胡仁平 ， 張 謙 ， 鄧健平 ， 呂友萍 ， 胡 玲

（湖南鐵路科技職業(yè)技術學院，湖南 株洲 412000）

0 引言

“智能制造”是《中國制造2025》的主攻方向，是落實制造強國戰(zhàn)略的重要舉措，是我國制造業(yè)緊跟世界發(fā)展趨勢、實現產業(yè)轉型升級的關鍵所在[1]。我國制造業(yè)正處于轉型升級中，要落到實處，產生效果，需要做各方面的努力，而其關鍵還在于人才，不僅需要科技領軍型人才，也需要大批高技能人才。因而，培養(yǎng)滿足智能制造的高素質復合型技能型人才，履行為地方經濟建設服務的使命，是高職院校裝備制造類專業(yè)人才培養(yǎng)的重要目標[2]。

在智能制造系統(tǒng)中，工業(yè)控制系統(tǒng)是自動化、信息化的基礎，而PLC（可編程控制器）又是工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛應用的核心部件。伴隨著智能制造落地，智能制造項目越來越多，PLC在智能制造系統(tǒng)中的應用也越來越廣[3]，對于PLC技術的應用要求也相應地水漲船高。作為高職院校機電專業(yè)核心課程PLC的要求也發(fā)生了變化，由傳統(tǒng)的邏輯控制轉為要求與變頻調速、伺服控制、機器人和生產過程等協(xié)同或一體的復合控制。

為了適應智能制造背景下對PLC技能培養(yǎng)的要求，很多學校都進行了“教、學、做”一體化的PLC課程教學改革，將學生作為教學活動的主體，以項目任務為導向，實現實踐教學和理論教學的相互融合、互相交叉，解決了傳統(tǒng)教學過程中學生積極性不高、理論知識枯燥、實踐能力培養(yǎng)不足等問題，一定程度上提高了教學效率。然而很多項目教學都沒有實際被控對象，而只配置PLC主機及被控對象模擬板，使用模擬板上的按鈕、開關模擬一些傳感器作為輸入設備，指示燈作為輸出設備模擬被控對象的動作。學生只能根據模擬板上開關及指示燈的變化來觀察項目的控制過程，不能很好地反映出被控對象的動態(tài)變化過程，實踐真實性差，使得學生理解起來困難，降低了學生學習興趣。同時，項目的內容依賴于知識點，項目之間銜接不緊密，任務比較零散，無法集成為一個大系統(tǒng)，并且與智能制造的自動化生產匹配度不高，不利于智能制造自動化生產的控制系統(tǒng)設計及產線維護的綜合能力的培養(yǎng)[4]。

因此，PLC課程的教學內容應該要與智能制造的工業(yè)控制緊密結合，從而適應智能制造對人才培養(yǎng)的需求，同時教學組織應以項目任務的實操為主，提升學生的工程實踐能力。

1 課程的整體設計

1.1 項目的設計

亞龍YL-335B自動化生產線集機械、氣動、PLC控制、傳感器以及變頻調速、伺服控制、觸摸屏等技術于一體，覆蓋工件上料、加工、裝配、分揀入庫等程序，實現產品的全自動化控制過程[5]，具有很強的綜合性，是學習PLC技能及培養(yǎng)工程實踐能力非常不錯的載體。

結合湖南鐵路科技職業(yè)技術學院機電一體化技術的人才培養(yǎng)方案，以及配備8條S7-200 Smart 系列PLC為主機的YL-335B自動化生產線的實訓條件，該校將PLC課程以YL-335B自動化生產線為載體進行PLC項目式教學改革。教學內容圍繞自動化生產線各單站控制系統(tǒng)設計及總體聯(lián)調的核心內容展開，將專業(yè)知識、技能及職業(yè)素養(yǎng)方面的具體要求與各項目模塊進行有效整合，并以項目任務為核心，實施以教師為主導、學生為主體的理實一體的項目式教學。具體項目分為：供料單元單站的PLC控制、加工單元單站的PLC控制、裝配單元單站的PLC控制、分揀單元單站的PLC控制、輸送單元單站的PLC控制和自動化生產線的聯(lián)調。項目的內容依照YL-335B生產線的動作順序進行排列，從簡單邏輯控制→計數、定時→模擬量控制（變頻控制）→高速輸入（位置檢測）→高速輸出（伺服控制）→通信聯(lián)調的主線層層遞進，使學生在項目任務實施中不斷提升技能水平。

1.2 教學模式的確定

在課程整體設計中，采用了真實載體的自動化生產線控制系統(tǒng)設計作為課程的具體項目。因每個項目所涉及的問題具有綜合性和開放性很強的特點，而且PLC課程本身就具有理論性、設計性強的特點，在完成各個站的PLC控制任務時，都要求學生具有一定的相關PLC理論知識儲備，勢必需要在教學過程中花大量的時間進行知識點的講授，學生的動手實踐時間將會被壓縮，從而影響到工程實踐能力的培養(yǎng)。

