PROFIBUS 現場總線應用技術課程教學方法探討

江 豪，王永華

(鄭州輕工業學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州450002)

近十年來工業自動化領域影響最深刻的技術毫無疑問應該歸為現場總線技術。現場總線定義為安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線［1］。其主要應用在制造業自動化、批量流程工業的生產控制。目前，在中國及歐洲的自動控制領域PROFIBUS 總線以其豐富的產品和眾多的應用成為了總線應用領域的佼佼者。PROFIBUS 還是國內現場總線的標準之一，在水處理、煙草、發電、鋼鐵、紡織等行業得到很好的推廣和應用。作為教育系統的高校應該為學生開設科技前沿學科，特別是自動化或電氣自動化專業的學生需要在學習階段深入了解自動化的前沿技術，并進行應用能力的培養。基于以上原因，以及讓學生更加有競爭力，我校自動化專業開設了PROFIBUS 現場總線應用技術課程，并在教學、實踐、研究等方面積極進行課程教學方法的探討。

1 科學編排教學大綱

1.1 動態調整教學大綱

教學大綱的科學性直接影響課程教學的方方面面。對于理論及實踐教學，既強調學科理論的系統性、完整性，又重視實際工程應用。在強調本課程基本理論的基礎上充分體現運用于生產實際中的新技術和新方法，以PLC 課程為基礎，重點拓展網絡技術，展開數據通信融合技術，以市場應用廣泛的現場總線作為主要講授內容，結合教師科研項目的經驗統籌安排和規劃教學大綱。

1.2 精選教材

有關現場總線技術的教材有很多，部分現場總線類教材出版的時間也較早，都是介紹現場總線基本原理和發展的書籍，不能就某一種總線進行深入的理論講解和應用知識講解。就目前現場總線的發展和市場應用成熟度而言，PROFIBUS 現場總線以絕對優勢占據市場總線技術發展的主流，為此我們選用本校總線技術專家王永華教授編著的《現場總線技術及應用教程》［1］，該書講解深入淺出、理論結合實踐非常緊密，PROFIBUS 總線試驗平臺也為本校重點實驗室獨立開發設計的總線實驗裝置，保障了實驗教學的一體性，非常便于學生的深入學習。

1.3 選用先進教學手段

新技術，新知識，新課，外加較少的教學輔助資料，盡管教師在備課和課堂上的付出很多，但教學效果卻并不理想。與傳統的教學手段相比，必須要引入多種教學手段。多媒體手段可以利用大量的圖片信息載體，給教學活動注入了新的生機和活力，使傳統的課堂教學變得多姿多彩。另外一個動態感知的特點，就是利用課程的實驗室講解和參觀，感官性的認知易于學生理解，可以取得較好的教學啟發效果，激發學生的學習熱情。課程伊始學習興趣的培養對課程教學取得良好的效果起到了關鍵性的作用。

1.4 加強實踐教學環節

為了滿足實踐教學環節的要求，我校電氣學院首先建設了PLC 多功能實驗室，進而又在王永華教授的帶領下獨自設計開發了8 套PROFIBUS 綜合實驗裝置及一套大型的PA 試驗系統［2］。根據教學的進度及知識難易度自主地開發實驗內容;對實驗進行分層，由淺入深，難度逐漸加大;控制每個試驗臺的人數，減少了學生之間的依賴性，使學生由基本操作開始到最后實現復雜的控制，得到全面綜合鍛煉，提高了學生動手能力和實驗技能。同時合理地調配實驗室系統的各種項目資源，充分吸納學生進行實際項目的開發，通過實際工程項目的設計開發培養學生扎實的總線技術應用能力。

2 創新教學方法

任何一個學科課程教學效果取決于教學方法和手段，以吸引的方式對學生進行授課，以主動的方式讓學生學課，以興趣帶動學習，以樂趣培養學習的動力，以現身說法培養學生的樂趣，以動手效果進一步激勵學生的學習熱情。

2.1 培養自學能力

往往會有這樣的學生，學習效果特別好，而且總是會延展到課外的知識領域，這部分學生自學能力比較強，表現在課程預習效果，課后復習成效。多方面多角度的課外知識有利且能高效地促進課程學習，但自學能力需要慢慢培養。在沒有考試及其他方面壓力情況下，主要以小設計小開發為出發點，啟發學生自主學習課程，激發學習動力，從而培養學生課前課后的自學能力。

2.2 建設精品課程

精品課程的建設可動態彌補課程體系與現代技術發展脫節的不足，可提高教學效果和效率，豐富了課程教學內容，做到了知識點新、教學組織多樣、學生參與度高;提高了實驗教學的起點，改革了教學模式，增強了學生學習的主動性和實效性;結合精品課程編著的教材實現了教材的系統性、先進性與實用性的統一;結合實際工程項目，較好地實現了產學研結合，促進了教與學的發展［3］。

2.3 打造教學名師

在精品課程的建設中，師德高尚、治學嚴謹、學術水平和教學水平雙高的課程負責人是保證課程質量的關鍵。在此基礎上，形成以“名師”為核心，以優秀主講教師為骨干，以中青年為教輔的教學組織，在優化師資隊伍結構的同時，逐步形成一支學歷高、年富力強，學術水平高，教學質量好，團隊協作精神強的授課教師梯隊。優秀的學術帶頭人是必不可少的，只有在優秀的學術帶頭人的帶領下，課程建設才可能有高的起點，提出高且新的標準，并最終達到高的水平;課程建設過程才能盡量少走彎路，且有利于在課程組中營造活躍與和諧的學術氛圍，進而形成團結向上的合力。本課程的前期PLC 課程已為省級精品課程，在此基礎上逐步打造現場總線課程的省級精品課程。自主設計的實驗室及教材也充分體現了教學名師的帶動作用。

