工程案例教學法在“PLC原理及應用”的教學實踐

趙 洋, 胡亞偉

(東莞理工學院 電子工程與智能化學院, 廣東 東莞 523808)

工程案例教學法在“PLC原理及應用”的教學實踐

趙 洋, 胡亞偉

(東莞理工學院 電子工程與智能化學院, 廣東 東莞 523808)

以提高學生的實踐能力和創新能力為目的,在深度調研地方自動化相關行業特點以及PLC控制系統在實際中的應用方向,設計與“PLC原理及應用”課程教學相配套的工程案例。相關案例完全覆蓋本課程所要求學生掌握的全部知識點并具有一定地方產業特色,同時與理論教學內容形成緊密對接,極大地提高了學生的學習興趣和分析問題、解決問題的能力。教學實踐表明，將工程案例教學法引入“PLC原理及應用”的課程教學，在學生綜合能力的培養和提升方面具有重要作用。

PLC原理及應用； 工程案例； 教學實踐

我國制造業經過多年的快速發展,形成了較大的產業規模,但主要位于價值鏈中低端,存在發展方式粗放、創新能力薄弱、產品利潤較低等問題。在制造業轉型升級過程中,越來越多的用人單位已深刻意識到人才和創新能力是企業轉型升級的重中之重[1-3]。珠三角是制造業集中且較為發達的區域,對于綜合能力優異的應用型人才的需求量巨大。我校地處廣東省東莞市,是加工制造業十分發達的地區。隨著地方經濟的轉型,我校在實踐教學改革和學生培養方面更加緊密地與當前現狀相結合,更加注重創新能力和實踐能力的提升[4-6]。

1 PLC原理及應用課程教學改革背景

“PLC原理及應用”是我校面向自動化、電氣工程及其自動化和電子信息工程等專業開設的一門重要專業課。PLC(可編程控制)技術是繼傳統繼電器控制之后的一種新的控制技術,已經普遍應用到工業生產過程的自動化控制領域中[7-8]。因此學生如果通過本課程的學習能熟練掌握PLC控制的基本原理、編程設計指令和組態技術,并具備根據實際被控對象的控制需求設計相應的PLC控制系統的能力,則在就業時具備更強的競爭力。但傳統課堂教學配合課內實驗的模式,存在以下問題:

(1) 本課程具有很強的工程背景,課程教學內容需要與工程實踐緊密結合,以盡可能豐富學生的工程背景知識,為學生在走向工作崗位后能夠快速上手提供支持。但現有教學方法更多還是傳統的理論教學+課后實驗的模式。理論教學側重點仍是集中于基本概念和基本指令使用方法的講解,課后實驗以驗證性實驗為主,實驗內容與實際應用存在脫節現象。因此,學生通過本課程的學習,雖然絕大多數學生能通過期末考試的考核要求,但并不具備進行實際工業應用系統開發的能力,因此也不滿足用人單位的期望。

(2) 現有教材選擇單一,教材內容缺乏創新。雖然“PLC原理及應用”課程的教材種類較多,但教材內容同質化嚴重,沒有特色,因此真實的選擇度非常有限。從教材內容的安排來看,章節之間的連貫性不強,不利于學生對知識點循序漸進地掌握。此外,有些教材內容設置追求大而全,內容的深度和精度未能很好地和這門課程工程實踐性強的特點建立有效關聯。因此,在理論教學過程中,學生有時會感覺比較乏味,不知道學習這些內容能干什么,有什么用。

(3) 課程學時分配壓縮了學生實際操作時間,未能充分提高學生的動手能力。我校該門課程的學時總數為48學時,其中理論教學安排32學時,實驗環節16學時。而本門課程是一門實踐性非常強的課程,需要給學生充足的時間進行實操訓練。通過課后與學生的交流也發現,很多學生還是很希望能分配一點實驗時間,以此來鍛煉自己獨立思考和解決問題的能力。但在現行學時安排下,嚴重抑制了學生探究本門課程在實際應用領域的好奇心和驅動力,對于培養合格的、面向工程應用型人才十分不利。

