对高职《电气控制与PLC》课程教学的思考

□徐 茜

对高职《电气控制与PLC》课程教学的思考

□徐 茜

在总结多年教学实践的基础上，提出了一种旨在培养学生工程能力的“工程体验式”教学方法，结合“电气控制与PLC”课程教学，介绍了在教学过程中的具体做法。强调安装调试过程及自动化产品使用手册、工程图纸等技术文件的使用在教学过程中的重要性和必要性。教学实践表明，“工程体验式”教学法，在高等职业技术教育教学中行之有效。

工程体验式；PLC；教学法；电气控制

一、引言

美国近代著名的教育家约翰·杜威（John Dewey，1859—1952）关于教学，曾有过一段精彩论述：“学校的责任是启发学生对学科的兴趣，并从中学习解决问题的方法和思考方式，让学生从实践（活动）中掌握知识，而不是由教师报告他人的学习成果。”[1]美国的高等工科教育受到杜威思想的深刻影响，如美国最早的私立工科大学之一，位于马塞诸塞州的伍斯特理工学院 （Worcester Polytechnic Institute，简称 WPI，1865 年建校），在美国率先创立了“理论与实践并重”的工科教育模式，并以校园内两座塔式建筑，教学楼和工程训练大楼作为标志，“理论与实践并重”的教育模式也被称为 “双塔模式”（The Two Towers)，“双塔模式” 得到美国学界和工业界的广泛认同，并被之后的工科院校纷纷效仿。现在，WPI仍保持一贯的教育传统，与工业界关系密切，重视学生应用理论知识解决工程实际问题的能力培养，学校设有项目中心（Project Center)，负责管理来自工业界工程项目，为学生和企业服务[2]。WPI的毕业生因为有着良好的工程训练，一直以来，受到美国乃至全球优秀企业的青睐。

“双塔模式”也影响了国内的工科教育，但如何更好地培养学生工程实践能力，激发学生对学科的兴趣，也是历次工科教育、高等职业技术教育改革的目标。“电气控制与PLC”是电气控制、自动化类专业开设的一门专业技术课程。由于微电子技术的发展进步，电气控制技术日新月异，特别是可编程控制器的出现，由于它具有功能强、可靠性高、抗干扰能力强、适用于复杂的工业环境、易于与工业控制系统联成一个整体、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点，使其在电气自动化控制的各个领域得到了广泛的应用，成为现代工业自动化的三大支柱之一[3]。所以，我国各类工科院校、高等职业技术学院相关专业都开设了电气控制与PLC课程。目前，国内市场上95%左右的可编程控制器都是国外进口，主要厂商有Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc 等国际大公司，欧美公司在大、中型PLC领域占有绝对优势，日本公司在小型PLC领域占据十分重要的位置。所以，相同的课程设置，教学内容因为所选产品的不同而呈现多样性。一般以中小型PLC作为首选，常见的选型产品有：德国西门子S7-200/300、日本三菱FX0N/FX2N、欧姆龙CP1H等。教学形式上，基本上沿用以往理论课加实验课的模式。

如何跟近技术应用的发展，如何提高学生的工程应用能力，下面结合自己多年来 “电气控制与PLC”教学工作，围绕如何提高学生工程实践能力这一中心，从教学内容、教学方法与手段、教学的组织等几个方面，探讨了我们在课程教学中的一些具体做法。

二、课程教学的目标与要求

“电气控制与PLC”教学内容由两部分组成，第一部分，介绍常用低压电器及继电接触器控制系统；第二部分，介绍可编程控制器的工作原理及应用，包括硬件电路和应用软件的设计。从知识的内在关系来说，第一部分是基础，第二部分既是继电接触器控制系统功能上的延续，同时又具有全新的体系结构，实际上，可编程控制器是以微处理器为核心的工业计算机。课程基本要求：熟悉常用低压电器的结构、工作原理、特性及应用，具备继电接触器控制系统基本分析能力，重点掌握典型电气设备控制系统分析及应用；了解可编程控制器的工作原理及结构特点，熟悉可编程控制器基本逻辑指令、顺控指令、功能指令及应用；具备PLC控制系统设计与维护基本能力。课程以提高学生的全面素质和培养学生的各项能力为核心组织教学。