2.4 說課

“說課”就是教師口頭表述具體課題的教學設想及其理論依據，也就是授課教師在備課的基礎上，面對同行或教研人員，講述自己的教學設計，然后由聽者評說，達到互相交流，共同提高的一種教學研究和師資培訓的活動。

要把重點安排在解說如何實施學法上。主要解說學生要“怎樣學”和“為什么這樣學”的道理。要講出教者是怎樣根據學生的專業特點、年齡、心理特征，運用哪些學習規律指導學生進行學習的;還要講清教者是如何激發學生學習興趣、調動積極思維、強化學生主動意識的。

3 設計實踐教學環節

根據新時代、新特點、新階段對人才培養目標的要求，確定現場總線技術及應用教程的原則為“牢固掌握基本理論，著重實踐能力培養，突出應用能力及創新精神”。加強應用性綜合知識的培養，著重于實踐動手能力的訓練，以掌握PROFIBUS 現場總線的基本知識為主線，將實踐教學和課外實踐學習作為重點，在實踐中培養學生分析問題和解決問題的能力。優化課程內容設計，增加開放式實驗項目，完善多模塊、分層次的階梯式教學模式［4］。不斷地增加能提高實踐動手能力的實驗的開設和開放，優化實驗室資源，加快將科研探索及部分科研成果引入實踐教學的進度。采用漸進式教學模式，逐步培養學生創新能力，提高學生綜合素質。充分利用多角度、多方位的教學資源，完善課程教學及實踐環節。

3.1 獨立設計與完成實踐內容

根據教學的進度和學生學習的深入程度，在較大的試驗要求框架內，學生自己進行試驗的規劃和制定，獨立完成實驗，然后再進行深入實驗，直至最后達到較高層次的實驗要求。另外一種方式就是將實踐教學的培養分為初級、中級和深入3 個階段進行。初級階段側重于課堂討論和基本程序設計;中級階段側重于中型實際工程項目的拆解學習，采用消化成熟程序編寫技巧的方法快速理解PLC 編程的方法和途徑;深入階段由教師提出要求，學生自主設計，推選優秀學生進行設計講解，并歸納總結，最后在實驗臺上進行調試和演示［5］。

3.2 自主設計實驗平臺

課題組成員根據多年的科研經驗積累，自行設計開發了“工業控制網絡實驗平臺”，該實驗平臺既可以完成先進的現場總線控制系統、IEC61131 －3 編程的實驗，也可以完成常用PLC 常規編程實驗，起到了很好的銜接作用［6］。同時，為學生在學完本課程后的進一步學習提供了良好的環境。

3.3 重視畢業設計

提供科技開發平臺，組織學生參加國家及省挑戰杯、大學生科技競賽、電子制作競賽，大學生科技項目、西門子大學生培訓計劃等科技創新活動，不斷提高學生動手實踐能力和科技創新能力。最重要的是所有的課外練習或者國家性的參賽訓練都和最后的畢業設計掛鉤，在早期就規劃自己的畢業設計內容，這樣可以將對現場總線技術應用感興趣的學生提前引入到總線知識的深入學習里，多渠道地培養學生的編程及電氣設計能力，直至畢業設計時能夠獨立完成一個中等規模的項目預設計及程序編寫［1］。

4 改革考核方式

傳統教學考核的方式多半是以試卷考試加實驗考核的綜合方式進行，這對于一般的課程確實可以起到鞏固理論知識的作用，但對于PLC 或者現場總線這樣以應用為主的課程，單從卷面考試加實驗考核的綜合方式不能夠全面地促進本課程的教與學。經過長時間的探索和不斷總結，我們改革考核方式，利用綜合課程大作業練習、上機實際操作訓練、課后作業編程電子提交方式、網絡技術交流討論方式、課堂學生講課方式、期末考試等給出學生綜合成績。將平時實際程序編寫鍛煉及動手能力的培養都考評入最后的綜合成績，這將大大降低學生對于期末考試的成績依賴，在平時學習階段以平和的心態潛移默化地學好PROFIBUS 現場總線技術課程［4］。

5 結 語

現場總線技術課程在國內的高校為研究生或者本科生的開設尚處于起步階段，講授教材及實驗裝置的缺乏都制約著該課程教學成效及學生的學習效果。因而，應制定以實踐教學為主導，教學內容緊跟技術發展的教學大綱;應設計開發確實可行的實驗系統及實驗內容，融入教師的項目開發經驗;應多方面綜合考核學生，最終達到培養學生PROFIBUS 總線實際應用能力的教學目的。

［1］王永華.現場總線技術及應用教程［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［2］西門子工業網絡通信指南［EB/OL］.(2008 －10 －12)［2013 －09 －28］.www.ad.siemens.con.cn/downloads/S7 －300.

［3］齊海波.提高教學質量的教學教研方法［J］.中國高等醫學教育，2010(5):127 －128.

［4］李 林.電氣控制技術過程的教改研究［J］.中國科技信息，2010(1):231.

［5］周 靜.《機械設計》教學中培養學生自學能力的一次教改嘗試［J］.人力資源管理，2010(4):186.

［6］趙坤嬌，景效國.PROFIBUS 現場總線控制系統從站組態軟件的研究與開發［J］.熱力發電，2009(1):87－89.