現有“PLC原理及應用”課程的教學模式和教學內容,與培養具有實踐能力和創新能力的工程應用型人才目標,存在較大偏差。

2 工程案例設計

案例教學是通過教師進行指導,將學生帶入到特定情境中,以真實案例分析為手段的模式提高學生實際運用能力的教學方法[9]。“PLC原理及應用”這門典型的工科專業課程,所引入的教學案例一定要有真實的工程背景,所用的工程案例來自于生產實際中的工程項目,并經過文字、數據和圖表等素材進行概括整理,形成可用于教學的案例材料[10]。

(1) 所設計的工程案例和實際應用背景需要緊密結合,最好能兼有地方產業結構的特色,以幫助學生在掌握課程教學內容的同時,對未來就業屬地的工作方向有一個較為清晰的認識(我校學生生源主要來自東莞本地和廣東其他地市,學生未來就業屬地主要集中于東莞本地和珠三角區域)。

(2) 所設計的工程案例具有開放性,即設計基本控制目的和要求,但控制功能可以添加。學生在完成基本內容之后,根據興趣需要可以繼續深入地開展后續學習。

(3) 所設計的工程案例具有相應的實驗平臺,即學生能真正意義上進行實際參與。同時,工程案例所需要的知識要完全覆蓋課程教學所要求學生具備的全部知識點。

根據以上要求,通過深入的分析、設計、比較和篩選,最終選定2個工程案例。

2.1 自動化生產線加工控制系統設計

自動化生產線是能實現產品生產過程自動化的一個控制系統,該系統通過控制器、傳感器和執行機構等設備,組成具備高度自動化程度的生產線來實現產品的生產加工,提高工作效率。東莞本土3C產業非常發達,3C行業中對于生產加工流水線的應用已非常普遍,因此本案例具有很強的工程應用背景,而且非常貼合地方產業結構,與用人單位的需要也有很好的對接。

本案例的主要內容包括上下料控制系統程序設計、物料包裝控制系統程序設計和物料傳遞控制系統設計等內容,要求學生在流水線實驗平臺上完成控制任務分析、控制系統組態、PLC程序設計和系統在線運行調試等實際操作。

本案例所覆蓋的教學內容和知識結構體系如圖1所示。本案例所需實驗平臺的實景照片如圖2所示。

2.2 液體攪拌控制系統設計

液體攪拌控制系統是工業生產中的一個非常常見的典型案例,在東莞本土特色產業的造紙、食品加工等行業中的應用尤其廣泛,因此選取該控制系統作為本課程的另一個工程案例。該系統核心控制裝置仍為PLC控制器,但與上一個案例不同,本案例的被控對象為電機,因此在實現PLC對電機進行控制的目的時,還需要變頻器的介入。通過本案例的實踐,學生將掌握基本變頻控制原理、變頻器和PLC之間的通信、人機界面的設計和電機的調速控制等多項專業知識。

本案例所覆蓋的教學內容和知識結構體系如圖3所示。本案例所需實驗平臺的實景照片如圖4所示。

3 工程案例教學實施總結

本課程引入工程案例教學法后,在教學內容、教學方法和考核方式等方面均進行了相應的教學改革。在教學內容方面,依托教材但不完全照本宣科,通過深度分析和挖掘,優化確定理論教學內容,并著力強調拓寬學生的知識應用背景,提高學生的學習興趣,提升創新思維能力；在教學方法方面,改變傳統“一言堂”和學生被動學習的教學方法,在教學過程中實時根據學生完成案例的情況進行總結和提煉,將學生遇到的共性問題進行統一講解,激發學生求知欲望和參與熱情；在考核方式方面,探索和推行新的考試評價制度,即以學生案例完成情況和期末考試成績并重的方式進行綜合評價。這種評價體系不僅對基礎理論學習進行合理的考核,更重要的是對學生的實踐能力和創新型應用能力能給出更客觀更合理的評價。同時讓學生能夠從只為獲得課程學分的消極學習態度,向更加積極地參與實踐環節的學習進行轉變。本課程的工程案例教學改革路徑如圖5所示。

圖1 工程案例1知識體系結構圖

圖2 工程案例1實景照片

圖3 工程案例2知識體系結構圖

圖4 工程案例2實景照片

圖5 工程案例教學改革路徑圖

3.1 課程改革內容的特色

(1) 教學內容的新穎性。以提高學生實踐能力為目標進行教學內容改革,優化課程理論內容,增強學生學習的興趣,使學生逐漸由被動學習向主動學習轉變,不斷提高學生的工程師能力和綜合素質,認同嚴謹和追求卓越的工程師文化。