在我校，电气自动化技术专业 “电气控制与PLC”课程安排在校内工业中心电气控制与可编程控制器实训室，每周两个单元的时间。考虑到高等职业教育主要服务于地方经济，承担着为本地区培养高级技能型人才。深圳地处我国经济发展前沿，工业自动化水平很高，工业生产自动化装备主要是进口，且以德国和日本装备为主，现场大量地使用中小型PLC。所以，我们学校选用的PLC以日本三菱和德国西门子小型机为主，这也基本上反映了当前国内PLC市场上主流机型的状况。

“电气控制与PLC”课程教学以怎样用好自动化产品为主线展开，任务非常明确，在了解自动化产品结构原理基础上，重点是如何应用，熟悉产品的主要技术参数、特点，使用中要注意的问题等。以交流接触器为例。首先，了解交流接触器的结构原理、功能，熟悉具体某一个型号的产品，如交流接触器CJ10-20，通过典型的应用，掌握交流接触器的检测方法和使用方法、主要的技术参数、选型方法及使用中的注意事项。课程大纲中所有要求掌握的自动化器件（包括PLC）都是从产品使用的角度出发介绍给学生。尽量减少理论的赘述。学时分配情况，第一部分常用低压电器及继电接触器控制系统约占总学时的三分之一，第二部分PLC控制系统占约三分之二。分阶段展开教学，每一个阶段，知识的学习和能力训练各有侧重，由简单到复杂，由单一功能到综合应用，循序渐进。第一部分，低压电器及继电接触器控制系统部分，通过几个典型的电气控制系统训练项目，让学生重点在工程识图、硬件电路的接线、布线、电路的检测等方面得到训练；第二部分分两个阶段，首先，了解PLC的结构、工作原理，熟悉PLC输入/输出电路，通过电动机正反转循环控制等简单项目的训练，让学生熟悉PLC控制系统组成及系统的调试方法、指令的基本应用。最后阶段是综合项目的训练，重点是PLC编程训练与提高。

三、“工程体验式”教学法

教育家约翰·杜威的教育思想揭示了一个认知规律，即体验是对未知领域的最好的认识过程，且这一过程具有自主思维的特性，充满激情。强调技术应用和实际操作能力的高等职业技术教育，特别注重学生工程实践能力的培养，我们认为培养学生技术应用能力最有效的途径，就是让学生在工程实践中去体验，在体验中去学习。

（一）以项目驱动教学[4]

“电气控制与PLC”课程教学一般两个同学为一个小组，在教学的不同阶段，相互协作，共同完成工程项目。第一阶段，重点在工程识图、硬件电路的接线、布线、电路的检测等方面训练，项目以器件的检测、安装，系统的调试、运行为主，在工程实践活动体验中，熟悉产品，掌握测试和调试的方法。在熟悉器件的开始阶段，尽量不用封闭或半封闭的实验装置，让学生在真实的工业环境中去体验。由简到繁，完成工业上几个典型的电气控制系统项目。第二阶段，重点是了解PLC的结构、原理，熟悉PLC输入/输出电路、PLC控制系统。具体地，将PLC作为一个器件，从使用的角度让学生去认知，重点是输入/输出电路、工作原理。让学生在PLC的应用中，由外部到内部，由浅及深逐步深入下去，在使用的过程中学习，逐步扩展知识面。同样地，在开始阶段，我们也不赞成用封闭或半封闭的实验装置，尽可能让学生通过安装、测试、系统调试、运行等过程来熟悉可编程控制器，包括编程器和电脑编程软件的使用。从简单的电动机控制项目到工业机械手的PLC控制项目，让学生在项目实施的过程中，熟悉产品，熟悉指令及编程调试。在以程序设计为主的第三阶段，侧重软件设计与调试，包括计算机仿真，系统的静态调试和动态调试等，完成一个综合性项目，如三层电梯的PLC控制系统等。

（二）真实工业环境的营造[4]

