以工程專業認證為背景的PLC實驗教學改革研究

何杰　汪沛

摘 要：“可編程邏輯控器”是自動化專業本科生的重要專業技術課，以工程專業認證為契機，參照工程專業認證的標準，針對課程實驗教學的不足，對實驗教學內容、教學過程、考核方式等進行研究分析，提出了課程實驗改革，以加強學生的分析與解決問題的能力、創新能力和工程實踐能力，實現工程應用型人才的培養目標。

關鍵詞：PLC；專業認證；教學改革；實驗教學

一、前言

完善的高等工程教育專業認證制度是保障并促使其不斷改進和提高工程專業教育質量的重要方法。工程教育專業認證標準非常重視學生對實驗、畢業設計（畢業論文）、校企合作等實驗實踐環節，注重培養學生工程實踐能力和創新能力。實驗教學是高校實踐教學的主要形式之一，也是專業認證評估的指標之一。實驗教學不僅能加深學生對理論知識的理解，也是實現應用型人才培養目標的主要途徑，對學生工程素質、工程知識、工程能力的提高起著重要作用。

“可編程邏輯控制器”（PLC）是一門應用型的專業核心課程，其系統性、實踐性、綜合性和創新性都比較強。PLC實驗是該課程非常重要的一個環節，對培養學生的實踐動手能力起著非常積極的作用。為適應企業人才需求，培養國際互認的工程科技人才，以適應專業認證標準對高素質創新人才培養的要求，PLC實驗教學在教學體系結構設計、實驗教學內容設計、實驗教學組織形式等方面都有待改進。

二、PLC實驗教學與認證標準的差距

目前，PLC實驗教學與工程專業認證標準中強調的培養具有工程實踐能力和創新能力、能解決復雜工程問題能力的畢業生是有一定差距的。究其原因，大致有以下四方面：

1.對實驗教學重視程度不夠

這一點主要體現在三個方面：一是學校方面。多數高校在實驗教學設備方面投入不足，實驗教學條件落后。二是教師不夠重視。在教學過程中，教師普遍存在照本宣科的現象，嚴重制約了學生的創造性。三是學生不夠重視。學生做實驗只是為了驗證課本結論和獲得學分，學生的動手能力、發現問題及解決問題的能力不能夠得到真正的提升。

2.實驗教學內容設計欠合理

高校PLC實驗教學內容一般設計為訓練編程指令和驗證知識點，綜合設計性實驗很少。這樣的設計使學習缺乏知識的連貫性、整體性和系統性，學生學習起來枯燥，降低了學習興趣。缺少綜合設計性實驗，學生在整個實驗過程中缺乏獨立分析問題和解決問題能力的培養，處于被動的地位，學習潛能不能得到充分發掘。

3.實驗教學過程設計不合理

這一點主要體現在三個方面：一是教師教的方面。教師在實驗教學過程中，大多照本宣科，注重知識的灌輸，未能重視學生的“收獲”。二是學生學的方面。學生在實驗過程中，過分依賴教師，不能獨立分析問題和解決問題。三是師生溝通方面。教師與學生互動少，不能及時交流、掌握學生的學習情況。

4.實驗考核方式不完善

實驗課時一般不多，在教學管理、考核等方面不如理論課程那么受重視。實驗課程的考核方式一般都是評價考勤、實驗報告的綜合情況給出總評成績，而對實驗課程最重要的環節——實驗過程缺少評價。這種不完善的考核方式，不僅不能體現學生的真實水平，還會造成一系列問題，比如學生上實驗課的積極性不高；實驗報告抄襲嚴重，千篇一律等。

三、適應專業認證培養標準的實驗教學設計

江蘇大學重視培養學生工程實踐能力，支持PLC實驗教學的改革。在教學上，開設“可編程控制器的工程應用”課程，總共30學時，設置了16個學時的實驗課程。在軟硬件建設上，與西門子公司共建了先進自動化技術聯合實訓示范中心，配備先進的PLC實驗設備。在此基礎上，PLC實驗教學改革主要體現在以下幾個方面：

1.實驗內容總體設計

PLC實驗內容的設計以實際工程項目為背景，將一個較完整或者經過簡化的工程項目分解成若干個實驗環節，每個實驗環節覆蓋若干個知識點，實驗環節的安排遵循循序漸進的原則，逐步拓展學習內容，最后將所有實驗環節連起來，完成一個完整的工程項目。

PLC實驗課程是基于江蘇大學-西門子自動化與驅動集團先進自動化技術聯合示范實訓中心的硬件平臺（S7-300）和西門子的STEP7和WINCC軟件平臺開設的，實驗內容的設計是以交流電機變頻驅動系統遠程調速和控制這個簡單的工程實例為主線，由淺入深分解設計每個實驗模塊：

