李时辉

(义乌工商职业技术学院,浙江 义乌 322000)



“三位一体”递进式PLC实践教学模式构建

李时辉

(义乌工商职业技术学院,浙江 义乌 322000)

PLC课程是电气自动化技术等电气类专业的核心课程，其实践教学效果是衡量该课程教学质量的风向标.针对传统PLC实践教学模式中所存在的问题，提出了“模型—实物—虚拟”三位一体递进式PLC新型实践教学模式.经义乌工商职业技术学院机电信息学院的教学实践证明，该教学模式不仅能促使学生牢固掌握PLC 的基本知识，还大大提高了学生的动手能力和创新能力，有利于提升高职院校电气类人才的培养质量.

PLC；三位一体；递进式；实践教学

可编程控制器 (Programmable Logic Controller)简称PLC是一种以微处理为核心，将“3C”(微型计算机技术、控制技术及通信技术)技术融为一体，集“3电”(电控、电议、电信)控制功能于一身的高可靠性控制器.运用PLC构建的柔性程序控制系统可替代传统的继电器控制系统，在工业自动化进程中得到迅速普及和应用.经过20多年的发展，PLC现已成为美国等工业发达国家的重要产业，在我国也已广泛应用于机械制造、轻工、汽车及文化等各种行业[1]20-21，[2]144-146.

当前PLC已成为各高校电气自动化、机电一体化等电气类专业的核心课程，它与工程实际联系紧密，实用性、工程性和综合性很强[3]136-139.PLC的实践教学效果是衡量该课程教学质量的风向标，PLC的实践教学模式影响着电气类人才的培养质量.

开展PLC课程教学不仅要让学生掌握一些基本指令的应用，更需通过大量的实验、生产实习和课程设计等实践性教学环节，培养学生的动手能力、知识的综合运用能力及创新能力.各高校也深知PLC课程在专业课程体系中的重要性，也都通过增加课时、开设独立实训环节及引进虚拟实训等方式加强学生实践能力的培养，取得了一些成果.但当前各高校PLC课程实践教学模式仍存在教学项目受限制、教学设备受限制、教学时间受限制及教学空间受限制诸多问题.

1 当前PLC实践教学模式所存在的问题

当前各高校在PLC实践教学中一般都采用“PLC+实物模型”的教学模式，近几年为增强学生的动手能力，部分高校采用了“PLC+实物模型”为主、“PLC+实物”为辅的实践教学模式，这类实践教学模式在让学生接受一些简单指令的学习方面，取得了较好的效果，但要培养学生内化技术理论知识，牢固掌握理论知识并灵活应用于实践还是相当困难的.主要有以下几个方面的问题尚待解决.

1.1 教学内容受限制

当前各高校的实践教学设备往往都较为简单，能完成的实训项目非常少，存在无法将企业生产项目“搬入”课堂、无法非常直观的运用PLC控制设备及无法随时随地的开展实训等问题.

1.2 教学设备受限制

进入21世纪以来，企业的技术发展可谓是日新月异，企业的生产设备也是几年一换 ，而因受资金、空间等限制，学院内现有的教学设施更新根本无法追上企业设备的更新和升级的步伐，致使教学内容与企业技术需求脱节，严重影响了课程的教学质量.

1.3 教学时间及空间受限制

当前各高校所采用的实践教学模式都需要有PLC这一硬件基础，而随着高校的快速扩大，在校学生的不断增加，当前各高校的实验室往往仅能勉强满足日常的教学需求，根本无法满足学生在课余时间开展实践学习，为学生开展自学、创新性学习带来了时间和空间上的限制，影响了学生的学习效果.

2 “三位一体”递进式PLC实践教学模式的构建

为有效地解决PLC实践教学中所存在的教学内容受限制、教学设备受限制以及教学时间和空间受限制的3大问题，义乌工商职业技术学院机电信息学院进行了积极而有效的探索与实践，提出了“三位一体”递进式PLC实践教学创新性的模式，即根据行业、企业对PLC应用技能的要求，将实践教学分为“验证性实训”“综合性实训”及“创新设计性实训”3大教学环节，教学的具体内容安排和预计达到的效果如表1所示.

表1 “三位一体”递进式PLC实践教学模式内容和教学目标

PLC的“三位一体”实践教学模式以递进式方式融入教学实践(如图1所示)，通过“PLC+实物模型”教学模式、“PLC+实物”教学模式及虚拟实训平台教学模式三位一体开展PLC实践教学.

图1 递进式实践教学模式

“验证性实训”阶段：在学期初利用学院现有的“PLC+实物模型”设备开展一些基础性的教学，让学生快速掌握一些PLC的基础及编程知识.

“综合性实训”阶段：在学期中，机电信息学院设立了为期2周的课程设计环节，利用学院的“PLC+实物”设备培养学生动手能力及系统的安装调试能力.

“创新设计性实训”阶段：在学期后半段，利用PLC虚拟实训平台培养学生的综合设计能力及创新能力.

