□徐 茜

對高職《電氣控制與PLC》課程教學(xué)的思考

□徐 茜

在總結(jié)多年教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，提出了一種旨在培養(yǎng)學(xué)生工程能力的“工程體驗式”教學(xué)方法，結(jié)合“電氣控制與PLC”課程教學(xué)，介紹了在教學(xué)過程中的具體做法。強(qiáng)調(diào)安裝調(diào)試過程及自動化產(chǎn)品使用手冊、工程圖紙等技術(shù)文件的使用在教學(xué)過程中的重要性和必要性。教學(xué)實踐表明，“工程體驗式”教學(xué)法，在高等職業(yè)技術(shù)教育教學(xué)中行之有效。

工程體驗式；PLC；教學(xué)法；電氣控制

一、引言

美國近代著名的教育家約翰·杜威（John Dewey，1859—1952）關(guān)于教學(xué)，曾有過一段精彩論述：“學(xué)校的責(zé)任是啟發(fā)學(xué)生對學(xué)科的興趣，并從中學(xué)習(xí)解決問題的方法和思考方式，讓學(xué)生從實踐（活動）中掌握知識，而不是由教師報告他人的學(xué)習(xí)成果。”[1]美國的高等工科教育受到杜威思想的深刻影響，如美國最早的私立工科大學(xué)之一，位于馬塞諸塞州的伍斯特理工學(xué)院 （Worcester Polytechnic Institute，簡稱 WPI，1865 年建校），在美國率先創(chuàng)立了“理論與實踐并重”的工科教育模式，并以校園內(nèi)兩座塔式建筑，教學(xué)樓和工程訓(xùn)練大樓作為標(biāo)志，“理論與實踐并重”的教育模式也被稱為 “雙塔模式”（The Two Towers)，“雙塔模式” 得到美國學(xué)界和工業(yè)界的廣泛認(rèn)同，并被之后的工科院校紛紛效仿。現(xiàn)在，WPI仍保持一貫的教育傳統(tǒng)，與工業(yè)界關(guān)系密切，重視學(xué)生應(yīng)用理論知識解決工程實際問題的能力培養(yǎng)，學(xué)校設(shè)有項目中心（Project Center)，負(fù)責(zé)管理來自工業(yè)界工程項目，為學(xué)生和企業(yè)服務(wù)[2]。WPI的畢業(yè)生因為有著良好的工程訓(xùn)練，一直以來，受到美國乃至全球優(yōu)秀企業(yè)的青睞。

“雙塔模式”也影響了國內(nèi)的工科教育，但如何更好地培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力，激發(fā)學(xué)生對學(xué)科的興趣，也是歷次工科教育、高等職業(yè)技術(shù)教育改革的目標(biāo)?！半姎饪刂婆cPLC”是電氣控制、自動化類專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)技術(shù)課程。由于微電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，電氣控制技術(shù)日新月異，特別是可編程控制器的出現(xiàn)，由于它具有功能強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、適用于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境、易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點，使其在電氣自動化控制的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱之一[3]。所以，我國各類工科院校、高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了電氣控制與PLC課程。目前，國內(nèi)市場上95%左右的可編程控制器都是國外進(jìn)口，主要廠商有Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc 等國際大公司，歐美公司在大、中型PLC領(lǐng)域占有絕對優(yōu)勢，日本公司在小型PLC領(lǐng)域占據(jù)十分重要的位置。所以，相同的課程設(shè)置，教學(xué)內(nèi)容因為所選產(chǎn)品的不同而呈現(xiàn)多樣性。一般以中小型PLC作為首選，常見的選型產(chǎn)品有：德國西門子S7-200/300、日本三菱FX0N/FX2N、歐姆龍CP1H等。教學(xué)形式上，基本上沿用以往理論課加實驗課的模式。

如何跟近技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，如何提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力，下面結(jié)合自己多年來 “電氣控制與PLC”教學(xué)工作，圍繞如何提高學(xué)生工程實踐能力這一中心，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、教學(xué)的組織等幾個方面，探討了我們在課程教學(xué)中的一些具體做法。

