趙 洋, 胡亞偉

(東莞理工學(xué)院 電子工程與智能化學(xué)院, 廣東 東莞 523808)

工程案例教學(xué)法在“PLC原理及應(yīng)用”的教學(xué)實踐

趙 洋, 胡亞偉

(東莞理工學(xué)院 電子工程與智能化學(xué)院, 廣東 東莞 523808)

以提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力為目的,在深度調(diào)研地方自動化相關(guān)行業(yè)特點以及PLC控制系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用方向,設(shè)計與“PLC原理及應(yīng)用”課程教學(xué)相配套的工程案例。相關(guān)案例完全覆蓋本課程所要求學(xué)生掌握的全部知識點并具有一定地方產(chǎn)業(yè)特色,同時與理論教學(xué)內(nèi)容形成緊密對接,極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和分析問題、解決問題的能力。教學(xué)實踐表明，將工程案例教學(xué)法引入“PLC原理及應(yīng)用”的課程教學(xué)，在學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)和提升方面具有重要作用。

PLC原理及應(yīng)用； 工程案例； 教學(xué)實踐

我國制造業(yè)經(jīng)過多年的快速發(fā)展,形成了較大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,但主要位于價值鏈中低端,存在發(fā)展方式粗放、創(chuàng)新能力薄弱、產(chǎn)品利潤較低等問題。在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級過程中,越來越多的用人單位已深刻意識到人才和創(chuàng)新能力是企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重中之重[1-3]。珠三角是制造業(yè)集中且較為發(fā)達(dá)的區(qū)域,對于綜合能力優(yōu)異的應(yīng)用型人才的需求量巨大。我校地處廣東省東莞市,是加工制造業(yè)十分發(fā)達(dá)的地區(qū)。隨著地方經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型,我校在實踐教學(xué)改革和學(xué)生培養(yǎng)方面更加緊密地與當(dāng)前現(xiàn)狀相結(jié)合,更加注重創(chuàng)新能力和實踐能力的提升[4-6]。

1 PLC原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革背景

“PLC原理及應(yīng)用”是我校面向自動化、電氣工程及其自動化和電子信息工程等專業(yè)開設(shè)的一門重要專業(yè)課。PLC(可編程控制)技術(shù)是繼傳統(tǒng)繼電器控制之后的一種新的控制技術(shù),已經(jīng)普遍應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化控制領(lǐng)域中[7-8]。因此學(xué)生如果通過本課程的學(xué)習(xí)能熟練掌握PLC控制的基本原理、編程設(shè)計指令和組態(tài)技術(shù),并具備根據(jù)實際被控對象的控制需求設(shè)計相應(yīng)的PLC控制系統(tǒng)的能力,則在就業(yè)時具備更強(qiáng)的競爭力。但傳統(tǒng)課堂教學(xué)配合課內(nèi)實驗的模式,存在以下問題:

(1) 本課程具有很強(qiáng)的工程背景,課程教學(xué)內(nèi)容需要與工程實踐緊密結(jié)合,以盡可能豐富學(xué)生的工程背景知識,為學(xué)生在走向工作崗位后能夠快速上手提供支持。但現(xiàn)有教學(xué)方法更多還是傳統(tǒng)的理論教學(xué)+課后實驗的模式。理論教學(xué)側(cè)重點仍是集中于基本概念和基本指令使用方法的講解,課后實驗以驗證性實驗為主,實驗內(nèi)容與實際應(yīng)用存在脫節(jié)現(xiàn)象。因此,學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí),雖然絕大多數(shù)學(xué)生能通過期末考試的考核要求,但并不具備進(jìn)行實際工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的能力,因此也不滿足用人單位的期望。

(2) 現(xiàn)有教材選擇單一,教材內(nèi)容缺乏創(chuàng)新。雖然“PLC原理及應(yīng)用”課程的教材種類較多,但教材內(nèi)容同質(zhì)化嚴(yán)重,沒有特色,因此真實的選擇度非常有限。從教材內(nèi)容的安排來看,章節(jié)之間的連貫性不強(qiáng),不利于學(xué)生對知識點循序漸進(jìn)地掌握。此外,有些教材內(nèi)容設(shè)置追求大而全,內(nèi)容的深度和精度未能很好地和這門課程工程實踐性強(qiáng)的特點建立有效關(guān)聯(lián)。因此,在理論教學(xué)過程中,學(xué)生有時會感覺比較乏味,不知道學(xué)習(xí)這些內(nèi)容能干什么,有什么用。