3个阶段项目的设立都由简单到复杂、由低级到高级、由基础到综合的递进式，充分利用3个阶段的实验平台优势，弥补各自实践教学模式所存在的不足，突破了常规实践教学模式受时间、空间、设备不足带来的诸多弊端，从而达到提高学生对PLC理论知识的掌握程度，增强学生的动手能力和创新能力的目的.

3 “三位一体”递进式PLC实践教学模式的实践

3.1 利用“PLC+实物模型”完成验证性实验教学

很多高职院校在实践教学中往往仅用该模式完成教学任务，该模式实验台上PLC的I/O输入口往往都是用按钮或拨动开关来代替行程开关等各类主令电器，I/O输出口则用发光二极管或7段数码管来代替电机、水泵及液压泵等各类工业生产设备.这样的实验台具有操作简单、安全等优势，但也存在一些问题：

1)学生无法真正意义上理解PLC在工业现场的实际应用

实验台上用拨动开关来代替行程开关，在调试时学生无法理解行程开关实际的工作过程；用发光二极管来代替电机，当发光二极管亮时代表电机开始工作，学生只看到灯亮而没看到电机转，学生心里会纳闷如果接的真的是一个电机，它的确会转吗.

2)无法培养学生的动手能力

在传统型实验台上开展实验，实验台上的PLC的I/O口与各输入输出间仅需插拔导线即可，不需动手安装启停按钮、接触器、行程开关及电机等各类输入输出设备，出现故障也可以非常容易判断，根本无法培养学生的动手能力，当学生走上社会，走上工作岗位，遇到一个实际的PLC控制系统将束手无策.

因此，机电信息学院在开展实践教学中，充分利用在进行一些基础指令教学时其得天独厚的优势，在课程开设的初级阶段(一般为第1～8周)采用这种教学模式，让学生快速地掌握一些PLC的特点及基础指令的学习.在课程开设的中后期阶段则采用“PLC+实物”模式及PLC虚拟实训平台的模式来弥补“PLC+实物模型”在培养学生动手能力和创新能力上的不足.

3.2 利用“PLC+实物”模式完成综合性实训提升学生动手能力

为弥补验证实训平台所存在的不足，提高学生的动手能力及解决实际问题的能力，机电信息学院在学期中设立了为期2周的综合性实训环节.通过此前近2个月的学习，学生已掌握一定PLC编程技能，对PLC的内部构成及外部接线已有了一定的了解，为综合实训环节开展奠定了有力的基础.为进一步提升综合实训的效果，在实施过程中机电信息学院通过“三个结合”予以保障.

1)结合维修电工(高级工)技能鉴定要求设置实训项目

在综合实训环节教师将结合高级工考证实际操作内容安排3个实训项目，3个实训项目难度逐级提升，项目1为电机的星三角启动及正反转，项目2为自动送料装车控制，项目3由学生自主选择设计，难度不得低于前2个项目[4]20-22.

2)结合企业生产设备的生产过程设定实训内容

为使学生对企业生产设备的生产过程有较为实质性的了解，在设定实训环节内容上结合企业生产设备的生产过程，主要包括：控制方案的设计，电气接线图等硬件的设计，程序等软件的设计，线路及设备的安装，系统的调试及完善.

3)结合生产实际充分发挥学生的动手能力

在实训台上除了电源外无其他任何设备，是全开放式的，学生可根据控制要求及自己的设计来安装各类主令电器、设备等，根据硬件设计方案动手完成PLC与外部输入输出的接线等各类接线.

通过自己亲自动手安装设备、编写程序及调试系统，首先，加深了学生对此前所学的PLC知识的理解，指令的应用更加熟练，编程思路更加清晰；其次，学生自己通过动手安装的系统能让设备工作起来，增强了学生的自信心及学习的兴趣；再次，学生真正把工业中应用的PLC、常用低压电器、电动机等通过综合训练联系在一起，熟悉了它们的使用方法，使学生的动手能力有了很大的提高，分析解决实际问题的能力更是有了突破性进展.同时，通过开展综合实训环节，很好地做到了与高级工考证的无缝对接，真正意义上做到了“双证融通”.但“PLC+实物”模式因受场地、资金限制等原因，能开展的实训项目较少，在培养学生的创新能力上仍有很大程度上的欠缺，机电信息学院在课程开设的后期则采用PLC虚拟实训平台的教学模式，利用虚拟仿真投入小，能开展的实训项目多等优点来培养学生的创新能力.

3.3 利用PLC虚拟实训平台提升学生的综合设计及创新设计能力

相比“PLC+实物模型”模式，“PLC+实物”完全通过硬件实现PLC实验装置具有结构简单，输入输出明确，容易展现结果，可很好的提高学生的动手能力等优点.但因资金投入等原因实验设备往往较简单，能完成的实训项目较为单一，更新的成本大，实验效果并不理想.对于复杂对象在实验室难于建设，特别是在进行综合性的大型实验时，效果欠佳，同时，因设备等原因使学生也很难在上面开展创新型实验.同时前面2种模式还有一个共同的缺点，学生开展实训必须要在实验或实训室开展，使学生能参加实训的时间和空间受到了很大的限制.为弥补此前2种模式所存在的不足，机电信息学院的专业教师又研究开发了基于“视频+虚拟仿真”模式的PLC虚拟实训平台，运用于课程后期阶段的实践教学，取得了较好的效果.该实训平台具有以下一系列优势：