二、課程教學(xué)的目標(biāo)與要求

“電氣控制與PLC”教學(xué)內(nèi)容由兩部分組成，第一部分，介紹常用低壓電器及繼電接觸器控制系統(tǒng)；第二部分，介紹可編程控制器的工作原理及應(yīng)用，包括硬件電路和應(yīng)用軟件的設(shè)計。從知識的內(nèi)在關(guān)系來說，第一部分是基礎(chǔ)，第二部分既是繼電接觸器控制系統(tǒng)功能上的延續(xù)，同時又具有全新的體系結(jié)構(gòu)，實際上，可編程控制器是以微處理器為核心的工業(yè)計算機(jī)。課程基本要求：熟悉常用低壓電器的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性及應(yīng)用，具備繼電接觸器控制系統(tǒng)基本分析能力，重點掌握典型電氣設(shè)備控制系統(tǒng)分析及應(yīng)用；了解可編程控制器的工作原理及結(jié)構(gòu)特點，熟悉可編程控制器基本邏輯指令、順控指令、功能指令及應(yīng)用；具備PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與維護(hù)基本能力。課程以提高學(xué)生的全面素質(zhì)和培養(yǎng)學(xué)生的各項能力為核心組織教學(xué)。

在我校，電氣自動化技術(shù)專業(yè) “電氣控制與PLC”課程安排在校內(nèi)工業(yè)中心電氣控制與可編程控制器實訓(xùn)室，每周兩個單元的時間?？紤]到高等職業(yè)教育主要服務(wù)于地方經(jīng)濟(jì)，承擔(dān)著為本地區(qū)培養(yǎng)高級技能型人才。深圳地處我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展前沿，工業(yè)自動化水平很高，工業(yè)生產(chǎn)自動化裝備主要是進(jìn)口，且以德國和日本裝備為主，現(xiàn)場大量地使用中小型PLC。所以，我們學(xué)校選用的PLC以日本三菱和德國西門子小型機(jī)為主，這也基本上反映了當(dāng)前國內(nèi)PLC市場上主流機(jī)型的狀況。

“電氣控制與PLC”課程教學(xué)以怎樣用好自動化產(chǎn)品為主線展開，任務(wù)非常明確，在了解自動化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理基礎(chǔ)上，重點是如何應(yīng)用，熟悉產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)、特點，使用中要注意的問題等。以交流接觸器為例。首先，了解交流接觸器的結(jié)構(gòu)原理、功能，熟悉具體某一個型號的產(chǎn)品，如交流接觸器CJ10-20，通過典型的應(yīng)用，掌握交流接觸器的檢測方法和使用方法、主要的技術(shù)參數(shù)、選型方法及使用中的注意事項。課程大綱中所有要求掌握的自動化器件（包括PLC）都是從產(chǎn)品使用的角度出發(fā)介紹給學(xué)生。盡量減少理論的贅述。學(xué)時分配情況，第一部分常用低壓電器及繼電接觸器控制系統(tǒng)約占總學(xué)時的三分之一，第二部分PLC控制系統(tǒng)占約三分之二。分階段展開教學(xué)，每一個階段，知識的學(xué)習(xí)和能力訓(xùn)練各有側(cè)重，由簡單到復(fù)雜，由單一功能到綜合應(yīng)用，循序漸進(jìn)。第一部分，低壓電器及繼電接觸器控制系統(tǒng)部分，通過幾個典型的電氣控制系統(tǒng)訓(xùn)練項目，讓學(xué)生重點在工程識圖、硬件電路的接線、布線、電路的檢測等方面得到訓(xùn)練；第二部分分兩個階段，首先，了解PLC的結(jié)構(gòu)、工作原理，熟悉PLC輸入/輸出電路，通過電動機(jī)正反轉(zhuǎn)循環(huán)控制等簡單項目的訓(xùn)練，讓學(xué)生熟悉PLC控制系統(tǒng)組成及系統(tǒng)的調(diào)試方法、指令的基本應(yīng)用。最后階段是綜合項目的訓(xùn)練，重點是PLC編程訓(xùn)練與提高。

三、“工程體驗式”教學(xué)法

教育家約翰·杜威的教育思想揭示了一個認(rèn)知規(guī)律，即體驗是對未知領(lǐng)域的最好的認(rèn)識過程，且這一過程具有自主思維的特性，充滿激情。強(qiáng)調(diào)技術(shù)應(yīng)用和實際操作能力的高等職業(yè)技術(shù)教育，特別注重學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)，我們認(rèn)為培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)應(yīng)用能力最有效的途徑，就是讓學(xué)生在工程實踐中去體驗，在體驗中去學(xué)習(xí)。

（一）以項目驅(qū)動教學(xué)[4]

