王攀攀， 童志剛， 徐瑞東， 鄧先明

(中國礦業(yè)大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

0 引 言

翻轉(zhuǎn)課堂自2011年開始逐漸在美國流行，并傳播到世界各地[1]。它倡導(dǎo)將知識的講解置于課前，利用教學(xué)微視頻實現(xiàn)；師生在課堂上通過教學(xué)活動和互動交流，實現(xiàn)知識的內(nèi)化[2-3]。翻轉(zhuǎn)課堂顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)的講授模式，將課堂的寶貴時間用于知識的高級認(rèn)知和實踐應(yīng)用[4-5]。通過近幾年的發(fā)展，國內(nèi)許多課程都開展了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的研究，并取得了較好的效果，也證實了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的可行性和優(yōu)越性[6-11]。

到目前為止，翻轉(zhuǎn)課堂模式大多針對受眾面較廣的基礎(chǔ)課，對實踐性更強的專業(yè)課涉及較少。為此，在江蘇省品牌專業(yè)建設(shè)項目和學(xué)校教育教學(xué)改革項目的支持下，我校開展了可編程控制器(PLC)類課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革。由于翻轉(zhuǎn)課堂模式要求課堂教學(xué)將更多的時間用于知識的高階認(rèn)知，使得PLC類課程教學(xué)改革面臨的第一個問題就是如何提高課堂知識的認(rèn)知層次。解決該問題的有效途徑是將理論與實踐教學(xué)同時在課堂中開展，實現(xiàn)理論知識在應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)造等方面的高級認(rèn)知。但是傳統(tǒng)PLC實驗臺因體積龐大、被控對象單一、無法一對多地連接到每位學(xué)生等原因，難以應(yīng)用于PLC類課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。

鑒于此，梳理出翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式對PLC課堂實驗系統(tǒng)的要求；然后利用計算機、虛擬仿真、無線通信等技術(shù)，設(shè)計出適用于PLC翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的課堂實驗系統(tǒng)。

1 實驗系統(tǒng)整體設(shè)計

在PLC翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中，學(xué)生是整個教學(xué)過程的主體，是課堂教學(xué)的“主角”[12-14]；他們在課前完成知識的記憶與初步理解，在課內(nèi)開展知識的應(yīng)用、分析、評價等高級認(rèn)知內(nèi)容。作為教師為了實現(xiàn)這種翻轉(zhuǎn)，需要根據(jù)各個知識點的教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計更多的實際問題和實驗，引導(dǎo)學(xué)生在課堂上分析問題、提出方案、驗證方案和評價方案，最終達到在知識、能力和情感方面的教學(xué)目標(biāo)[15-16]。在整個課堂教學(xué)的過程中，需要一種能夠開展“以學(xué)生為中心”的教學(xué)實驗系統(tǒng)，以滿足方案的驗證、分析和評價等活動的需求。

由于課堂教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式相對于傳統(tǒng)的實驗室教學(xué)有所不同，因此在普通多媒體教室中開展實踐教學(xué)，對PLC實驗系統(tǒng)提出了新的要求：

(1) 整個實驗系統(tǒng)體積小、重量輕，方便帶入課堂。

(2) 實驗被控對象多樣化，可根據(jù)知識點要求，任意構(gòu)建。

(3) 實驗系統(tǒng)具有較好的可視性，每位學(xué)生都能夠清晰地觀察到實驗的過程和效果(特別是大班授課)。

(4) 實驗系統(tǒng)具有較好的用戶接入性，可方便地連接到每一位學(xué)生的電腦，便于其參與到實驗的各個環(huán)節(jié)。

(5) 實驗系統(tǒng)既可開展軟件編程實驗，又可開展硬件接線實驗，便于硬軟件知識的授課。

依據(jù)上述要求，整個實驗系統(tǒng)的主體設(shè)計思路是：① 利用計算機和虛擬仿真技術(shù)將被控對象虛擬化、可編程化；② 利用無線通信技術(shù)盡可能減少線路連接，便于課堂實驗的開展?；谠撝鲗?dǎo)思想，新的PLC課堂實驗系統(tǒng)如圖1所示。該實驗系統(tǒng)由虛擬被控對象、實體PLC以及學(xué)生電腦3部分構(gòu)成。

