任 淑

（南京技師學(xué)院 江蘇 南京 210033）

以典型案例貫穿PLC課程的教學(xué)設(shè)計(jì)

任 淑

（南京技師學(xué)院 江蘇 南京 210033）

如何在技工學(xué)校教好PLC這門(mén)課程，一直以來(lái)都是課程教學(xué)改革的關(guān)注點(diǎn)。本文以教學(xué)實(shí)踐為依據(jù)，提出了以典型案例為主線，貫穿PLC課程教學(xué)過(guò)程的教學(xué)設(shè)計(jì)思路、教學(xué)特點(diǎn)以及典型案例設(shè)計(jì)的教學(xué)方法。

典型案例；PLC課程；教學(xué)設(shè)計(jì)；案例整合

PLC的應(yīng)用日益廣泛，技工學(xué)校電工、機(jī)電一體化類專業(yè)大多都開(kāi)設(shè)了PLC課程。如何在技工學(xué)校教好這門(mén)課程，一直以來(lái)都是課程教學(xué)改革的重點(diǎn)問(wèn)題。

PLC的編程控制指令有三種：基本邏輯控制指令、步進(jìn)順序控制指令和功能控制指令。各種指令又屬具體的門(mén)類。大部分教材在各種類控制指令的應(yīng)用上選擇了各不相同的教學(xué)案例，其內(nèi)容缺乏前后的連貫性，教學(xué)效果事倍功半。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)選擇典型案例貫穿PLC課程教學(xué)，不失為一條事半功倍的教學(xué)途徑。現(xiàn)以《PLC原理與應(yīng)用》中 “交通燈控制課題”為例，對(duì)PLC課程教學(xué)設(shè)計(jì)加以研究。

對(duì)PLC課程的教學(xué)設(shè)計(jì)

教材在基本控制指令、步進(jìn)順序控制指令和功能控制指令三個(gè)方面分別闡述了不同的編程思想方法，各種類控制指令是并列關(guān)系，而教材在應(yīng)用案例選擇上的“散”，使得教師往往限于對(duì)各個(gè)案例功能的剖析，弱化了控制指令應(yīng)用的教學(xué)，而學(xué)生在對(duì)新控制指令一知半解的情況下，卻要花大力氣弄懂弄通案例本身所要實(shí)現(xiàn)的功能，無(wú)形中增加了教與學(xué)的難度。

在本課程教學(xué)上，筆者設(shè)計(jì)的以“交通燈控制課題”為主線的案例，貫穿PLC的三種控制指令編程教學(xué)，讓學(xué)生通過(guò)分別用三種不同的控制指令編程實(shí)現(xiàn)其控制功能，達(dá)到一題多解的教學(xué)效果。實(shí)踐證明，此法使得PLC課程教學(xué)的整體性和系統(tǒng)性大幅提升，教學(xué)難度有效降低，趣味性和實(shí)用性的增強(qiáng)，也使學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情得到明顯提高。現(xiàn)將具體教學(xué)設(shè)計(jì)及過(guò)程簡(jiǎn)述如下。

交通燈控制要求:設(shè)計(jì)交通燈白天與夜間的控制程序（見(jiàn)圖1）。

圖1 交通燈時(shí)序控制圖

（一）基本控制指令編程

1.引導(dǎo)學(xué)生將已具備的繼電控制知識(shí)遷移到梯形圖語(yǔ)言，使得學(xué)生獲取PLC基本控制指令知識(shí)。

2.引導(dǎo)學(xué)生編程、接線，實(shí)現(xiàn)交通燈控制功能（強(qiáng)調(diào)交通燈白天和夜間的控制功能的差異性，為后續(xù)步進(jìn)順序控制指令教學(xué)埋下伏筆）。