“電氣控制與PLC”課程教學(xué)一般兩個同學(xué)為一個小組，在教學(xué)的不同階段，相互協(xié)作，共同完成工程項目。第一階段，重點在工程識圖、硬件電路的接線、布線、電路的檢測等方面訓(xùn)練，項目以器件的檢測、安裝，系統(tǒng)的調(diào)試、運(yùn)行為主，在工程實踐活動體驗中，熟悉產(chǎn)品，掌握測試和調(diào)試的方法。在熟悉器件的開始階段，盡量不用封閉或半封閉的實驗裝置，讓學(xué)生在真實的工業(yè)環(huán)境中去體驗。由簡到繁，完成工業(yè)上幾個典型的電氣控制系統(tǒng)項目。第二階段，重點是了解PLC的結(jié)構(gòu)、原理，熟悉PLC輸入/輸出電路、PLC控制系統(tǒng)。具體地，將PLC作為一個器件，從使用的角度讓學(xué)生去認(rèn)知，重點是輸入/輸出電路、工作原理。讓學(xué)生在PLC的應(yīng)用中，由外部到內(nèi)部，由淺及深逐步深入下去，在使用的過程中學(xué)習(xí)，逐步擴(kuò)展知識面。同樣地，在開始階段，我們也不贊成用封閉或半封閉的實驗裝置，盡可能讓學(xué)生通過安裝、測試、系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行等過程來熟悉可編程控制器，包括編程器和電腦編程軟件的使用。從簡單的電動機(jī)控制項目到工業(yè)機(jī)械手的PLC控制項目，讓學(xué)生在項目實施的過程中，熟悉產(chǎn)品，熟悉指令及編程調(diào)試。在以程序設(shè)計為主的第三階段，側(cè)重軟件設(shè)計與調(diào)試，包括計算機(jī)仿真，系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試等，完成一個綜合性項目，如三層電梯的PLC控制系統(tǒng)等。

（二）真實工業(yè)環(huán)境的營造[4]

現(xiàn)在大部分學(xué)校的實驗裝置使用封閉或半封閉的教學(xué)實驗箱，方便了學(xué)生接線，而且外型設(shè)計美觀，但是，這樣的教學(xué)實驗箱我們在工業(yè)現(xiàn)場是看不到的，學(xué)生的感受和體驗是不一樣的。在強(qiáng)調(diào)學(xué)生工程體驗的情況下，我們設(shè)置了安裝這一教學(xué)環(huán)節(jié)，對于PLC，為了減少對產(chǎn)品本身接線端子因反復(fù)接線而造成的損壞，要求學(xué)生在輸入/輸出端引入接線端子（這本身也是實際的工程項目中常見的安裝方法），學(xué)生對PLC也有更直觀的了解。

另外，這里要特別指出，在教學(xué)過程中，實訓(xùn)室必須備有相關(guān)產(chǎn)品使用手冊（電子或文本均可），方便學(xué)生隨時查閱，鼓勵學(xué)生查閱產(chǎn)品使用手冊。教材和產(chǎn)品使用手冊有很大差別，教材側(cè)重于基本原理和基本方法，而關(guān)于產(chǎn)品的很多技術(shù)細(xì)節(jié)不可能涉及到。產(chǎn)品使用手冊作為重要的技術(shù)文件就不同了，它對產(chǎn)品有一個全面的描述，包括使用產(chǎn)品需要特別注意的事項，技術(shù)指標(biāo)，甚至典型的案例，有些技術(shù)細(xì)節(jié)必須要查閱產(chǎn)品使用手冊。重要的是，工程技術(shù)人員在工程項目設(shè)計和實施過程中，產(chǎn)品的技術(shù)文件是經(jīng)常要使用的。指導(dǎo)學(xué)生查閱產(chǎn)品技術(shù)文件（或產(chǎn)品使用手冊）是工程體驗式教學(xué)不可或缺的教學(xué)環(huán)節(jié)。

“工程體驗式”教學(xué)法，首先，改變了傳統(tǒng)教學(xué)方式，變填鴨式教學(xué)為真正以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)方式，突出了教學(xué)的實踐性；另外，在教學(xué)過程中，同學(xué)之間，同學(xué)與教師之間的交流討論貫穿教學(xué)整個過程，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和熱情極大提高。