圖1 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在設(shè)計過程中，為了滿足教學(xué)要求，實際的被控設(shè)備被設(shè)計成可編程的虛擬被控對象，并利用教室中的投影系統(tǒng)展示到大屏幕，使得教室中的每個學(xué)生都能夠觀察到實驗過程。為了使PLC能夠控制該虛擬被控對象，需要建立“虛”與“實”之間的媒介——被控對象I/O接口箱。該接口箱與PLC之間采用硬接線的方式連接，用于開展硬件實驗教學(xué)；與虛擬被控對象間的連接，則采用無線通信的方式，這樣既可消除復(fù)雜的接線問題，也可提高實驗系統(tǒng)的實用性。對于圖中的PLC部分，同樣配備了無線通信模塊用于形成課堂中所有學(xué)生的局域網(wǎng)，使得每個學(xué)生都能參與到實驗的各個環(huán)節(jié)。此種無線局域網(wǎng)的連接方式，消除了學(xué)生在教室中的位置差異，同時也極大地降低了學(xué)生接入實驗系統(tǒng)的難度。

2 實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的整體設(shè)計，實驗平臺的硬件主要包括：投影系統(tǒng)、虛擬被控對象、實體PLC和編程/調(diào)試計算機。其中投影系統(tǒng)可采用教室自帶的多媒體系統(tǒng)；編程和調(diào)試計算機可讓學(xué)生自帶個人筆記本電腦；而實體PLC部分則主要由PLC和無線路由模塊組成。PLC的品牌、I/O模塊和特殊功能模塊的類型和數(shù)量，可根據(jù)所教課程的內(nèi)容和需求而定。

虛擬被控對象硬件較為復(fù)雜。首先它需要一臺計算機和相關(guān)軟件建立一個能夠高度還原真實設(shè)備的內(nèi)部軟模型。并且該模型可以通過改變其中的變量值進行任意控制。這種方式很好地解決了實際被控設(shè)備的虛擬化問題，但是虛擬模型卻無法直接連接到實際的電路中。因此，為了讓PLC能夠控制該虛擬被控對象，則需要將模型中的控制變量“映射”到實際的輸入輸出電路上。對于普通的筆記本電腦，并不具備工業(yè)上通用的信號輸入輸出通道，但它們具有各種通信接口，比如以太網(wǎng)、USB等。故可利用計算機的這一特點，選型一些具有通信功能的遠程I/O模塊，從而解決計算機缺乏信號接口的問題，具體方案如圖2所示。

圖2 虛擬被控對象硬件結(jié)構(gòu)

在圖2中，計算機實現(xiàn)了實際被控對象的建模、仿真和顯示，并將所有顯示內(nèi)容投影到大屏幕中，方便在教室中開展實驗；虛擬被控對象I/O接口箱則將模型中的變量對應(yīng)到實際的I/O電路上，便于實體PLC進行控制。在I/O接口箱中，數(shù)字量I/O模塊和模擬量I/O模塊是整個“虛實”映射的中心。一方面它們通過無線以太網(wǎng)將模型中的變量與自身的I/O通道相對應(yīng)；另一方面通過硬接線將這些通道連接到插接線面板上，方便外部接線。

3 實驗系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件構(gòu)架

由于所設(shè)計的實驗系統(tǒng)是面向課堂教學(xué)的，因此軟件的設(shè)計必須配合每堂課的教學(xué)方案。在教學(xué)方案中，整門課程通?？刹鸱譃槿舾蓚€教學(xué)單元，而每個單元又可拆分為若干個知識點。在課堂教學(xué)中，通常是針對具體的知識點開展教學(xué)活動的，因此實驗系統(tǒng)的軟件設(shè)計可按照知識點的劃分進行設(shè)計。并且每個知識點可根據(jù)其教學(xué)目標(biāo)、重要程度、課時安排等因素設(shè)計一個或多個實驗。圖3所示是我校開展PLC翻轉(zhuǎn)課堂時所構(gòu)建的實驗系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。