(2) 實踐教學的獨特性。基于學習產出教育(OBE)模式[11],設計確定與實際工程應用和地方產業特色緊密聯系的工程案例,激發學生的參與熱情,提高學生的學習效果。

3.2 課程改革實施效果

引入工程案例教學法后,本課程的教學已針對我校2015級和2016級2個年級的學生開展多次實踐,并根據每學期的實踐結果逐步完善工程案例的設計任務和技術指標。該教學模式和考核方式受到了學生的廣泛歡迎,普遍認為以實際工程案例為背景的綜合能力訓練教學方法對于理論知識的掌握和實際應用能力的提升有極大的幫助。

4 結語

基于工程案例教學法的“PLC原理及應用”課程教學改革,是在深入調研PLC控制器的工程應用背景、地方產業特色和學生學習中遇到的問題之后開始實施的。通過對教學內容、教學方法和效果評價等方面的改革進行探索和實踐,本課程的教學取得了良好的效果。學生經過2個完整案例的實踐后,分析解決實際問題的能力顯著提升,并且對本課程所學內容在未來工作中的應用方向有了更清晰的認識和把握,極大地提升了學習主動性和學習熱情。

References)

[1] 雷學堂,邵建設,熊志利.案例加項目式教學法在應用本科PLC技術課程中的探索[J].黃岡師范學院學報, 2016,36(3):95-98.

[2] 龍春陽.課程群建設:高校課程教學改革的路徑選擇[J].現代教育科學,2010(2):139-141.

[3] 宋躍,胡勝,余熾業,等.基于OBE的嵌入式測控技術課程群研究與實踐[J].實驗技術與管理,2016,33(2):4-6,10.

[4] 趙洋,康麗,姜鳴.計算機控制系統課程教學改革的探索[J].中國電力教育,2014(30):59-60,64.

[5] 趙洋.計算機控制與檢測課程群建設與教學實踐[J].實驗技術與管理,2016,33(10):209-212.

[6] 李明,劉洪山.案例教學法在“計算機控制技術”課程中的應用[J].中國電力教育,2009(3):65-67.

[7] 王亭嶺,熊軍華,周玉.《電氣控制與PLC應用》課堂教學模式探索與教材建設[J].高教學刊,2017(2):84-85, 88.

[8] 武昌俊.PLC控制技術課程的任務驅動的項目化教學模式改革[J].安慶師范學院學報(自然科學版),2011,17(2):97-100.

[9] 陳光勝,麥云飛,白國振.案例和項目雙驅動的《PLC原理及應用》課程教學改革實踐[J].教育教學論壇,2016(7):95-96.

[10] 吳宏岐,李曉斌,王亞云,等.《電氣控制及PLC》課程工程案例教學方法研究與實踐[J].大學教育,2013(10):70-71.

[11] 楊毅剛,孟斌,王偉楠.基于OBE模式的技術創新能力培養[J].高等工程教育研究. 2015(6):24-30.

Teaching practice on PLC Principle and Application course with engineering case teaching method

Zhao Yang, Hu Yawei

(School of Electrical Engineering and Intelligentization, Dongguan Institute of Technology, Dongguan 523808, China)

In order to enhance students’ practical and innovative ability, and based on the deep investigation of the industry characteristics related to the local automation and the application direction of PLC control system in practice, the engineering cases which match the teaching of the PLC Principle and Application course are designed. The relevant cases fully cover all the knowledge points that the students are required to master in this course, and have the certain local industry characteristics, which at the same time, closely connects with the content of the theoretical teaching, greatly improving the students’ interest in learning and their ability to analyze and solve problems. The teaching practice shows that introducing the engineering case teaching method to the teaching of the PLC Principle and Application course plays an important role in the cultivation and promotion of students’ comprehensive ability.

PLC principle and application; engineering case; teaching practice

2017-05-09

廣東省高等教育教學改革項目(粵教高函〔2015〕173號)

趙洋(1981—),男,山西太原,博士，副教授,研究方向為工業自動控制、控制理論與優化算法.

E-mail：Simonzhaoyang@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.054

G642.0

A

1002-4956(2017)12-0222-04