四、仿真軟件的應(yīng)用

目前可編程控制器的生產(chǎn)廠家有數(shù)百家之多，各個廠家的產(chǎn)品又從小型到大型分為許多型號和系列。以日本三菱公司的產(chǎn)品為例，常見的產(chǎn)品有A系列、Q系列和FX系列等，F(xiàn)X系列中又分為FX0、FX0N、FX1、FX1S、FX1N、FXU、FX2N、FX3U等類型，但不管哪種系列或類型，其基本原理是相同的，功能上有所差異。所以，在教學(xué)中，我們一般以一種典型產(chǎn)品為對象展開教學(xué)，注重對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理的理解和在工程應(yīng)用中解決問題的方式和方法的學(xué)習(xí)。

“工欲善其事，必先利其器”（《論語·魏靈公》），工程技能人才的培養(yǎng)，要特別重視“工具”的使用，除了優(yōu)選合適的產(chǎn)品作為學(xué)習(xí)對象外，電路檢測和系統(tǒng)調(diào)試的工具也尤為重要。各個PLC生產(chǎn)廠家為了方便PLC程序的調(diào)試，都推出了相應(yīng)的PLC仿真軟件，如西門子公司的S7-PLCSIM，三菱公司的GX SIMULATOR等，目前，使用PLC編程軟件和仿真軟件成為學(xué)習(xí)PLC一種簡單有效的方法。各種仿真軟件的功能基本相同，都是在沒有PLC硬件設(shè)備的環(huán)境下，建立一個虛擬的PLC設(shè)備，通過編程軟件集成環(huán)境完成程序下載、程序調(diào)試和變量狀態(tài)的監(jiān)視[5]。變量時序圖不僅能幫助我們了解程序的運(yùn)行情況，也能夠讓學(xué)生更清楚地了解PLC不同于一般計算機(jī)的掃描工作過程。在“電氣控制與PLC”課程教學(xué)的第三階段，我們加強(qiáng)了學(xué)生PLC仿真軟件的應(yīng)用。一方面，GX-SIMULATOR的應(yīng)用，加快了程序調(diào)試的過程，通過仿真調(diào)試后，再將程序下載到PLC進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，然后再進(jìn)行系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)試；另一方面，掌握系統(tǒng)仿真的方法，學(xué)生可以很方便地在實訓(xùn)室環(huán)境以外在自己的電腦上完成項目程序的設(shè)計和調(diào)試，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和主動性。很多同學(xué)的程序都是在課余時間完成的。更重要的是，仿真軟件的學(xué)習(xí)和使用，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，為學(xué)習(xí)其他系列PLC或其他品牌的產(chǎn)品提供了一條有效的方法。“授人以魚，不如授人以漁”，對工程環(huán)境的熟悉，學(xué)習(xí)解決工程實際問題的方式方法才是工科教育的重要目標(biāo)。同樣地，系統(tǒng)仿真也是工程實際中常用的技術(shù)手段，在實際項目中學(xué)習(xí)使用是最好的體驗。

五、結(jié)束語

“工程體驗式”教學(xué)法，強(qiáng)調(diào)在教學(xué)過程中，讓學(xué)生在真實的工程環(huán)境下去體驗、在完成項目的過程中去學(xué)習(xí)，要求采用真實的工業(yè)設(shè)備、技術(shù)資料（包括規(guī)范的工程圖紙、產(chǎn)品使用手冊）和工程實際中的技術(shù)手段和方法。學(xué)生在整個教學(xué)活動中，始終處于主體位置，教師的主要工作是組織和指導(dǎo)，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，多給學(xué)生自由的空間去展示自我，使他們處于主動和積極思考、探索狀態(tài)，在過程中去體驗、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，交流與討論成為“工程體驗式”教學(xué)過程的常態(tài)。十多年來，我們一直堅持“工程體驗式”教學(xué)法，并在教學(xué)實踐中不斷完善，收到了很好的教學(xué)效果。

[1]簡·杜威.杜威傳[M].合肥：安徽教育出版社，2010.

[2]WorcesterPolytechnic Institute Undergraduate Catalog，2007-2008.

[3]鐘肇新，等.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，1999.

[4]（不詳）.[EB/OL]http://jpkc.szpt.edu.cn/jdx/index.asp，2003.

[5]日本三菱公司.FX系列編程手冊[S].（不詳），1997.

徐茜（1963-），男，湖北人，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士研究生，研究方向為高職教育。

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1001-7518（2011）14-0046-03

責(zé)任編輯 顏小兵