面向工程教育的電氣控制與PLC研究性學習教學模式改革

楊志剛 薄敬東

摘?要：本文以國際先進的CDIO工程教育理念為指導構建“研究性學習”教學模式，該模式以自動化工程項目設計為主線，引導學生在項目設計過程中進行研究性學習。教學實踐證明，該教學模式激發了學生的學習興趣，在學生獲取課程知識的同時，促進了對學生的實踐能力和創新能力培養，有效提高了課程教學質量。

關鍵詞：工程教育;研究性學習;電氣控制與PLC

一、緒論

電氣控制與PLC主要研究自動控制系統的軟硬件實現技術，是實現工業生產自動化的重要技術手段。從一個普通的生產設備到企業的整個加工、制造系統乃至企業的整個生產過程，都需要由電氣與PLC控制技術構建的自動化系統和自動化生產過程。電氣與PLC技術主要通過低壓電氣線路設計、系統總線集成、控制軟件設計等環節，將自動控制理論在具體控制任務中實例化，實現被控系統的自動運行。從早期的繼電器—接觸器控制，到以微處理器為核心的可編程序控制，控制系統實現了從硬件邏輯電路到數字運算的轉變，隨著智能技術、通信技術、網絡技術的發展，電氣與PLC控制技術也向著集成化、智能化和網絡化的方向不斷延伸。

電氣控制與PLC課程在自動化、電氣工程及其自動化、機械工程自動化等專業都是一門重要專業課程。其課程知識體系大致分為四個方面的內容：低壓電器元件和電氣接線圖設計;PLC基本指令和軟件編程方法;數字量控制系統設計;模擬量控制系統設計。由于電氣與PLC控制技術實踐性較強，傳統課程教學脫離工程實際多以概念、基本指令和簡單實例為主，采用“講授式”教學，不能充分調動學生積極性，使學生知識掌握分散，難以綜合運用知識進行設計，課程實驗多以驗證性實驗為主，這種教學模式以不利于新工科背景下學生的綜合運用和工程實踐能力的培養。

本文在吸取國內院校新工科課程改革成果基的基礎上[16]，結合我校特點，為解決“電氣控制與PLC”傳統課程教學中存在的問題，引入CDIO國際工程認證教育理念，采用“研究性學習”教學模式改革傳統課程教學。

二、研究性學習教學模式改革建設目標

電氣控制與PLC研究性學習教學，以自動化項目設計為主線進行教學內容、教學進度的編排，以“培養學生發現問題、提出問題、解決問題的能力和永不滿足、追求卓越的態度”為基本目標。課程以實際工程設計為背景，合理提高課程難度、增加課程與電機拖動、過程控制等課程的交叉，將組態設計涵蓋進教學范圍，拓展學生對工程設計規范的認知。通過研究性學習全程參與項目的構思、設計、實施和運行等過程，讓學生在獲得知識學習的同時，獲得多方面的工程體驗和設計樂趣，激發學生的學習激情，側重培養學生工程實踐能力和工程創新能力。

三、研究性學習教學改革內容

（一）優化教學內容

電氣控制與PLC是實現工業自動化的重要技術手段，在一般的自動化系統設計中涉及電氣控制、PLC、變頻控制、自動控制、通信和人機交互（組態軟件）等技術。課程教學內容應貼近實際，涵蓋工業自動化系統設計所需求的知識內容。根據人才培養目標和教學大綱的要求，教學內容以控制系統的電氣設計和PLC程序設計為核心，以“夠用、實用”為原則，加入PLC通信、變頻控制、組態軟件設計內容，按照按照學生的認知規律和項目設計流程編排教學過程。具體教學內容如下：

第1講，課程以自動化及PLC控制系統為開始，結合過程控制理論簡述自動控制系統的組成，以具體實例（水位控制）引入電氣控制線路、可編程控制器（PLC）、HMI人機界面、變頻驅動等控制環節，使學生清晰的認識到各環節在控制系統中所處位置和作用。

設計任務：從入戶電源開始，繪制家里的電氣線路，列出所采用的電氣元件清單及名牌參數。

第2講，講述工業自動化項目設計的流程，以水泥自動配料生產線控制系統設計為實例，介紹系統工藝、功能設計、電氣設計、軟件設計、系統運行設置等流程。

設計任務：對調速稱（自動配料一個單元）進行調研和控制方案設計。

第3講、第4講，講述工業自動化項目電氣控制，包括：低壓電氣原件、典型線路、低壓線路設計規范。

設計任務：對調速稱（自動配料一個單元）進行電氣控制部分設計（原理圖、接線圖、原件清單）。

第五講，講述PLC的基礎和PLC控制系統硬件設計，以調速稱自動控制為例講述硬件設計的概念、IO分配，硬件接線。

設計任務：調速稱硬件設計及PLC接線（原理圖、接線圖、原件清單）。

第6講，PLC硬件組態，基本指令，以電機啟停控制為例引入PLC編程軟件、軟件配置、IO單元硬件組態、PLC基本邏輯指令編程。

設計任務：調速稱控制系統傳送帶啟停自動控制。

第7講，基本指令應用，以電機多地啟動，多電機順序啟動逆序停止、設備聯鎖控制講解基本指令的組合邏輯。

設計任務：調速稱控制系統手動控制程序設計。

第8講，講述定時器指令、計數器指令，以電動機延時啟動、延時關閉講解定時器，以生產線產品計數講解計數器。

設計任務：調速稱控制系統報警、急停程序設計。

第9講，順序控制PLC程序設計方法、以料車控制為例講述順序功能圖的繪制，及順序控制軟件設計方法。

設計任務：調速稱控制系統自動控制程序設計。

第10講，講述PLC項目中的數據處理，以壓力模擬量采集、量程變換為例講解PLC數據處理指令。

設計任務：調速稱控制系統料重檢測程序設計。

第11講，講述PLC項目中的數據處理，以PID控制系統為例子，講解模擬量閉環控制系統的PLC實現。

設計任務：調速稱控制系統下料量PID閉環控制。