“考試成績30%+平時成績70%”的形式，以下是評分過程與方法。

將項目的每個步驟抽出，并列出任務清單，學生每完成一個任務，進行一次評分，包括課堂的討論與實際完成的情況。根據每個步驟的難易程度，列出分值的權重。例如此項目，6個步驟權重分別為10%，10%，20%，10%，10%，10%。在每一個步驟中，可將任務清單細化，由若干個小的任務組成，每個小任務根據難易程度列出分值的權重。

加分項。討論環(huán)節(jié)，如果有表現(xiàn)特別積極，或者有創(chuàng)意想法的個別學生，酌情加分。

PK項積分。小組方案PK時，每次贏的小組可以獲得集體加分項。

4 教學效果

4.1 積極性

發(fā)布任務主題時，學生已經表現(xiàn)出了極大的興趣，后續(xù)環(huán)節(jié)在推動時，積極性更是非常高，主要表現(xiàn)在如下幾個方面。

(1)查閱資料。以往的教學中，幾乎涉及不到需要學生查閱資料的環(huán)節(jié)，即使是需要學生查閱資料，學生完成度也不高，或者目的性不強。但在此次項目中，幾乎在課本上找不到現(xiàn)成的答案，學生只能通過上網查閱文獻，或者在圖書館查閱資料、獲取信息。據統(tǒng)計，學生在整個任務過程中，平均閱讀文獻數目為30篇，最高紀錄有學生閱讀文獻102篇。同時，在閱讀文獻時，由最開始的每篇精讀，到后面選擇性地閱讀，大大提高了自己閱讀文獻的能力與提取信息的能力。

(2)討論問題。傳統(tǒng)教學的討論問題，只集中在課堂上，課下學生各自完成作業(yè)即可，不需要討論問題，而在此任務中，難度加大，大家彼此查閱資料后，需要交流，獲取信息與思路，因此經常私下組織討論。

(3)提問題。以往課堂上，教師提出問題，學生回答即可，極少學生主動問問題。此次任務中，學生遇到的問題非常多，關于具體知識點或者關于總體規(guī)劃等各個方面，思辨的機會大大增多。

4.2 認知

學生通過完成項目的訓練，對自動化專業(yè)有了比較深的認知，對智能制造行業(yè)也有了比較大的興趣，有學生在這門課程結束后，就提出要利用暑假時間到給相關企業(yè)實習，繼續(xù)深入地實踐，而以往學生暑假一般是旅游或者在家休息。同時，有不少學生在課程結束后，有了新的點子，并咨詢教師和工程師，想要將想法變成產品。

4.3 實踐能力

由于此項目需要完成一套監(jiān)控系統(tǒng)，所以學生的實踐能力在做任務的過程中慢慢提高，動手的實踐經驗也慢慢積累下來。例如有學生課后總結時提到，剛開始連剝線鉗都不會使用，但是項目結束后，已經熟練地掌握了撥線的力度、方向、距離等。

5 結語

在多方面協(xié)作的情況下，完成電氣控制與PLC技術課程改革。首先是企業(yè)的項目來源支持、技術支持、師資培訓的支持，然后是學校加大改革力度與形式的支持，第三是教研室教師集體討論任務清單，實施過程的引導等支持。此次改革，讓學生從完成一個實際項目入手，不僅掌握了課程的知識點，同時工程思維能力也得到極大的提高，為其后續(xù)進入企業(yè)實習打下基礎。