1)可将生产线“搬入”课堂

该虚拟实训平台以组态软件为平台，利用多媒体处理软件的优势来弥补组态软件在处理声音、图片及制作动画上的劣势，从而可将自动化控制系统现场通过视频及计算机仿真模式“搬入”课堂，展现给学生，让学生在教室内就可直观地感受到生产现场的工作过程及工艺要求.提高了学生的学习兴趣，加深了学生对试验本身及理论课程的理解，从而达到提高教学效果的目的[5]162-167.例如社会上及学校内都安装有自动售货机，据了解所有的学生都曾使用自动售货机购买东西，机电信息学院即在虚拟实训平台上根据自动售货机的外观及工作原理制作了虚拟售货机，要求学生为售货机编制PLC控制程序，确保售货机正常工作，因项目的设置完全贴近于生活，大大提高了学生的学习兴趣.

2)可满足生产企业不断更新的技术需求

虚拟实训平台上的设备都是虚拟的，而且虚拟实训平台还具有二次开发的功能.因而当企业内的设备更新换代了或者工艺有提高了，机电信息学院的专业老师就很快可以利用平台的二次开发功能，按企业更新后的工作设备的形状、特点及工作特征在平台上构建一个类似的虚拟设备，因而在投入极少的情况下就可以使课程的实践教学内容与企业的技术需求完全对接，弥补了常规实践教学模式更新速度慢、更新成本高这一难题.

3)可有效培养学生的创新能力

该实训平台注重学生的能力培养，并给学生留有足够的发挥空间，具有很好的开发柔性和扩展性.虚拟实训平台中设有一定数目的输入输出元件，同时PLC也有一定数目的输入输出点，学生可以自己利用平台内的元件组成的接近实际工业应用的界面，自己编制其控制程序，在仿真状态中同学们可直观地对自己所编的PLC实验程序正确与否进行验证.能充分发挥学生个人的创造性思维，同时也可以使学生掌握PLC与电力拖动、计算机系统的信号传递及控制功能等结合的先进控制技术.

4 结语

文章以义乌工商职业技术学院机电信息学院PLC课程为研究对象，分析和总结了该院PLC课程实践教学环节，形成了以专业知识能力培养为基础、以动手能力培养为推手、以创新能力培养为终极目标，“PLC+实物模型”教学模式、“PLC+实物”教学模式及虚拟实训平台教学模式“三位一体”递进式开展PLC实践教学.尽管“三位一体”递进式PLC实践教学模式还存在着一定的问题，诸如3个阶段的项目的设置还不尽合理、虚拟实训平台中现有的实训项目还偏少及虚拟实训项目的美观度还有待进一步提高等问题.但不容置疑的是“三位一体”递进式PLC实践教学模式较之传统的实践教学模式具有更好的优越性、开放性、空间性及创新性，是对PLC实践教学模式的一种有益的探索，在提升学生的学习能力，特别是动手能力和创新能力等方面，起到了非常明显的积极的作用.“三位一体”递进式教学模式注重将企业生产项目与课堂教学相结合，更注重学生的动手能力和创新能力培养，值得在高职院校PLC课程实践教学中推广应用.

[1] 王 春.基于组态软件的PLC实验教学系统[D].成都:西华大学,2009.

[2] 王惠莉.基于MCGS的PLC实验教学系统的构建[J].电气电子教学学报,2010,32(s2).

[3] 苗红霞,齐本胜.PLC控制技术实验教学改革研究与实践[J].实验技术与管理,2010,27(03).

[4] 魏祥林,付龙飞,王树东.“电气控制与PLC应用”课程教学理念优化[J].电气电子教学学报,2012,34(02).

[5] 张 芬.基于MCGS组态技术的PLC实践教学改革[J].电子设计工程,2012,20(10).

[责任编辑 梧桐雨]

Construction of the “Three-in-one” Progressive Teaching Mode in PLC

LI Shihui

(YiwuIndustrialandCommercialCollege,Yiwu322000,China)

PLC is a core curriculum of electric majors of Electrical automation technology, whose teaching effects usually measure the teaching quality. Based on the analysis in problems in the traditional PLC practice teaching mode, the paper focuses on the construction of “Model-Material object-Virtuality” “Three-in-one” Progressive Teaching Mode which has been put into practice in School of Mechatronics﹠IT of Yiwu Industrial and Commercial College. It is proved that the teaching mode will help students master the basic knowledge of PLC, greatly improve their skills and innovation ability, and cultivate high-quality electric talents in vocational colleges.

PLC; Three-in-one; progressive; practice teaching

2016-10-11

浙江省社科联课题“‘大众创业，万众创新’背景下浙江省高技能人才培养体系构建研究”(2017N21)

李时辉(1981- )，男，浙江义乌人，义乌工商职业技术学院副教授，硕士，主要从事信号与信息处理及自动控制系统研究。

TP273；G642

A

1671-8127(2017)02-0087-04