張 穎，程如岐，張 維，劉曉頎，孫桂玲

（1.南開大學電子信息與光學工程學院，天津 300071；2.天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡技術重點實驗室，天津 300071）

0 引言

可編程邏輯控制器（PLC）控制功能強、可靠性高、使用靈活、易于擴展等一系列優(yōu)點，使其在自動化和機電一體化設備中的應用逐漸增強，取代了繼電器控制系統(tǒng)進行復雜的生產(chǎn)過程，成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱（PLC技術、機器人、計算機輔助設計與制造）之一［1］。PLC技術的掌握則成為工程技術人員的緊迫任務，也是高校電工電子、電氣自動化等專業(yè)及職業(yè)技能鑒定中指定的重要考核內容。PLC原理與實驗課程作為一門以講授生產(chǎn)機械控制方法［2］來訓練學生分析和思維能力、實踐性很強［3-5］的專業(yè)課，所學的理論知識最后必須以具體的控制系統(tǒng)構成，才能得以應用［6-9］，因此實踐性的教學環(huán)節(jié)在整個教學過程中占據(jù)極其重要的位置。

傳統(tǒng)的PLC實驗課程往往與理論課程分成兩個獨立學分課程，學生很難將理論學習的知識與實踐中需要注意的問題相對應，往往講的時候不認真聽講，做的時候又重復提問。另一方面，PLC 課程具有很強的實用性、可操作性，可一定程度地提高學生的學習興趣，但很多學生知其然并不知其所以然，只會依照案例照貓畫虎，工程邏輯思維方式得不到很好地訓練，棘手的問題更加打擊學習的積極性。再者，以單一的實驗箱或實訓系統(tǒng)為基本實踐平臺的PLC 實驗教學，多數(shù)只注重對于基本原理與指令等知識的驗證性實踐［10-11］，缺乏創(chuàng)新性參與工程性的研發(fā)，很難做到綜合能力的自主探索與延伸［12-15］。

從教學設計、教學實施、教學內容等方面進行全面的改革，構建四立方模式，強化思政引導，把工程意識和思想政治熏陶貫穿教學全程，依托自主設計的PLC實驗教學平臺，對PLC 原理與實驗課程進行教學研究，構建混合式的教學模式，由淺入深設計漸進式的教學內容，使得學生能夠邊學習、邊演示、邊操作、邊思考，真正打破傳統(tǒng)的傳遞—接受實驗教學模式，實現(xiàn)理論與實踐、虛擬與現(xiàn)實的雙融合，實現(xiàn)教書與育人的雙促進。以課程中自動化立體車庫控制系統(tǒng)部分的教學為案例，研究分析四立方模式在理工科專業(yè)課程中起到的作用與示范。

1 四立方模式的教學設計內容

師者，傳道授業(yè)解惑也。“傳道”指導學生做人，“授業(yè)”指導學生做事，“解惑”指導學生解決問題。PLC原理與實驗課程構建的四立方模式教學設計，包含“教、學、做、思”四維教學體系、“理論＋實踐、線上＋線下、虛擬＋現(xiàn)實、分工＋合作”4 ＋混合式教學模式、“基礎-進階-拓展-綜合”四層漸進式實驗教學方法。

（1）“教、學、做、思”四位一體，強化思政引導，傳為人之道。韓愈把“傳道”排在首要位置，因為教師不僅要把科學文化知識傳授給學生，更要言傳身教地培養(yǎng)學生良好的道德品質，在情感、態(tài)度、價值觀上對學生進行激勵、鼓舞。在課程的教學設計中，教師要以樹立正確的三觀和思想政治意識為準則，培養(yǎng)工程應用能力為核心，傳授PLC 技術前沿和創(chuàng)新思維為己任，有效引導學生充分了解PLC 技術在各個領域的應用與發(fā)展、明確新工科人才需求與自身的培養(yǎng)方向，將工匠精神、傳統(tǒng)文化教育、職業(yè)素養(yǎng)、時代精神、社會責任等思政元素，潤物細無聲的融入教學過程之中，構筑全員育人格局。

摒棄傳統(tǒng)的理論型、驗證型“教”授，突出學生主體，教重點難點，教師則時刻關注每位學生的表現(xiàn)，注重學生學習習慣、操作規(guī)范的引導，加強實驗安全操作注意事項的管理與規(guī)范。“學”不是將老師講的復盤，而是掌握解決問題的方法，引導學生提出問題，指導學生實驗過程的數(shù)據(jù)收集、分析與總結技巧，在實踐過程中提高愉悅感。用新的認知指導自己“做”的行為，用實踐檢驗創(chuàng)新的真理，教師應以旁觀者的身份“參與”學生小組討論，實時給予方案指導或技術答疑，盡可能用引導的方式讓學生自己做出設計決定，注意對學生設計的規(guī)范性進行把關，引導學生在行動中通過進一步“思”考獲得反饋。