3.2 單個實驗的軟件設(shè)計

每個實驗的軟件主要包括計算機內(nèi)的虛擬被控對

圖3 實驗系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

象程序和PLC程序。虛擬被控對象的程序設(shè)計采用組態(tài)軟件實現(xiàn)；PLC程序則利用PLC編程軟件編寫，并且這部分內(nèi)容是由學(xué)生在課堂上根據(jù)控制要求自行設(shè)計完成，屬于實驗內(nèi)容。因此本節(jié)主要介紹虛擬被控對象的軟件設(shè)計。從圖3可見，不同的實驗對應(yīng)不同的虛擬被控對象，從而滿足不同知識點的教學(xué)需求。盡管這些虛擬被控對象存在較大差異，但是它們的設(shè)計流程是類似的。圖4所示為總結(jié)出的虛擬被控對象設(shè)計流程。

圖4 虛擬被控對象設(shè)計流程

(1) 選擇合適的被控對象，并熟悉其工藝流程。依據(jù)知識點的特點和教案的設(shè)計，選擇實際生產(chǎn)中合適的控制對象；同時熟悉該設(shè)備的工藝流程，為后續(xù)虛擬被控對象的設(shè)計提供基礎(chǔ)信息。

(2) 制作被控對象的外觀模型。根據(jù)實際被控對象的外形，做適當(dāng)簡化，制作出外觀模型；除了被控對象的主體外觀，還需增加相應(yīng)的虛擬傳感器。

(3) 確定運動部件并建立與其關(guān)聯(lián)的動畫控制變量。為使虛擬被控對象達到實際設(shè)備的動態(tài)控制效果，需要確定和分類外觀模型中的運動部件；依據(jù)運動部件的動作特點建立與其關(guān)聯(lián)的控制變量，用以控制運動部件的動畫效果。

(4) 建立I/O控制變量與內(nèi)部動畫變量間的數(shù)學(xué)模型，并用程序?qū)崿F(xiàn)。為了便于動畫制作，連續(xù)運動(變化)部件的動畫通常與內(nèi)部變量相關(guān)聯(lián)，因此外部信號無法對其進行控制。為了讓PLC能夠控制出與實際設(shè)備一樣的動畫效果，必須根據(jù)實際設(shè)備的動作特點，建立起I/O變量(外部變量)與動畫控制變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并利用腳本程序進行實現(xiàn)。

(5) 制作虛擬主令電器。無論是實際控制對象還是虛擬控制對象都需要人機操作功能，因此在每個實驗中或多或少地都要增加主令電器，并且還要與外部I/O變量進行關(guān)聯(lián)，才能夠?qū)⑻摂M信號傳遞給實體PLC。

(6) 繪制虛擬被控對象I/O接線圖。在每個實驗的界面上還需要制作虛擬被控對象I/O接線圖，也就是將實驗界面上的虛擬主令電器、虛擬傳感器和虛擬被控對象所關(guān)聯(lián)的輸入輸出通道在I/O接口箱上進行標(biāo)記，以便學(xué)生在做實驗時知道如何接線。

4 實驗系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 硬件實現(xiàn)

(1) 虛擬被控對象。主要包括筆記本電腦和自制I/O接口箱(投影系統(tǒng)為教室自帶系統(tǒng))，如圖5所示。

圖5 虛擬被控對象照片

I/O接口箱內(nèi)選用了4塊支持Modbus-TCP/IP通信協(xié)議的I/O模塊，其中8輸入8輸出的數(shù)字量模塊2塊，8路模擬量輸入模塊1塊，4路模擬量輸出模塊1塊，并將這些I/O通道全部接于插接線面板，方便與PLC進行線路連接。同時接口箱還配備了無線路由模塊，用于I/O模塊與計算機間的數(shù)據(jù)交換。此種方式不但省去了大量的連接線，同時也消除了接口箱與計算機間的空間位置問題。

(2) 實體PLC部分。選用了1臺S7-1200PLC和1塊工業(yè)用無線路由模塊，具體如圖6所示。并且所有的PLC I/O端子全部轉(zhuǎn)接成插接端子，方便后續(xù)實驗接線。

圖6 實體PLC照片

4.2 單個實驗的軟件實現(xiàn)