基于此，采用線上線上混合式教學模式，線上用于任務的接收和理論知識的學習，線下在理實一體的實訓室完成任務的實施。具體過程：將每個項目用到的知識點和技能點進行了碎片化整理，整理成微教案，并錄制相應的教學視頻和實操視頻，上傳至智慧職教MOOC平臺，供學生線上進行學習。通過智慧職教MOOC平臺資源的學習、習題的作答、單元測驗及線上的討論答疑，將項目任務對應的知識儲備放到課外。在課中以學生為中心，通過對共性問題進行討論從而達成知識點的內化，將更多的動手時間用于完成控制系統(tǒng)設計的實操任務來培養(yǎng)工程實踐能力。課后通過開放的實訓室和智慧職教平臺資源，完成相關知識的鞏固和拓展。

1.3 課程的考核評價

課程考核由過程性考核（60%）與終結性考核（40%）兩部分組成。

1.3.1 過程性考核

過程性考核以單個的學習任務為單位，由線上學習數據（50%）和線下任務實操過程（50%）組成，每個項目成績?yōu)楦鱾€子任務評分之和。其中線上數據主要依據線上參與度、學習任務完成情況、闖關測試成績等，通過平臺設置權重直接統(tǒng)計得到結果。線下的過程性成績主要由貢獻度（組內互評表）、作品成果（小組交叉互檢評分表）、職業(yè)素養(yǎng)、成果展示成績等組成。

1.3.2 終結性考核

終結性考核以生產線單站或聯(lián)調控制為任務，考核學生控制系統(tǒng)設計能力。從I/O分配表、硬件接線圖、功能測試、工藝規(guī)范及在實操過程中的職業(yè)素養(yǎng)方面進行綜合評定。

2 教學組織實施

以分揀單元單站的PLC控制中的子任務分揀單元電動機的模擬量變頻調速控制為例，展示線上線下混合式教學模式的實施過程。

2.1 教學目標

2.1.1 知識目標

了解分揀單元傳動系統(tǒng)的組成；了解變頻器的原理；理解G120C變頻器常見參數的作用；掌握S7-200 Smart系列PLC的模擬量輸入/輸出映像寄存器的應用；掌握S7-200 Smart系列PLC模擬量擴展模塊的組態(tài)步驟；掌握傳送指令、算術運算指令、數據轉換指令的應用。

2.1.2 能力目標

能根據控制要求進行I/O分配和硬件接線圖設計；能完成PLC、模擬量擴展模塊及變頻器三者之間的接線；會合理設置G120C變頻器的參數；會運用STEP 7-MicroWIN SMART編程軟件組態(tài)模擬量擴展模塊；能完成分揀單元變頻調速控制系統(tǒng)的設計與調試。

2.1.3 素質目標

具備自主學習能力、探究精神、邏輯思維能力和團隊合作能力；貫徹維修電工國家標準的能力；逐步養(yǎng)成安全規(guī)范操作的習慣和精益求精的工匠精神。

2.2 具體實施

2.2.1 課前

1）任務下達。在智慧職教MOOC平臺公告區(qū)提前一周發(fā)布實操任務：完成分揀單元電動機的變頻調速控制，實現電動機0~50 Hz內任意運行頻率的正反轉控制。學生在平臺進行任務的確認。

2）學生學習教學資源。同學們在智慧職教MOOC平臺中學習分揀單元傳動系統(tǒng)機械結構，模擬量輸入/輸出映像寄存器作用與尋址方式，變頻器的工作原理，G120C伺服驅動器參數設置，傳送指令、算術運算和數據轉換指令具體應用，模擬量的組態(tài)等微教案、微視頻和闖關測試之類的資源。

教師通過智慧職教MOOC平臺的后臺數據，掌握同學們對課前資源的學習情況。同時，教師和同學們在討論區(qū)進行討論，并結合闖關測試，發(fā)現同學們對于PLC的模擬量映像寄存器的值與模擬量對應關系、G120C變頻器模擬量控制宏連接參數的含義存在較大的疑問。因此，將這兩個內容定為本任務的難點。

2.2.2 課中

1）針對存在疑問的難點問題，進行探究學習與討論。

①PLC的模擬量映像寄存器的值與模擬量對應關系問題探究（20 min）。

在理實一體的實訓室，根據資源中模擬量擴展模塊接線和模擬量的系統(tǒng)塊組態(tài)這兩個實操視頻，4人為一組，完成模擬量擴展模塊EM AM06的供電電源接線及STEP 7-MicroWIN SMART軟件中組態(tài)EM AM06模塊的模擬量輸出通道0的系統(tǒng)塊（其中，模擬量輸出的類型定為：電壓輸出，量程范圍設置為±10 V），并下載系統(tǒng)塊至PLC。然后用編程軟件的狀態(tài)圖表改變模擬量輸出AQW16的值，用萬用表檢查EM AM06第一個模擬量輸出通道的電壓值，列出兩者數據表，找到模擬量輸出映像寄存器的值與輸出模擬量電壓之間的對應關系，最后教師與同學們通過討論，梳理PLC的模擬量映像寄存器的值與模擬量的值這兩者間的關系。