（2）4 ＋混合式教學模式，構建學生互動、師生互動，授為學之方。“授業(yè)”則要因材施教，采用靈活多變的方法傳授給學生科學文化知識，打破枯燥的理論學習氛圍，只有以學生為主觀視角主動開展實踐，才能更好地接受和掌握更多技能。利用好課前預習、在線資源等渠道，依托合適的線上教學平臺，引導學生自主查閱資料，加強信息檢索能力的培養(yǎng)；引導學生通過智慧教學平臺討論答疑。

引導學生了解繼電接觸器控制系統(tǒng)的工作原理、典型機械的電氣控制線路及電氣控制系統(tǒng)的設計方法，在闡明PLC 結構與原理的基礎上，介紹相應的等效電路及指令系統(tǒng)和編程方法。通過對PLC 的學習，掌握PLC的結構與原理，PLC 指令系統(tǒng)，基本環(huán)節(jié)、程序設計方法，應用系統(tǒng)組建，PLC 網(wǎng)絡通信，PLC 遠程控制等內容，配合博途TIA 軟件和工程仿真系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)的模擬和與硬件平臺的銜接控制。引導學生提高學習興趣、正確認知自己的目標定位、自主設計學習方案，增強小組合作與組間互動，注重課后研討環(huán)節(jié)，發(fā)散思路。在綜合系統(tǒng)設計時創(chuàng)造一個“答辯”環(huán)節(jié)，設計合理的評價打分機制；鼓勵學生相互提問，教師根據(jù)制作情況提問，激發(fā)學生討論，教師可以分析出每個學生在組內的參與情況，有助于給出評價。

（3）四層漸進式教學方法，保障學習效果的延續(xù)性，解為難之疑?！敖饣蟆眲t是挖掘培養(yǎng)學生勇于質疑的精神，以旁觀者的角度引導學生給出獨特的見解、有效的解決困惑，培養(yǎng)學生獨立的人格和自主處理問題的能力。開放式、模塊化、自主式的教學元素，使得課程教學既可以選擇實驗的模塊完成基礎、進階功能實驗，又可以引導學生完成綜合性、設計性、實踐性的開放創(chuàng)新項目。摒棄驗證型的實驗內容，盡可能擴大學生自主實踐范圍，將四個層次的教學內容全部設計成探究型的學習問題，通過學習研究、方案論證、系統(tǒng)設計、實現(xiàn)調試、測試標定、設計總結等環(huán)節(jié)形成一個比較完整的工程實踐過程。通過線下或線上平臺的課后研討，引導學生畢業(yè)設計、創(chuàng)新項目等工作的選題、方案設計、項目進度安排等，保證教學效果的延續(xù)。

2 自動化立體車庫控制系統(tǒng)的四立方模式實踐

自動化立體車庫控制系統(tǒng)教學，依托我校PLC 原理與實驗課程實現(xiàn)，通過漸進式的實踐學習，逐步激發(fā)學生創(chuàng)新意識，綜合運用PLC 編程、傳感器控制等多方面知識，針對電子信息、電氣控制類專業(yè)本科生，重點在于工程的邏輯訓練，教學設計模擬真實工業(yè)環(huán)境，培養(yǎng)團隊協(xié)作能力、信息檢索與利用能力，提升學生工程實踐素養(yǎng)。圖1 所示為基于四立方模式的自動化立體車庫控制系統(tǒng)教學設計思維導圖。

圖1 自動化立體車庫控制系統(tǒng)教學設計思維導圖

2.1 打破理論與實驗教學壁壘，擴充課內與課外學時任務

打破傳統(tǒng)的理論和實驗的界限，將理論教學與實驗教學融合在一起，表1 所示描述了立體車庫系統(tǒng)的教學任務與課時安排。PLC原理與實驗課程共有課內課時72 學時，其中立體車庫系統(tǒng)部分課內一共安排15 學時，擴充后課外任務安排12 學時。課內課外任務涵蓋立體車庫部分的原理、智慧停車等思政引導，以及基礎-進階-擴展-綜合的實踐探究任務，引導學生了解基于立體車庫自動控制平臺的基本原理、硬件構造、控制邏輯等內容，并引導學生基于雙軸定位邏輯、存取控制邏輯、人機交互控制、傳感器擴展等方面發(fā)散思維進行改革設計。

