“現代電氣及PLC技術”課程教學改革方法探索

摘要：提出了“現代電氣及PLC技術”課程優化與改革的一些方法，將理論教學和實踐環節緊密結合。采用了項目教學法來加強學生的PLC實踐能力培養，輔以PLC課外科研項目來反哺教學；整合和擴充了實驗設備和計算機輔助系統，優化教學資源；完成了教學手段向現代多媒體技術轉變，使教學手段多樣化；利用了學校的網絡教學平臺，建立了基于網絡的PLC課程輔助教學系統。教學實踐表明，這些改革方法在“現代電氣及PLC技術”優秀課程建設的應用中取得了良好效果，教學質量得到了較大提高，且這些方法具有較強的推廣性和實用性。

關鍵詞：項目教學法；PLC；教學改革；資源優化；多樣化

作者簡介：黃飛騰（1984-），男，浙江溫州人，浙江工業大學信息工程學院，實驗師；翁國慶（1977-），男，浙江衢州人，浙江工業大學信息工程學院，副教授。（浙江 杭州 310023）

基金項目：本文系浙江工業大學優秀課程建設項目（項目編號：YX1206）、浙江工業大學教學方法改革專項項目（項目編號：JGZ1303）、院教改項目“以科研優勢為依托的特色新興專業建設”、院教改項目“《電力系統綜合自動化》實驗教學改革”的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）33-0101-03

PLC中文名稱為可編程控制器，是在電氣控制技術和計算機技術的基礎上發展而來，是自動化控制領域中一種極其重要的新型控制設備。[1]“現代電氣及PLC技術”是高校電氣、自動化、機電等相關專業的一門重要課程，它的理論教學和實踐環節在本課程教學中具有不相伯仲的重要地位。[2]

科技發展迅速，社會和企業對高校人才的實踐能力要求不斷提高。而本課程傳統的教學模式存在教學手段單一、理論與實際社會需求脫離等問題。特別是在實踐環節十分薄弱，存在課時量少、形式單調、交互性差等缺陷。[3]這些不足之處制約了學生實踐能力的培養和提升，PLC課程亟待改革和優化。本文研究了“現代電氣及PLC技術”課程優化與改革的方法，主要包括四部分內容：采用項目教學法來加強實踐能力鍛煉；整合和擴充實驗設備以優化教學資源；利用多媒體技術，使教學手段多樣化；利用網絡教學平臺建立輔助教學系統。

一、項目教學法的應用

項目教學法是德國著名教育專家弗雷德教授倡導的重要教學理論，它是一種培養高技能人才的實踐教學方法，非常適用于理論與實際應用緊密聯系的PLC技術這門課程。[4]

項目教學法的實施方法主要是：教師將教學課題或任務進行立項，以項目形式交給學生小組來完成，教師給予必要的指導。學生團隊合作，制訂計劃，分工協同，在自主完成項目的過程中，運用和掌握知識，分析并解決問題，鍛煉了自主思維方式、實踐能力和團隊協作能力等。[5]

將項目教學法應用于PLC技術課程的實踐教學中，是本文教學改革研究的關鍵，整合后的PLC實驗資源，為項目教學法提供了良好的教學基礎。教師利用多媒體教學授予必要的理論知識，利用資源共享網絡與學生開展高效率的互動交流，并借助基于網絡技術的PLC課程輔助教學系統，解決了課內項目教學法在實踐環節上學時不足的問題，調動學生積極性，更好地進行主動探索。

項目教學法在“現代電氣及PLC技術”課程改革中，分兩種類別實施。第一類是經典案例的項目教學，教學目的是使學生掌握可編程控制器控制技術的基本理論、分析方法和應用技術。第二類則是科研項目反哺教學，提高教學水平和前沿性，加強學生的創新能力培養。

1.經典案例的項目教學法

采用經典案例的項目教學，教師的教學工作重心從原來的課堂講解轉移到項目教學的三個環節中，分別是項目設立、項目實施和項目評價。新的教學模式下，理論指導、仿真調試和實踐應用都整合到項目教學過程中，便于學生在運用知識過程中更好地掌握理論。

項目教學的第一步“項目設立”，頗具技巧。教師需要考慮各個知識重點，搭配合適的經典案例，精心策劃項目方案。引導學生在完成各個案例項目的過程中，將理論知識的運用與PLC項目教學融合。根據不同的知識和教學目的，經典的案例如表1所示。