3.引導(dǎo)學(xué)生反思基本控制指令編程存在的問(wèn)題：（1）工藝動(dòng)作表達(dá)繁瑣；（2）梯形圖涉及聯(lián)鎖，關(guān)系復(fù)雜，處理麻煩；（3）梯形圖可讀性差，難以看出具體控制工藝過(guò)程（見(jiàn)圖2）。

圖2 交通燈控制圖

（二）步進(jìn)順序控制指令編程

1.承上啟下，指出為解決基本控制指令編程存在的問(wèn)題，引入更為直觀簡(jiǎn)便的步進(jìn)順序控制編程方法，運(yùn)用程序設(shè)計(jì)工具——順序控制狀態(tài)流程圖來(lái)實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)是：（1）將復(fù)雜的控制任務(wù)或工作過(guò)程分解成若干個(gè)工序；（2）使各工序的任務(wù)明確而具體；（3）使各工序間的聯(lián)系清楚，工序間的轉(zhuǎn)換條件直觀。

2.說(shuō)明步進(jìn)順序控制的種類：有單流程順序控制和多流程順序控制。多流程順序控制常見(jiàn)的有選擇性分支與匯合、并行性分支與匯合、選擇性分支與并行性分支的組合等。仍以交通燈時(shí)序控制為例，進(jìn)行分析比較，解決如何分別用單流程、選擇性分支與匯合、并行性分支與匯合、選擇性分支與并行性分支的組合這四種順序控制方法編程實(shí)現(xiàn)其控制要求。

3.單流程順序控制編程一體化教學(xué)。經(jīng)過(guò)前期對(duì)基本控制指令編程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了交通燈控制功能，無(wú)需再對(duì)案例本身進(jìn)行功能解析。此時(shí)的教學(xué)重點(diǎn)是要教會(huì)學(xué)生掌握單流程順序控制狀態(tài)流程圖設(shè)計(jì)方法，引導(dǎo)學(xué)生將交通燈時(shí)序控制過(guò)程時(shí)序分解成若干個(gè)工序，明確各工序中哪些燈工作，找出工序間的轉(zhuǎn)換條件。突出順序控制編程的六個(gè)設(shè)計(jì)步驟：一是I/O分配；二是將整個(gè)過(guò)程按任務(wù)要求分解，其中，每個(gè)工序均對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)；三是弄清每個(gè)狀態(tài)的功能、作用；四是找出每個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件；五是畫(huà)出狀態(tài)流程圖（SFC圖）；六是對(duì)應(yīng)狀態(tài)梯形圖，列出語(yǔ)句表程序；最后引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)SFC圖編程和調(diào)試方法，實(shí)現(xiàn)交通燈控制功能。

4.選擇性分支與匯合順序控制編程一體化教學(xué)。首先引導(dǎo)學(xué)生分析上述單流程控制編程的缺陷。缺陷在于夜間控制的實(shí)現(xiàn)必須是在執(zhí)行白天控制以后，不符合實(shí)際控制要求，需要改進(jìn)，進(jìn)而引入選擇性分支與匯合順序控制。在選擇性分支與匯合順序控制編程教學(xué)中，重點(diǎn)突出如何設(shè)計(jì)交通燈白天、夜間控制選擇分支，其次是選擇性分支狀態(tài)的編程方法：從驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)移、匯合三個(gè)方面分別闡述。最后引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)SFC圖編程和調(diào)試方法，實(shí)現(xiàn)交通燈控制功能（見(jiàn)圖3）。