表1 立體車庫系統(tǒng)部分教學課時表

2.2 強化理工科實驗課程思政，全過程挖掘思政教育

如表1 中各部分的教學內容所示，將思政培養(yǎng)貫穿在漸進式的教學過程中，面對PLC 技術以及立體車庫視角，能夠挖掘出很多思政元素。

在理想信念與社會責任方面，很多理工科大學生對社會主義核心價值觀的時代背景、基本內容、重大意義和實現(xiàn)路徑并沒有深刻了解，更無法與自己所學專業(yè)的背景意義相關聯(lián)，個人理想與社會理想相脫節(jié)，個人得失與自我價值孤立，缺少理想信念、民族信仰。習總書記指出：青年的價值取向決定了未來整個社會的價值取向，而青年又處在價值觀形成和確立的時期，抓好這一時期的價值觀養(yǎng)成十分重要。課程將從社會主義核心價值觀出發(fā)，讓學生明確新時代理工科大學生的價值使命，如自動化的車庫、智慧社區(qū)的停車管理等專業(yè)力量可以為國家建設以及造福人類的基礎工作提供強大的力量，列舉和討論國內PLC 產(chǎn)業(yè)及自動化立體車庫等經(jīng)典案例和優(yōu)秀成果，激發(fā)學生的專業(yè)精神。

在工匠精神和職業(yè)素養(yǎng)方面，自動化、電工電氣等理工科相關專業(yè)的人才，應該能夠理性的認知自己的專業(yè)領域及人生規(guī)劃，避免功利化和偏激的個人理想，樹立積極向上的職業(yè)目標。因此，通過PLC 自動控制技術的專業(yè)規(guī)范和崗位能力等方面將學生的核心價值觀內化而升華，在層次化教學中，融入項目化的管理模式，對企業(yè)相關崗位的必備能力進行分析，讓學生從課題需求、方案設計、產(chǎn)品研發(fā)、項目管理等方面開展學習和實踐，注意PLC 原理圖、實物接線圖、控制流程圖、編程調試、使用說明等技術文檔的積累與練習。

2.3 完善線上與線下教學資源，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實教學融合

完善教育載體，依托智慧教學平臺，開展線上線下、虛擬現(xiàn)實混合式教學。目前課程以“云班課”“雨課堂”為主要線上平臺，博途TIA為虛擬仿真平臺，結合自主研發(fā)的PLC教學實訓平臺，開展教學研究和教學實踐。

課前，教師依托智慧教學平臺，發(fā)布學習資料和討論的問題；學生通過前置實驗、課外自學和理論講授，盡可能多的查閱相關資料，培養(yǎng)信息檢索能力；了解自動立體車庫系統(tǒng)的背景、原理等基礎知識；掌握S7-1500和S7-1200 系列PLC的軟硬件配置，掌握自動存取控制邏輯及步進電動機雙軸線定位原理；限位、檢位開關等不同類型傳感器和執(zhí)行機構的應用等；學生可以初步完成部分功能的實驗仿真和實驗設計。

課上，由智慧城市與智慧交通引出自動化立體車庫系統(tǒng)，實現(xiàn)思政融合，理論講解S7-1200 與S7-1500之間的通信原理和配置方法等內容。教師講解基礎實驗、進階實驗任務；學生根據(jù)基礎實驗、進階實驗的要求設計順序功能圖、建立仿真環(huán)境、完成梯形圖編程并在硬件平臺上驗證實驗程序；教師講解人機交互模塊的原理及拓展訓練的基本要求，引導學生利用現(xiàn)有的軟件、硬件條件自主設計復雜的車庫自動存取邏輯控制系統(tǒng)，并完成調試。

2.4 嚴守漸進式實踐層次主線，打造項目式分工與合作

基于立體車庫自動控制實驗平臺，按照“基礎-進階-拓展-綜合”的實踐層次主線，了解和完成立體車庫自動控制系統(tǒng)的各部分PLC 控制功能，最終學會設計一個完整的立體車庫自動控制系統(tǒng)。圖2 所示為基于模塊化的實驗平臺完成實驗任務的設計思路。

圖2 實驗任務設計思路

將步進電動機的控制用S7-1200 分離出來，在基礎實驗部分，要求學生在S7-1200 中添加“軸”工藝對象，設置組態(tài)參數(shù)，完成步進電動機的單軸控制；在進階實驗部分，利用雙軸坐標碼垛算法實現(xiàn)同時控制XY方向兩個步進電動機，最終能在立體的庫位中找到指定庫位。雙軸坐標碼垛類似三軸機械手實訓，是三軸的升級，功能更為復雜化，難度提升。庫位的定位算法在S7-1500 中完成，因此要求練習S7-1500 與S7-1200之間的通信。根據(jù)課程前期各實驗中所進行的S7-1500 之間的通信練習，通過組態(tài)連接、編程設置、通信驗證和仿真調試，可以完成同一個STEP7 V13 項目中不同S7PLC 的PROFINET 通信。配備精制系列面板觸摸屏，組態(tài)軟件STEP7 中的WinCC Basic，通過DP接口連接到PROFIBUS-DP 總線上和PLC 通信，設置網(wǎng)絡地址、通信接口、波特率，通過觸摸屏畫面的組態(tài)創(chuàng)建，把自動立體車庫系統(tǒng)的控制功能以圖形的方式顯示，包括事件按鈕類、動作指示類等組態(tài)，完成車庫信息管理、車庫狀態(tài)顯示、出錯報警、手動操作等復雜的組態(tài)任務設計。