此外，還有“紅綠燈控制”、“液體混合罐”、“機械臂控制”等經典案例，教學目的主要是用PLC解決實際問題，掌握PLC的編程方法及程序調試方法。

項目教學法第二步是實施步驟，是教學指導的重要環節。教師利用多樣化教學手段，進行全場掌控和引導，用多媒體技術教學重點講解理論要點和關鍵知識，利用網絡互動平臺解答課后疑問等；而學生們可以在教學輔助系統中自主探索教學資源，或開展同學間的互動和學術探討。學生分組完成PLC教學項目，實施過程一般包含以下內容：控制需求分析、元器件選擇、硬件電路設計、I/O功能分配、PLC程序編寫、仿真測試和運行調試、編制項目報告書。

最后是項目評價階段，學生在老師的點評基礎上，進行回顧和再提高。教師根據教學過程中的記錄內容，并參閱項目報告書，客觀、綜合地給予學生點評，抓住關鍵問題分析和講解，完成從實踐回到理論的升華。學生進一步反思和歸納總結，加強學習效果。

2.科研項目反哺教學

科研項目反哺教學是作為PLC項目教學法中的深化內容。利用與PLC相關科研項目的資源，開展具有前沿性的演示教學，開拓學生的知識面；設立PLC相關創新項目來反哺教學，充分利用PLC實踐平臺的課余開放功能，使得積極主動的部分學生擁有加深和再提高PLC技術的平臺和機會。

浙江工業大學（以下簡稱“我校”）PLC教學師資隊伍中，科研能力出眾的教師有許多在研或已完成的PLC相關科研項目。首先利用已完成的科研項目成果和設備進行反哺教學，開設PLC項目演示教學，讓學生們深入了解PLC技術在科研項目中的運用。比如利用我校的新能源科研項目，風光互補發電系統，智能微網系統中采用PLC控制的電機、模擬風機等內容，這些前沿性的演示教學項目具有開闊學生眼界的作用。然后教師從在研的項目中，分配出一部分較基礎的PLC設計部分，交予部分優秀學生來參與完成，鍛煉和培養了學生的創新能力。我校不少科研團隊中，已形成了由研究生帶領優秀本科生參與到導師科研項目的眾多成功例子，培養出的學生在自主創新方面取得了不少佳績。其他反哺方法有設立PLC課外科技項目或PLC畢業設計項目，充分利用課余開放實驗，引導學生自主完成具有一定創新意義的PLC設計項目。

在教師指導下，我校已有較多由學生自主完成的基于PLC技術的創新項目，比如圖1所示的“基于于PLC的多功能電力系統自動裝置設計”，就是一項優秀的基于PLC技術的畢業設計項目。以及圖2和圖3所示的“中央空調及其節能技術的研究”，是一項學生自主完成的具有創新價值的研究項目。

項目教學法的在PLC課程優化中的兩個方面應用，加強了本科教學的理論和實踐的結合緊密度，取得了良好的教學效果；還加強了科學前沿的教育，提高了教學水平，鍛煉了學生的創新思維和動手能力，培養出了一批優秀的創新人才。

二、整合和擴充PLC實驗設備

目前PLC實踐環節，主要存在單調、課時少、自主設計和創新不足等問題。為此整合和擴充PLC實驗設備，為項目教學法的實施創造“做中學”的優良條件，既能提升教學效果，又能加強學生實踐能力的培養。

整合實驗設備，將與PLC技術相關的實驗裝置整合形成一整套實驗平臺，并適當補充一些儀器設施。

整合和擴充PLC技術實驗裝置有：S7-200型可編程控制實驗箱，集可編程邏輯控制器、編程軟件、編程電纜、實驗板等于一體，可進行PLC的基本指令練習和PLC模擬實驗；計算機微機系統33臺，安裝MCGS組態軟件及西門子的STEP7-Micro/WIN編程軟件，能實現PLC程序的編程、調試和仿真實驗；智能微網系統中采用PLC控制的電機，風光互補發電系統中采用PLC控制的模擬風機，用于演示教學；擴充了PLC電氣控制系統實訓柜，包含工業觸摸屏組態軟件WinCC flexible、西門子變頻器、S7-300 PLC等。加強了在新型器件、變頻控制等實踐教學內容的薄弱之處；此外，還在教學場地配備了多媒體教學設施，組建了含不間斷電源UPS和數據服務器的教學微機局域網等，為教學手段多樣化和網絡化奠定基礎。