以順序功能圖知識點中的第1個實驗為例，利用組態(tài)軟件實現(xiàn)單個實驗的程序設(shè)計。在程序設(shè)計之前，需要根據(jù)順序功能圖的知識特點、教學(xué)目標(biāo)、課時安排等因素選擇一個實際的生產(chǎn)設(shè)備，并詳細了解它的工藝流程。在這里選擇了工業(yè)生產(chǎn)中的搬運機械手作為實際被控對象。它的工作流程是將工件從A點搬運到B點，并不斷的重復(fù)。下面按照虛擬被控對象的程序設(shè)計流程，將其虛擬化。

(1) 制作機械手的外觀模型。根據(jù)實際機械手的外形，適當(dāng)簡化后利用組態(tài)軟件繪制出外觀模型，具體如圖7所示；在繪制外觀模型時，還需添加必要的限位傳感器。

1-工件，2-機械手，3-升降桿，4-升降缸，5-水平移動桿，6-限位傳感器

圖7 機械手外觀模型

(2) 確定運動部件并建立與其關(guān)聯(lián)的動畫控制變量。圖7所示中1～6號部件都需要制作動畫，并且各個部件的動畫形式各不相同，比如：1和3號部件需要上下左右都能移動；4和5號部件只需左右移動即可；6號限位傳感器需要顯示到位或不到位的狀態(tài)動畫；2號部件既要實現(xiàn)上下左右的移動，同時還需要實現(xiàn)夾緊和松開的動作。根據(jù)這些部件的移動特點，將它們分為3類：一類是連續(xù)移動的動畫，如1、3、4、5；一類是顯示不同狀態(tài)的動畫，比如6號部件的到位與不到位這兩種狀態(tài)；最后一類是前兩類的結(jié)合體，如2號部件。依據(jù)組態(tài)軟件的動畫制作原理，連續(xù)移動部件需要關(guān)聯(lián)一個整型變量，只要改變該變量數(shù)值即可實現(xiàn)部件的連續(xù)運動；對于狀態(tài)型動畫，可采用軟件中的顯示和隱藏功能來滿足要求，該功能的控制可關(guān)聯(lián)離散變量進行實現(xiàn)；對于2號這種多動畫部件，可同時采用兩種變量對其進行控制，以達到動畫要求。

圖8所示為組態(tài)軟件中與各個運動部件相關(guān)聯(lián)的部分動畫控制變量。其中直接關(guān)聯(lián)外部變量的部件可以直接通過I/O接口箱對其進行控制或狀態(tài)反饋。

(3) 建立I/O控制變量與內(nèi)部動畫變量間的數(shù)學(xué)模型，并用程序?qū)崿F(xiàn)。在上一步中，1～5號部件都是連續(xù)運動部件，且關(guān)聯(lián)的都是內(nèi)部整型變量。但是對于實際的機械手，這些運動都需要通過以壓縮空氣為動力源的氣缸實現(xiàn)；并且每個氣缸都配備了相應(yīng)的電磁閥用于PLC對氣路的控制，從而完成規(guī)定的動作。下面以升降運動為例簡要說明機械手的控制原理。用于升降的氣缸通常配以中封式三位五通電磁閥。這種電磁閥具有兩個電控線圈。當(dāng)兩個線圈都不得電時，

(a) 部分連續(xù)移動控制變量

(b) 部分狀態(tài)動畫控制變量

圖8 動畫控制變量

氣缸停止運動，機械手靜止；當(dāng)對控制氣缸活塞伸出(下降)的電磁閥線圈通電時，機械手做下降運動；當(dāng)對控制氣缸活塞縮進(上升)的電磁閥線圈通電時，機械手做上升運動。從上述控制原理可以看出，運動部件的控制變量是開關(guān)量，且都是外部變量。因此，必須建立I/O控制變量與內(nèi)部變量間的數(shù)學(xué)模型，保證控制信號與動畫的一致性。下面以部件1(工件)為例，介紹如何建立內(nèi)外部變量間的數(shù)學(xué)模型。假設(shè)工件上下移動的內(nèi)部變量為y，左右移動的變量為x，則其I/O控制變量與動畫變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

(1)