拓展訓練和綜合設計部分，可以考慮存取車的時間成本，優(yōu)化存取、停放的車位選擇策略；可以用臺車裝置替代氣爪，實現(xiàn)更貼近現(xiàn)實的車輛存取控制實驗；可以考慮安裝旋轉臺控制車輛掉頭，方便存取時駕駛員的操作等。教師通過線上平臺、線下課堂完成設計方法與設計思路引導；學生分組開展設計與討論，構思綜合設計實驗的設計要求、確定各部分的功能實現(xiàn)及系統(tǒng)I／O分配表等流程，分工合作完成順序功能圖的繪制、復雜梯形圖函數(shù)程序的編寫、仿真軟件和硬件平臺的調試等工作；開展綜合設計調試與答疑互動，包括線上平臺、線下課堂學生互動、師生互動；完成綜合設計報告與小組匯報，項目驗收，通過智慧教學平臺，完成組內評分、組間評分、教師評分。

2.5 重視過程化學習評價反饋，保證教學效果的延續(xù)性

利用線上平臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，從課前任務、互動參與度、實驗過程、綜合設計完成情況、課后表現(xiàn)等多方面實行過程化評價。教師可以通過問卷調查、頭腦風暴、測試、作業(yè)任務等環(huán)節(jié)，驗收實踐結果，提出開放性問題供后續(xù)思考和研究，如基于雙軸控制定位還可以實現(xiàn)哪些系統(tǒng)功能來發(fā)散學生思維；引導學生畢業(yè)設計、創(chuàng)新項目等的選題、方案設計、項目進度安排等，保證教學效果的延續(xù)性。圖3 所示描述了課程的綜合評價體系。一方面，依托智慧教學平臺追蹤學生線上學習、出勤、互動等情況，就連綜合設計的小組匯報，都可以直接實現(xiàn)組內、組間和教師評分記錄與核算。另一方面，教師按照不同層次實驗的完成情況給與評價，包括實驗結果、實驗質量、系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力等實驗表現(xiàn)，以及實驗報告、設計報告等。

圖3 課程的綜合評價體系

3 教學示范與成效

四立方模式在PLC 原理與實驗課程中經(jīng)歷了4年的實踐，通過電氣自動化實訓平臺的真實驅動，創(chuàng)建模塊化教學元素和漸進式實踐教學環(huán)境，使學生將所學的知識真正與實際應用接軌，全面提升新工科學生實踐素養(yǎng)，教學思路可移植性強；打破傳統(tǒng)的理論與實驗單獨授課的壁壘，用云平臺輔助線下課堂，仿真平臺輔助實踐操作，加之模塊化的實驗平臺與項目式的協(xié)作學習法，真正引導學生從傳統(tǒng)的被動接受教育轉變到主動探索創(chuàng)新，激發(fā)學生學習興趣，教學模式可推廣性強；自主設計的模塊化的實驗平臺與線上智慧教學平臺，根據(jù)不同專業(yè)學生或不同教學需求靈活設計教學方案，學習平臺可擴展性強。

在每年的選課學生中開展調查，對四立方模式在學生的專業(yè)技能掌握情況等方面進行了問卷，從新模式對培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的幫助作用等12個方面進行評價。學生對于四立方模式總體評價較高，平均分達到了4.71（滿分5 分），學生對于四立方模式的幫助作用給予了充分肯定。76.64%學生的總體評價達到了“大”“很大”。對調查問卷的各個題目分別統(tǒng)計分析，對12 個方面的評價給予4 分及以上的人數(shù)都能達到93.46%以上。

4 結語

根據(jù)PLC課程在電子信息類學科的教學特點和教學需求，基于模塊化、自主式、開放式的教學平臺，構建四立方模式，對教學模式、教學手段、教學體系開展改革，以課程部分案例為視角開展教學設計與教學實施。特別強調學生的主動參與性，強化課程思政引導，充分調動學生的學習積極性，培養(yǎng)學生良好的工程習慣與動手能力。經(jīng)過具體的教學實踐，對于提高學生的動手能力與解決PLC 實際工程問題的能力具有良好的效果，具有一定的示范輻射價值。