圖3 選擇性分支與匯合順序控制狀態(tài)流程圖

5.并行性分支與匯合順序控制編程一體化教學(xué)。首先，從交通燈時(shí)序控制角度說(shuō)明東西向、南北向信號(hào)燈是滿足交通時(shí)序條件要求同時(shí)執(zhí)行的兩個(gè)并行分支，引導(dǎo)學(xué)生比較上述單流程控制、選擇性分支與匯合順序控制編程，會(huì)發(fā)現(xiàn)將東西向、南北向信號(hào)燈設(shè)計(jì)在一個(gè)流程中，容易引起混淆。指出須用一個(gè)更為合理的編程方法——并行性分支與匯合順序控制，從而引入并行性分支與匯合順序控制編程教學(xué)。在并行性分支與匯合順序控制編程教學(xué)中，首先，突出如何設(shè)計(jì)東西向、南北向信號(hào)燈分支；其次，采用比較法強(qiáng)調(diào)并行性分支、匯合狀態(tài)、轉(zhuǎn)移條件的編程與選擇性分支、匯合狀態(tài)、轉(zhuǎn)移條件編程的區(qū)別，以及并行性分支與匯合的驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)移、匯合編程方法；再次，引導(dǎo)學(xué)生掌握區(qū)別于選擇性分支與匯合的并行性分支與匯合的編程、調(diào)試方法，實(shí)現(xiàn)交通燈控制功能（因與組合流程順序控制相近，故此程序圖略）。

6．組合流程順序控制編程一體化教學(xué)。引導(dǎo)學(xué)生綜合比較上述各編程方法的優(yōu)劣，采用選擇性分支與并行性分支的組合編程、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)交通燈時(shí)序控制功能（見(jiàn)圖4）。

從這里看出，僅在步進(jìn)順序控制指令教學(xué)設(shè)計(jì)中，交通燈時(shí)序控制編程就達(dá)到一題四解。（參見(jiàn)表1及圖4）

表1 I/O地址分配表

圖4 組合流程順序控制狀態(tài)流程圖

（三）功能控制指令編程

通過(guò)以上基本控制指令、步進(jìn)順序控制指令編程教學(xué)，學(xué)生對(duì)PLC編程已經(jīng)入門(mén)，但對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，則需要運(yùn)用功能指令和功能模塊共同完成教學(xué)。在學(xué)到傳送比較指令及其應(yīng)用時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生掌握以觸點(diǎn)比較指令編程、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)交通燈控制。接下來(lái)鼓勵(lì)學(xué)生積極思考用傳送指令編程，實(shí)現(xiàn)交通燈控制。

通過(guò)這段教學(xué)，讓學(xué)生進(jìn)一步體會(huì)到PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，PLC的控制方式是存儲(chǔ)邏輯，是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種計(jì)算機(jī)。從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)行更高層次學(xué)習(xí)的積極性，為后續(xù)學(xué)習(xí)各類功能指令打下良好的基礎(chǔ)（見(jiàn)圖5）。

圖5 觸點(diǎn)比較指令實(shí)現(xiàn)交通燈控制程序圖

以典型案例為主線貫穿PLC課程教學(xué)特點(diǎn)

（一）引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行建構(gòu)性學(xué)習(xí)

以典型案例貫穿課程教學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)構(gòu)建梯次、整合教學(xué)內(nèi)容，營(yíng)造學(xué)習(xí)情境、引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行建構(gòu)性學(xué)習(xí)。

通過(guò)選擇“交通燈時(shí)序控制”這樣一個(gè)生活中常見(jiàn)的課題，能夠激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，帶動(dòng)學(xué)生積極思考，主動(dòng)探索。通過(guò)應(yīng)用該典型案例貫穿課程教學(xué)，能夠達(dá)到三個(gè)教學(xué)目的。一是實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)構(gòu)建上的從繼電控制的邏輯控制指令入門(mén)，到步進(jìn)順序控制指令編程的簡(jiǎn)便直觀，再到功能控制指令實(shí)現(xiàn)的循序漸進(jìn)、由繁到簡(jiǎn)，最后深入提高的過(guò)程。二是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜層層引導(dǎo)，加強(qiáng)了控制指令之間應(yīng)用的有機(jī)聯(lián)系，促進(jìn)了學(xué)生的理解，保證了學(xué)生學(xué)習(xí)思維的連貫性和學(xué)習(xí)內(nèi)容的系統(tǒng)性，使學(xué)生通過(guò)教學(xué)不斷地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、解決問(wèn)題，在比較中學(xué)習(xí)，在比較中鑒別，在比較中掌握，在比較中融會(huì)貫通，在循序漸進(jìn)中提高，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立精神，通過(guò)教學(xué)使學(xué)生具有判斷能力、行動(dòng)能力和自發(fā)的繼續(xù)學(xué)習(xí)能力。三是使學(xué)生初步掌握了基本控制指令、步進(jìn)順序控制指令、功能控制指令的編程方法。