②G120C變頻器模擬量控制宏連接參數含義的探究（45 min）。

a.根據實操視頻，完成變頻器主電路的連接。根據參數設置視頻，將電動機參數寫入變頻器，并使變頻器處于手動運行模式，實現電動機的正反轉及變速運行的手動控制，對電動機的變頻控制進行感性認知。

b.根據提供的G120C宏功能介紹說明書，利用YL-335B自帶的電位器、按鈕盒完成G120C變頻器的宏連接參數值為12的硬件接線，并將宏連接參數設為12，保存參數。按下正反轉按鈕及手動調節(jié)電位器，觀察變頻器的運行情況。

c.不改變接線，分別將宏連接參數設為17和18，按下正反轉按鈕及調節(jié)電位器，觀察并總結這3種宏連接參數值的區(qū)別。

d.派代表來闡述3種宏連接參數值的區(qū)別，教師進行總結。

通過上述環(huán)節(jié)的實操探究，攻克這兩個共性的難點問題。

2）進入本任務的重點內容，分揀單元電動機的模擬量變頻調速控制任務實施（160 min）。

①工藝分析。各小組確定分揀單元傳動方案和G120C變頻器具體參數。

②輸入輸出信號的確定，PLC型號的選擇。

③根據輸入輸出信號和PLC型號，進行I/O分配。

④根據傳動方案和I/O分配表，完成硬件接線圖的設計。

⑤根據各小組設定的變頻器參數，編寫相應的控制程序。

⑥小組分工完成控制系統(tǒng)的調試。1人負責用軟件編寫程序和下載程序，1人根據硬件接線圖完成硬件接線，1人負責變頻器參數設置，組長負責安全事項及根據貼在實訓臺的工藝要求進行工藝監(jiān)督。各人任務完成后進行調試優(yōu)化。最后，小組組長將變頻器參數、I/O分配表、硬件接線圖、運行視頻上傳至平臺。

⑦交叉互檢與評價（45 min）。將國家自動化生產線安裝與調試賽項評分表中PLC相關內容整理成評分表，各小組組長進行交叉互檢，填寫評分表并上傳至平臺。其他成員整理成果，準備成果展示材料，并完成組內互評。之后進行成果展示，評選出最優(yōu)小組。

2.2.3 課后

各小組采用角色互換的方式在開放的實訓室完成訓練，自動化生產線安裝與調試賽項的成員負責安全與指導。并在平臺完成相應知識的固化與拓展。

教師根據平臺數據、各小組提交的成果、評分表、互評表和成果展示成績進行綜合評價。

2.2.4 在整個學習過程中，課程思政貫穿始終

課前資源的學習，可以培養(yǎng)學生自主學習的習慣；遇到問題時的討論，注重溝通能力和探究精神的培養(yǎng)；在編程時，注意邏輯思維及多角度思考問題能力的培養(yǎng)；在硬件接線圖設計和接線時，貫徹國家的電氣設計與接線工藝標準；系統(tǒng)調試時，通過反復的運行測試培養(yǎng)同學們精益求精的工匠精神；項目的實施嚴格按照實訓室的6S管理要求，培養(yǎng)職業(yè)意識和勞動精神；任務通過小組合作的方式完成，培養(yǎng)同學們的團隊合作能力；在課后的知識拓展學習中，為終身學習習慣的培養(yǎng)助力。

3 總結

課題組以YL-335B自動化生產線為載體重構了PLC課程教學內容，將教學內容與實際的智能制造控制技術緊密結合，順應智能制造背景下制造產業(yè)轉型升級對PLC技能需求的變化。在課程組織結構中，課前采用線上進行理論知識學習的方式。在課中，盡量縮短由教師主導的純理論授課，采用學生自學自研的探究方式，完成難點的攻克；而后小組完成控制系統(tǒng)設計的實際操作，在實操過程中享受成功的喜悅感，增強自信心，激發(fā)求知欲。 課后，在開發(fā)的實訓室完成任務的輪訓，使其循序漸進地掌握PLC技能，并利用平臺完成知識的遷移與拓展。

通過上述PLC課程改革實踐，湖南鐵路科技職業(yè)技術學院學生的工程實踐能力得到了大幅度的提升。利用PLC課中學的“伺服控制”“變頻控制”“觸摸屏”等知識技能完成的“CPS-智能立體汽車停車庫”項目獲得“挑戰(zhàn)杯——彩虹人生”全國職業(yè)學校創(chuàng)新創(chuàng)效創(chuàng)業(yè)大賽二等獎，“家用拖地小幫手”項目獲省大學生機械創(chuàng)新設計大賽一等獎的優(yōu)異成績。