項目教學法在PLC 應用技術教學中的應用

劉文秀，王杏進，郭偉

（1.韶關學院物理與機電工程學院，韶關512005；2.廣東松山職業技術學院電氣工程系，韶關512126）

0 引言

作為一種先進的控制器，PLC 工作可靠，能適應非常惡劣的工作環境，廣泛的應用于控制領域。另外PLC 控制技術是工業控制三大支柱之一，可以說PLC應用的深度和廣度是一個國家工業先進的重要標志之一。在高等教育中，電氣自動化、機電類專業的教學中，《PLC 控制技術》是一門重要的專業課。課程涉及的知識廣、內容多，并且更新發展快，是一門既強調理論又注重實踐應用的課程[1]。從近幾年已經畢業的學生從事的工作情況調研分析中可以看出，對于從事電氣控制領域相關工作的學生來說，學好PLC 的控制技術有現實的指導意義。為了進一步提高教學質量，課題組教師針對PLC 的控制技術采用項目教學的方法，實現模塊化的教學方式，來提升學生的實踐操作能力，培養學生分析問題、解決問題的能力。

1 傳統教學模式的不足及項目教學法的優勢

目前我校的機制設計制造及其自動化專業的《機電傳動控制》課程與自動化專業《電器與可編程序控制器》課程都涉及PLC 應用技術的學習內容，兩門課程的教學內容實踐性強、緊密聯系工程實際。課程要求學生掌握可編程序控制器（PLC）的基本結構、工作原理、指令系統、PLC 的編程方法以及系統設計。其特點為理論與實踐相結合，軟件與硬件兼施，具有多變性、綜合性、典型性、實踐性和實用性五大教學特點[2]。而目前PLC 教學教材的內容，大部分都是先介紹PLC 的概述和PLC 的工作原理，然后講述PLC 控制系統的硬件配置及I/O 接口，軟件的使用方法，編程語言的種類，各類功能指令和系統設計等。在這種傳統固有的教學模式中，傳統的教學方式把過多的時間用到了指令的講解過程中，枯燥乏味，不容易記憶，學生對課程中的知識點理解不夠透徹，同時浪費了大量的時間去記憶理解各種基本指令和功能指令，而忽略了各個指令在具體項目任務中的作用及使用方法。綜合以上PLC 控制技術的特點，本門課程的學習需要一個很好的載體，利用項目教學法為主線，以學生為主體，通過項目的方式，把理論知識充分地融入到實踐中去。采取任務和項目貫穿在整個的教學過程中，這樣可以充分地培養學生獨立思考的能力，加強和培養學生的工程實踐意識，而且通過團隊協作的方式培養學生的團隊精神[3]。

2 項目教學法實施的過程

2.1 項目內容的設置

項目教學法的實施關鍵在于在教學過程中有針對性的針對教學中的理論知識點設計合理的項目內容。因此項目的設置要科學合理，要緊密圍繞人才培養方案，統籌安排項目內容[4]。

在項目教學法的實施中，依據我校近年實驗室的投入建設，充分利用硬件資源，同時綜合考慮實踐性、綜合性、創新性的要求，因此所設置的項目按照逐次遞進、由簡單到復雜、不斷深入、最后綜合的方式展開，以這種科學合理全面的方式進行項目教學，設計了四個難度等級的項目，由易到難，實現階梯化的實踐項目。

（1）基礎性項目

基礎性項目的設置主要是針對教學中理論知識點和主要的功能指令而設置，通過基礎性的項目的實施，讓學生了解PLC 的結構、外部接線、編程軟件的使用、基本的指令的使用方法。具體項目有編程軟件的使用、符號表應用、用編程軟件調試程序、位邏輯指令、定時器、計數器、比較指令、位移與循環指令、數據轉換指令、時鐘、數學運算、邏輯運算指令的應用等。

（2）綜合性項目

綜合性的項目主要以現實生活中常見的控制展開，用學生較熟悉的場景激發學生的學習興趣，開展綜合性的項目，更加深入理解PLC 課程中的理論知識點，進一步提高學生編寫程序的能力及調試程序的方法。具體的項目有噴泉的控制、數碼顯示的控制、舞臺燈光的控制、天塔之光的控制、交通燈的控制、四節傳送帶、軋鋼機、郵件分揀、裝配流水線、液體混合、機械手、水塔水位的模擬控制等。在實際的實施過程中教師可以從中選擇幾個項目讓學生開展工作，達到人才培養的目的。

（3）提高性項目

提高性的項目以實驗室提供的光機電氣一體化實訓設備為基礎，實現工件的定向出料辨識、分揀和水位的恒壓過程控制。項目集成了PLC 編程技術、氣動技術、傳感器技術、現場總線技術、觸摸屏組態技術、電機調速技術、機械傳動技術、創新機械設計技術，能真實體現現代企業自動化生產線的運作流程狀況。要求學生根據具體的控制任務，實現梯形圖程序編寫并反復調試程序實現控制任務，從而內化學生的實踐技能，激發學生的學習潛力和創造力。