需要指出的是，以典型案例貫穿課程教學(xué)只是實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的基本目標(biāo)：領(lǐng)會(huì)掌握不同的控制指令的編程方法。在其后的教學(xué)中還要完成教學(xué)大綱的總體要求，即拓展到其他案例，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)不同案例的控制要求，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)目刂浦噶罹幊?，做到各個(gè)擊破，分步掌握。

（二）教學(xué)案例內(nèi)容典型化

教學(xué)案例內(nèi)容的典型化，可以盡量多地涵蓋知識(shí)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多種控制指令編程，達(dá)成一題多解，有助于達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，提高學(xué)生的綜合能力。

《PLC原理與應(yīng)用》教材提供的主要案例有工作臺(tái)自動(dòng)循環(huán)控制，Y-△降壓?jiǎn)?dòng)，雙速電動(dòng)機(jī)控制、三速電動(dòng)機(jī)控制、帶式輸送機(jī)、彩燈控制、液體混料、工業(yè)洗衣機(jī)、恒壓供水控制等。在教學(xué)設(shè)計(jì)上，需要將教學(xué)案例進(jìn)行整合。如將工作臺(tái)自動(dòng)循環(huán)控制、Y-△降壓?jiǎn)?dòng)、雙速電動(dòng)機(jī)控制、三速電動(dòng)機(jī)控制等歸為一類，在教學(xué)中設(shè)計(jì)要求分別采用基本控制指令、單流程順序控制指令、傳送比較功能控制指令編程。另外，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)貼近生產(chǎn)實(shí)際的案例，這樣的案例具有綜合性特征，從而也使得編程必須具備綜合性。如設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)案例在原有順序啟動(dòng)傳送功能基礎(chǔ)上，增加當(dāng)其中任一電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障情況下均能合理逆序停止的控制要求，達(dá)成將原本只需要用單流程順序控制指令編程的單一功能案例，提升到必須要用組合流程順序控制指令來(lái)完成的復(fù)雜功能案例，這樣可以有意識(shí)地鍛煉提高學(xué)生綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

仍需要指出的是，典型案例的設(shè)計(jì)整合，必須根據(jù)教學(xué)目標(biāo)要求，側(cè)重能力培養(yǎng)和實(shí)際應(yīng)用。本課程主要培養(yǎng)學(xué)生掌握PLC在電氣控制工作領(lǐng)域的應(yīng)用，案例內(nèi)容必須與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展水平相適應(yīng)，具有控制電路技術(shù)革新與改造的特征。

以典型案例貫穿教學(xué)，一定要讓學(xué)生在“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”下手腦并用，學(xué)做合一，梯次完成操作訓(xùn)練、進(jìn)行控制功能實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證和先后學(xué)習(xí)成果的比較，真正實(shí)現(xiàn)以“學(xué)生為中心”和“在評(píng)價(jià)中學(xué)習(xí)”。

[1]肖明耀.PLC原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)出版社，2007.

[2]班華.中學(xué)教育學(xué)[M].北京：人民教育出版社，1994.

[3]張萬(wàn)忠.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)（第2版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]張運(yùn)剛，宋小春，郭武強(qiáng).從入門(mén)到精通——三菱FX2N PLC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

G712

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1672-5727（2010）12-0095-03

任淑（1957—），女，江蘇南通人，南京技師學(xué)院高級(jí)講師，研究方向?yàn)楣I(yè)電氣自動(dòng)化。