(3) 課程學(xué)時分配壓縮了學(xué)生實際操作時間,未能充分提高學(xué)生的動手能力。我校該門課程的學(xué)時總數(shù)為48學(xué)時,其中理論教學(xué)安排32學(xué)時,實驗環(huán)節(jié)16學(xué)時。而本門課程是一門實踐性非常強(qiáng)的課程,需要給學(xué)生充足的時間進(jìn)行實操訓(xùn)練。通過課后與學(xué)生的交流也發(fā)現(xiàn),很多學(xué)生還是很希望能分配一點實驗時間,以此來鍛煉自己獨立思考和解決問題的能力。但在現(xiàn)行學(xué)時安排下,嚴(yán)重抑制了學(xué)生探究本門課程在實際應(yīng)用領(lǐng)域的好奇心和驅(qū)動力,對于培養(yǎng)合格的、面向工程應(yīng)用型人才十分不利。

現(xiàn)有“PLC原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容,與培養(yǎng)具有實踐能力和創(chuàng)新能力的工程應(yīng)用型人才目標(biāo),存在較大偏差。

2 工程案例設(shè)計

案例教學(xué)是通過教師進(jìn)行指導(dǎo),將學(xué)生帶入到特定情境中,以真實案例分析為手段的模式提高學(xué)生實際運用能力的教學(xué)方法[9]?！癙LC原理及應(yīng)用”這門典型的工科專業(yè)課程,所引入的教學(xué)案例一定要有真實的工程背景,所用的工程案例來自于生產(chǎn)實際中的工程項目,并經(jīng)過文字、數(shù)據(jù)和圖表等素材進(jìn)行概括整理,形成可用于教學(xué)的案例材料[10]。

(1) 所設(shè)計的工程案例和實際應(yīng)用背景需要緊密結(jié)合,最好能兼有地方產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的特色,以幫助學(xué)生在掌握課程教學(xué)內(nèi)容的同時,對未來就業(yè)屬地的工作方向有一個較為清晰的認(rèn)識(我校學(xué)生生源主要來自東莞本地和廣東其他地市,學(xué)生未來就業(yè)屬地主要集中于東莞本地和珠三角區(qū)域)。

(2) 所設(shè)計的工程案例具有開放性,即設(shè)計基本控制目的和要求,但控制功能可以添加。學(xué)生在完成基本內(nèi)容之后,根據(jù)興趣需要可以繼續(xù)深入地開展后續(xù)學(xué)習(xí)。

(3) 所設(shè)計的工程案例具有相應(yīng)的實驗平臺,即學(xué)生能真正意義上進(jìn)行實際參與。同時,工程案例所需要的知識要完全覆蓋課程教學(xué)所要求學(xué)生具備的全部知識點。

根據(jù)以上要求,通過深入的分析、設(shè)計、比較和篩選,最終選定2個工程案例。

2.1 自動化生產(chǎn)線加工控制系統(tǒng)設(shè)計

自動化生產(chǎn)線是能實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程自動化的一個控制系統(tǒng),該系統(tǒng)通過控制器、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備,組成具備高度自動化程度的生產(chǎn)線來實現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工,提高工作效率。東莞本土3C產(chǎn)業(yè)非常發(fā)達(dá),3C行業(yè)中對于生產(chǎn)加工流水線的應(yīng)用已非常普遍,因此本案例具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景,而且非常貼合地方產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),與用人單位的需要也有很好的對接。

本案例的主要內(nèi)容包括上下料控制系統(tǒng)程序設(shè)計、物料包裝控制系統(tǒng)程序設(shè)計和物料傳遞控制系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容,要求學(xué)生在流水線實驗平臺上完成控制任務(wù)分析、控制系統(tǒng)組態(tài)、PLC程序設(shè)計和系統(tǒng)在線運行調(diào)試等實際操作。

本案例所覆蓋的教學(xué)內(nèi)容和知識結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。本案例所需實驗平臺的實景照片如圖2所示。

2.2 液體攪拌控制系統(tǒng)設(shè)計

液體攪拌控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中的一個非常常見的典型案例,在東莞本土特色產(chǎn)業(yè)的造紙、食品加工等行業(yè)中的應(yīng)用尤其廣泛,因此選取該控制系統(tǒng)作為本課程的另一個工程案例。該系統(tǒng)核心控制裝置仍為PLC控制器,但與上一個案例不同,本案例的被控對象為電機(jī),因此在實現(xiàn)PLC對電機(jī)進(jìn)行控制的目的時,還需要變頻器的介入。通過本案例的實踐,學(xué)生將掌握基本變頻控制原理、變頻器和PLC之間的通信、人機(jī)界面的設(shè)計和電機(jī)的調(diào)速控制等多項專業(yè)知識。

本案例所覆蓋的教學(xué)內(nèi)容和知識結(jié)構(gòu)體系如圖3所示。本案例所需實驗平臺的實景照片如圖4所示。

3 工程案例教學(xué)實施總結(jié)