由于系統處理的是射頻信號，故需要注意布線時的阻抗問題，本設計采用T-G-G-B(頂層-地-地-底層)的層疊結構，通過調整線寬及層間距達到阻抗匹配。對于高速信號走線，由于趨膚效應造成走線周圍具有電磁場，容易造成相鄰線材的耦合干擾。為使走線間耦合干擾達到可以忽略，布線時需要滿足3W原則(走線中心間隔滿足3倍線寬)。

（4）實踐性項目

實踐性項目以實驗室工業機器人視覺倉儲實訓平臺為載體。實踐內容是基于PLC 與GMC 控制器下的六軸機器人實現物料的上下料、打磨、沖壓、焊接等實際應用系統。項目同樣集成了PLC 編程技術、氣動技術、傳感器技術、現場總線技術、通信技術、觸摸屏組態技術等。通過實踐環節，可以很好地培養學生的動手能力、創新能力和團隊合作的精神。

2.2 項目實施過程

PLC 課程是專業核心課程，對實踐性、創新性有較高的要求。在項目教學的過程中，教師先完成基礎知識的講授，讓學生更加深入的理解專業知識，然后根據實驗設備的實際情況，采用接近實際工程的實踐項目，逐步引導學生開展PLC 控制系統的設計[5]。

為了保證實際教學的質量，課題組教師根據學生的實際情況，把學生按照優、良、中，強弱搭配進行分組。當較弱的學生遇到困難時由能力較強的同學幫助引導，這樣可以有效地提高學習效率。另外學生的分組情況應該從多方面綜合考慮，如：學生的性格、理解能力、團隊精神、動手能力，等等。為保證順利開展各個項目，要求每組學生應該先明確每個人的任務和職責，分配好相應的工作，保證每個學生都參與項目的設計。另外項目由易到難、由簡單到復雜的設計也能兼顧到所有學生。

在項目教學的過程中，學生根據具體項目的控制工藝流程給出合理的系統設計方案、元件設備選型、系統硬件接線、繪制系統的順序功能圖、編寫梯形圖。

最后，要求學生利用實驗設備，完成系統硬件接線，并且下載程序，完成程序調試工作，最后總結與交流。在此教學過程中，教師要巡視每個小組的完成情況，實時的掌握學生的動態。當學生遇到問題時，在尊重學生原始設計的基礎上，給學生適當的引導和啟發，協助學生解決實際遇到的問題，最終實現項目的完成。通過實踐平臺把專業理論知識與實踐操作緊密結合起來。

總之，項目的實施過程中，學生為主，教師為輔，具體過程如圖1 所示。

圖1 項目實施過程圖

在項目教學法的實施過程中，教師的主要作用是協調組織管理工作，以確保項目的順利開展。因此重點應該以學生為主體，教師在授課的過程中不能占用太多的時間去講解理論知識，只需要給學生做適當的輔導即可，這樣既保證了項目的理論基礎，同時學生又通過實踐環節得到了鍛煉的機會。教師只需要在學生需要幫助的時候給予適當的提示和幫助即可[6]。

3 項目教學法實施的效果

在PLC 的教學過程中，采用傳統的教學方法，會導致部分學生對課程的知識體系結構理解不透徹，而且利用所學的知識解決實際問題的能力較弱。而采用項目教學法后，有效地把實踐教學和實際工程緊密聯系。通過基礎性項目、綜合性項目、提高性項目、實踐性項目的實踐教學，有效地把所學的理論知識點相關聯，有效地激發了學生的學習興趣，使學生透徹的理解課程的知識點并達到應用的目的，使其專業能力和綜合能力有效的提高。課程教學質量顯著提高，學生在專業技能創新能力上顯著提高[7]。

采用項目法教學方式，還可以提升學生以下能力：

（1）通過具體項目的設計，培養學生對自動化生產線的檢測、監控、執行等部分的硬件設計、硬件裝配、硬件檢修及硬件維護的能力。

（2）通過具體項目的設計，培養學生學會系統控制方案的設計、設備的選型、程序的編寫和調試以及硬件維護維修的能力。

（3）通過具體項目的設計，培養學生網絡通信問題的解決能力。隨著自動控制設備自動化程度的提高，設備間網絡通信數據的處理能力要求也越來越高。

在項目的實施過程中，師生之間亦師亦友，可以通過共同探討的方式對出現的問題進行有效的解決，讓學生更多地參與到實踐中去，充分地調動了學生的學生積極性和主動性。通過兩屆學生的實踐表明，項目教學法的實施，對人才的培養發揮了有效的作用。通過項目教學法，學生在學科競賽、大學生創新創業項目和畢業設計項目的開展中取得了顯著的成績。特別是在第四屆、第五屆的“歐姆龍杯”自動控制應用設計大賽中，獲得了二等獎一項、三等獎三項、最佳創意獎一項的成績。

4 結語

在PLC 應用技術的教學中，采用項目教學的方法，把具體的知識點以項目的方式呈現在學生的面前，讓學生通過實踐的方式理解并掌握理論知識，避免了填鴨式的教學方式，使得學生在解決實際問題的過程中掌握知識的實質并應用，實現其專業能力和綜合能力的顯著提升。以學生為主體，教師適當的引導，充分調動學生的自主性和積極性，通過學生組隊完成項目，學生明確了學習理論知識點，同時促進了學生自我實踐和團隊合作及與人溝通的能力，達到了應用型人才培養的目標。