（1）S7-300PLC入門。設計軟硬件組態和編程初步實驗，使學生通過實驗熟悉S7-300PLC的硬件環境和軟件環境。

（2）S7-300PLC接口設計。設計DI/O和AI/O的接口實驗，使學生掌握多通道工程物理量的數據采集方法，完成項目中電機轉速采集和調速指令下達。

（3）S7-300工業控制網絡應用。設計S7-300網絡組態及通信實驗，使學生掌握工業以太網的使用，并完成項目中電機的遠程調速和控制。

（4）人機界面設計。設計WinCC組態軟件和上下位機數據采集及通信實驗，使學生能夠運用WINCC構建工業控制系統，掌握PC-PLC工控系統上下位機的數據采集、通信和控制技術，并通過這項技術完成項目中的人機界面的搭建。

每個實驗環節都設計一個簡單的例子幫助學生理解本環節的知識點，然后將工程項目中本知識點的內容作為實驗設計內容，要求學生獨立完成。整個實驗環節的設置，聯系緊密，環環相扣，連接起來是一個完整的工程實例訓練，能使學生建立PC-PLC工控系統的完整概念，掌握解決具體工程問題的過程和步驟，強化學生對工程實踐的認識，以提高學生分析問題、解決問題的能力和實際應用水平。

2.實驗教學過程的實施

PLC實驗教學過程具有專業性、獨立性、創造性和實踐性，每個學生在教師的指導下相對獨立地學習和應用專業知識進行實驗，創造性地應用所學知識解決所遇到的實踐問題。

在教學實施的過程中，要很好地把握師生活動的關系，不但要做到教師教得好，還要做到學生學得好。針對PLC實驗教學的特點，其教學過程的實施，主要關注以下幾個方面：

（1）控制每組實驗人數，確保學生有足夠的實踐操作時間。PLC實驗一般以每組2～3人比較合適，遇到實際問題可以進行組內討論，發揮團隊合作的優勢。

（2）實驗前的理論講解。實驗課和理論課之間一般都有一定的時間間隔，實驗進行前都會復習相關的知識，使學生盡快進入實驗狀態。

（3）實驗演示。學生僅通過預習并不能很好地理解PLC軟件和設備的使用，因此，對初次接觸的設備或較難的實驗環節，需要現場演示，引導學生盡快熟悉和掌握實驗操作和原理。

（4）以學生自主實驗和探索實驗為主，教師指導為輔。PLC實驗是創造性和實踐性很強的實驗，教師在輔助和引導學生時，要把握分寸，以引導為主，不能替學生解決問題，要充分培養學生獨立解決問題的能力。

（5）注重理論與實踐的結合。在實驗中，所有的操作都需要理論的支撐。同樣，實踐中的所有操作也都能提升至理論的高度。實驗教學過程中，教師應有意識地培養學生的正向思維和逆向思維。

（6）充分應用好現代化教學手段。實驗教學也需要跟得上網絡化時代的發展，將實驗的相關資料、實驗設計內容等資源向學生開放，讓學生通過網絡做好實驗預習等工作，這既有利于實驗課的開展，又有利于學生課后進一步深入地自主學習。

3.實驗考核綜合評價

實驗考核機制應充分考慮能否體現出學生的真實水平，做到公平有效地評價學生的學業水平、創新能力等。因此，需要一種新的考核方式來提高學生的學習興趣和創新意識，盡量使評價結果體現學生的水平。在實驗考核中要把過程考核與實驗報告、實驗考勤結合起來，新的考核方式側重實驗過程中學生實踐能力的體現，淡化學生考勤，具體化考核指標的實驗報告等。具體考核評分方法見表1。

表1中所述實驗考核方法，基本能滿足專業認證中對學生實踐能力的培養要求。其中，分析與解決問題的能力、創新能力、工程實踐能力等都能在實驗過程中得以體現和鍛煉；具體化考核指標的實驗報告的撰寫，能有效地鍛煉學生就工程實踐問題與同行及社會進行有效溝通的能力。

四、總結

江蘇大學針對PLC實驗課程當前的狀態和存在的問題，從實驗教學內容設計、實驗教學過程的實施及實驗考核評價幾個方面開展了對PLC實驗課程的改革研究，特別注重實驗過程中學生分析與解決問題的能力、創新能力和工程實踐能力的培養，采取公平、公正的實驗考核評價方式；設計了培養工程應用型人才的科學方法，這與工程專業認證的基本要求是相符的。PLC實驗體系經過重新設計后，教學效果改善顯著，提高了學生的學習積極性和主動性，鍛煉了學生工程實踐能力，為培養創新型的應用人才提供了保障。

參考文獻：

[1]陳文松.工程教育專業認證及其對高等工程教育的影響[J].高教論壇，2011，7（7）：29-32.

[2]徐華娟，曹志亮，王世山.專業認證中的“電氣測試技術”實驗改革[J].科技視界，2015（15）：60.

[3]張還.常用梯形圖程序設計方法在PLC實驗中的應用[J].機械制造與自動化，2011（3）：172-174.

[4]魏艷紅，許昌，王桂榮，等.PLC課程實驗教學改革與探索[J].電氣電子教學學報，2014（3）：93-95.

[5]肖云，蔣峰嶺，周愛武.工程專業認證背景下的數據庫原理實驗教學改革[J].電腦知識與技術，2015，11（7）：199-200.