式中：u為上升電磁閥線圈狀態(tài)，d為下降電磁閥線圈狀態(tài)，c為夾緊電磁閥線圈狀態(tài)，r為右行電磁閥線圈狀態(tài)，l為左行電磁閥線圈狀態(tài)，且這些線圈的狀態(tài)都與離散I/O變量相關(guān)聯(lián)；Δy為上下移動的步長，可根據(jù)實際移動速度和屏幕分辨率確定；ymin和ymax是上下移動的邊界，可根據(jù)上下移動的范圍和屏幕分辨率確定；Δx、xmin和xmax是左右移動相對應(yīng)的常量。運動部件內(nèi)外部變量的數(shù)學(xué)關(guān)系雖已確定，但要使他們在組態(tài)軟件中真正建立起確定的數(shù)值關(guān)系，還需利用軟件中的腳本程序進行實現(xiàn)。腳本程序類似于C語言，如果對式(1)進行編程，則其代碼程序為：

if(上升電磁閥線圈==1 &&下降電磁閥線圈==0 &&夾緊電磁閥線圈==1)

工件垂直位置=工件垂直位置+Δy;

if(工件垂直位置>ymax)

工件垂直位置=ymax;

if(上升電磁閥線圈==0 &&下降電磁閥線圈==1 &&夾緊電磁閥線圈==1)

工件垂直位置=工件垂直位置-Δy;

if(工件垂直位置

工件垂直位置=ymin;

if(右行電磁閥線圈==1 &&左行電磁閥線圈==0 &&夾緊電磁閥線圈==1)

工件水平位置=工件水平位置+Δx;

if(工件水平位置>xmax)

工件水平位置=xmax;

if(右行電磁閥線圈==0 &&左行電磁閥線圈==1 &&夾緊電磁閥線圈==1)

工件水平位置=工件水平位置-Δx;

if(工件水平位置

工件水平位置=xmin;

(4) 制作虛擬主令電器。如果搬運機械手要開展手動控制實驗，則需要增加上升、下降、左行、右行、夾緊、松開6個虛擬按鈕，這些按鈕與外部I/O變量相關(guān)聯(lián)，可以將主令信號通過接口箱傳送給PLC。

(5) 繪制虛擬被控對象I/O接線圖。將搬運機械手程序中所有外部I/O變量所對應(yīng)的輸入輸出通道在接口箱的接線端子圖中進行標(biāo)記，方便與PLC接線。其中包括6個控制按鈕，4個限位傳感器的狀態(tài)反饋和5個控制機械手運動的電磁閥線圈。

基于上述步驟，最終的搬運機械手的實驗界面如9所示。

圖9 搬運機械手實驗界面

4.3 系統(tǒng)整體實現(xiàn)

在4.1和4.2節(jié)的基礎(chǔ)上，將整個實驗系統(tǒng)用于課堂教學(xué)，實現(xiàn)效果如圖10所示。從圖中可見，整個實驗系統(tǒng)小巧、輕便，方便攜帶；除了PLC與接口箱之間需要硬接線(用于硬件教學(xué))，其他連接全部采用無

線通信方式實現(xiàn)，便于翻轉(zhuǎn)課堂的開展。該實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)，解決了翻轉(zhuǎn)課堂中難以開展實踐教學(xué)的問題，同時也極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為良好的教學(xué)效果奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

針對PLC翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)需求，設(shè)計并實現(xiàn)了適合該教學(xué)模式的課堂教學(xué)實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下特色與創(chuàng)新之處：① 將被控對象虛擬化和可編程化，使得控制對象可根據(jù)知識點任意構(gòu)建，同時與教室投影系統(tǒng)相結(jié)合，使得實驗過程更加直觀和生動；② 設(shè)計了虛擬被控對象的硬件接口，便于開展硬件知識的教學(xué)和學(xué)生動手能力的鍛煉；③ 除了I/O接線，其他連接全部采用無線通信方式實現(xiàn)，使得每個學(xué)生都能參與到實驗的各個環(huán)節(jié)；④ 整個實驗系統(tǒng)小巧、輕便、易攜帶，便于教師在課堂教學(xué)中使用。該實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用，解決了翻轉(zhuǎn)課堂中難以開展“以學(xué)生為中心”的實踐教學(xué)問題，讓實驗真正進入課堂，同時也極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為良好的教學(xué)效果奠定了基礎(chǔ)。