本課程引入工程案例教學(xué)法后,在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面均進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)改革。在教學(xué)內(nèi)容方面,依托教材但不完全照本宣科,通過深度分析和挖掘,優(yōu)化確定理論教學(xué)內(nèi)容,并著力強(qiáng)調(diào)拓寬學(xué)生的知識應(yīng)用背景,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提升創(chuàng)新思維能力；在教學(xué)方法方面,改變傳統(tǒng)“一言堂”和學(xué)生被動學(xué)習(xí)的教學(xué)方法,在教學(xué)過程中實時根據(jù)學(xué)生完成案例的情況進(jìn)行總結(jié)和提煉,將學(xué)生遇到的共性問題進(jìn)行統(tǒng)一講解,激發(fā)學(xué)生求知欲望和參與熱情；在考核方式方面,探索和推行新的考試評價制度,即以學(xué)生案例完成情況和期末考試成績并重的方式進(jìn)行綜合評價。這種評價體系不僅對基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)進(jìn)行合理的考核,更重要的是對學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新型應(yīng)用能力能給出更客觀更合理的評價。同時讓學(xué)生能夠從只為獲得課程學(xué)分的消極學(xué)習(xí)態(tài)度,向更加積極地參與實踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。本課程的工程案例教學(xué)改革路徑如圖5所示。

圖1 工程案例1知識體系結(jié)構(gòu)圖

圖2 工程案例1實景照片

圖3 工程案例2知識體系結(jié)構(gòu)圖

圖4 工程案例2實景照片

圖5 工程案例教學(xué)改革路徑圖

3.1 課程改革內(nèi)容的特色

(1) 教學(xué)內(nèi)容的新穎性。以提高學(xué)生實踐能力為目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容改革,優(yōu)化課程理論內(nèi)容,增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,使學(xué)生逐漸由被動學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變,不斷提高學(xué)生的工程師能力和綜合素質(zhì),認(rèn)同嚴(yán)謹(jǐn)和追求卓越的工程師文化。

(2) 實踐教學(xué)的獨特性?；趯W(xué)習(xí)產(chǎn)出教育(OBE)模式[11],設(shè)計確定與實際工程應(yīng)用和地方產(chǎn)業(yè)特色緊密聯(lián)系的工程案例,激發(fā)學(xué)生的參與熱情,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3.2 課程改革實施效果

引入工程案例教學(xué)法后,本課程的教學(xué)已針對我校2015級和2016級2個年級的學(xué)生開展多次實踐,并根據(jù)每學(xué)期的實踐結(jié)果逐步完善工程案例的設(shè)計任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)。該教學(xué)模式和考核方式受到了學(xué)生的廣泛歡迎,普遍認(rèn)為以實際工程案例為背景的綜合能力訓(xùn)練教學(xué)方法對于理論知識的掌握和實際應(yīng)用能力的提升有極大的幫助。

4 結(jié)語

基于工程案例教學(xué)法的“PLC原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革,是在深入調(diào)研PLC控制器的工程應(yīng)用背景、地方產(chǎn)業(yè)特色和學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的問題之后開始實施的。通過對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和效果評價等方面的改革進(jìn)行探索和實踐,本課程的教學(xué)取得了良好的效果。學(xué)生經(jīng)過2個完整案例的實踐后,分析解決實際問題的能力顯著提升,并且對本課程所學(xué)內(nèi)容在未來工作中的應(yīng)用方向有了更清晰的認(rèn)識和把握,極大地提升了學(xué)習(xí)主動性和學(xué)習(xí)熱情。

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Teaching practice on PLC Principle and Application course with engineering case teaching method

Zhao Yang, Hu Yawei

(School of Electrical Engineering and Intelligentization, Dongguan Institute of Technology, Dongguan 523808, China)

In order to enhance students’ practical and innovative ability, and based on the deep investigation of the industry characteristics related to the local automation and the application direction of PLC control system in practice, the engineering cases which match the teaching of the PLC Principle and Application course are designed. The relevant cases fully cover all the knowledge points that the students are required to master in this course, and have the certain local industry characteristics, which at the same time, closely connects with the content of the theoretical teaching, greatly improving the students’ interest in learning and their ability to analyze and solve problems. The teaching practice shows that introducing the engineering case teaching method to the teaching of the PLC Principle and Application course plays an important role in the cultivation and promotion of students’ comprehensive ability.

PLC principle and application; engineering case; teaching practice

2017-05-09

廣東省高等教育教學(xué)改革項目(粵教高函〔2015〕173號)

趙洋(1981—),男,山西太原,博士，副教授,研究方向為工業(yè)自動控制、控制理論與優(yōu)化算法.

E-mail：Simonzhaoyang@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.054

G642.0

A

1002-4956(2017)12-0222-04