整合拓展后的PLC實踐平臺如圖3所示，即有簡單入門的PLC練習內容，又有實際受控對象的復雜案例研究，更有開放自主的軟仿真平臺。S7-200型可編程控制實驗箱用于基礎教學，包含PLC的基本指令練習及PLC應用的模擬實驗；PLC電氣控制系統實訓柜用于變頻調速系統相關知識的實訓學習；計算機仿真系統用于PLC教學項目設計、調試仿真和自主創新實驗。為學生創新實踐提供了全方位的實踐條件，達到“邊學邊練、理實緊密結合”的目的，提高了學生的學習積極性。

三、教學手段和計算機輔助教學系統

應用項目教學法后的教學模式，不是簡單地將各種知識和練習揉捏在一起，而是將理論教學、仿真設計、實踐練習三者有序地結合，使學生“做中學”時達到融會貫通的目的。因此，必須改進教學手段，傳統的黑板方式早已無法滿足應用性極強的PLC技術教學需求。

筆者提出了適應項目教學模式下的教學手段。首先教師利用多媒體技術快速講解PLC指令等理論知識，配以圖片、動畫進行演示，節省出來的課堂時間則以學生為主體，在實踐平臺上進行練習和嘗試，讓課堂生動、活躍起來，充分發揮學生的主觀能動性。然而在學生練習和調試過程中，解答學生大量的疑問也是新教學模式下的一個難點。然后教師利用微機局域網，借助數據服務器和計算機輔助教學系統，在教師機上收集和解答學生的提問，由計算機輔助整理成共享FAQ資源。經過幾個教學周期后，大部分重復性出現的疑難問題，學生都能自主地在學生機上從教學FAQ資源里使用輔助搜索功能直接找到解決方法。這樣教師在PLC課程教學中就能從大量的重復性教導中解脫出來，有更多時間專注于發現新問題和解決新問題。同時也大大減少了學生在PLC實踐中浪費掉的等待時間，提高了教學效率。

利用學校網絡教學平臺建立的基于網絡的PLC課程輔助教學系統，不僅能在局域網和課堂上使用，還能被學生在課余時間更多地使用。只要通過網絡連接到輔助教學系統，學生就能進行PLC教學資源的自主學習。計算機輔助教學系統包含了教學大綱、電子課件、PLC習題、教學FAQ、實踐指導、參考文獻及其它相關網站資源等內容，便于學生開展深化學習和提高，為參加課外科技或自主創新項目的同學提供了良好的學習條件。

四、結論

PLC技術是高校電氣、自動化類專業的重要專業課程。本文探索了“現代電氣及PLC技術”課程優化與改革的一些方法，采用了項目教學法，用經典案例加強實踐教學，輔以課外科研項目反哺教學，提高了教師教學水平，加強了學生創新能力培養。我校整合擴充了實驗設備，優化了教學資源配置，建成了較完備的PLC實踐平臺，完成了教學手段向現代多媒體技術的轉變。利用網絡教學平臺，建立基于網絡的PLC課程輔助教學系統，為學生自主學習和深化學習提供了條件支持。

實踐表明，這些教學改革法在PLC優秀課程建設的應用中取得了成功，教學質量和效果得到了較大改善，學生的積極主動性和實踐創新能力得到了提高。本文提出的PLC教學改革方法具有較強的推廣性和實用性，能對其他工科課程產生一定的良好影響。

參考文獻：

[1]朱曉東，王杰.“電氣控制與 PLC 應用”課程教學改革[J].電氣電子教學學報，2012，（4）：36-38.

[2]梁波，董玉林.PLC技術及應用課程實驗教學模式的探索與實踐[J].遼寧工業大學學報，2012，（2）：136-138.

[3]翁國慶，張有兵.“電氣控制及PLC技術”課程實踐教學的改革與優化[J].中國電力教育，2010，（6）：143-145.

[4]周月娥.項目教學法在 PLC 課程教學中的實際應用[J].科教文匯（上旬刊），2011，（3）：44-45.

[5]馬秀坤，史運濤，王捷，等.PLC實踐教學在應用型人才培養中的探索與創新[A].北京高教學會實驗室工作研究會2010年學術研討會論文集（上冊）[C].2010.