现在大部分学校的实验装置使用封闭或半封闭的教学实验箱，方便了学生接线，而且外型设计美观，但是，这样的教学实验箱我们在工业现场是看不到的，学生的感受和体验是不一样的。在强调学生工程体验的情况下，我们设置了安装这一教学环节，对于PLC，为了减少对产品本身接线端子因反复接线而造成的损坏，要求学生在输入/输出端引入接线端子（这本身也是实际的工程项目中常见的安装方法），学生对PLC也有更直观的了解。

另外，这里要特别指出，在教学过程中，实训室必须备有相关产品使用手册（电子或文本均可），方便学生随时查阅，鼓励学生查阅产品使用手册。教材和产品使用手册有很大差别，教材侧重于基本原理和基本方法，而关于产品的很多技术细节不可能涉及到。产品使用手册作为重要的技术文件就不同了，它对产品有一个全面的描述，包括使用产品需要特别注意的事项，技术指标，甚至典型的案例，有些技术细节必须要查阅产品使用手册。重要的是，工程技术人员在工程项目设计和实施过程中，产品的技术文件是经常要使用的。指导学生查阅产品技术文件（或产品使用手册）是工程体验式教学不可或缺的教学环节。

“工程体验式”教学法，首先，改变了传统教学方式，变填鸭式教学为真正以学生为主体、教师为主导的教学方式，突出了教学的实践性；另外，在教学过程中，同学之间，同学与教师之间的交流讨论贯穿教学整个过程，学生的学习主动性和热情极大提高。

四、仿真软件的应用

目前可编程控制器的生产厂家有数百家之多，各个厂家的产品又从小型到大型分为许多型号和系列。以日本三菱公司的产品为例，常见的产品有A系列、Q系列和FX系列等，FX系列中又分为FX0、FX0N、FX1、FX1S、FX1N、FXU、FX2N、FX3U等类型，但不管哪种系列或类型，其基本原理是相同的，功能上有所差异。所以，在教学中，我们一般以一种典型产品为对象展开教学，注重对产品结构原理的理解和在工程应用中解决问题的方式和方法的学习。

“工欲善其事，必先利其器”（《论语·魏灵公》），工程技能人才的培养，要特别重视“工具”的使用，除了优选合适的产品作为学习对象外，电路检测和系统调试的工具也尤为重要。各个PLC生产厂家为了方便PLC程序的调试，都推出了相应的PLC仿真软件，如西门子公司的S7-PLCSIM，三菱公司的GX SIMULATOR等，目前，使用PLC编程软件和仿真软件成为学习PLC一种简单有效的方法。各种仿真软件的功能基本相同，都是在没有PLC硬件设备的环境下，建立一个虚拟的PLC设备，通过编程软件集成环境完成程序下载、程序调试和变量状态的监视[5]。变量时序图不仅能帮助我们了解程序的运行情况，也能够让学生更清楚地了解PLC不同于一般计算机的扫描工作过程。在“电气控制与PLC”课程教学的第三阶段，我们加强了学生PLC仿真软件的应用。一方面，GX-SIMULATOR的应用，加快了程序调试的过程，通过仿真调试后，再将程序下载到PLC进行静态调试，然后再进行系统的动态调试；另一方面，掌握系统仿真的方法，学生可以很方便地在实训室环境以外在自己的电脑上完成项目程序的设计和调试，增加了学生学习的热情和主动性。很多同学的程序都是在课余时间完成的。更重要的是，仿真软件的学习和使用，培养了学生的学习能力，为学习其他系列PLC或其他品牌的产品提供了一条有效的方法。“授人以鱼，不如授人以渔”，对工程环境的熟悉，学习解决工程实际问题的方式方法才是工科教育的重要目标。同样地，系统仿真也是工程实际中常用的技术手段，在实际项目中学习使用是最好的体验。

五、结束语

“工程体验式”教学法，强调在教学过程中，让学生在真实的工程环境下去体验、在完成项目的过程中去学习，要求采用真实的工业设备、技术资料（包括规范的工程图纸、产品使用手册）和工程实际中的技术手段和方法。学生在整个教学活动中，始终处于主体位置，教师的主要工作是组织和指导，充分调动学生的学习兴趣，多给学生自由的空间去展示自我，使他们处于主动和积极思考、探索状态，在过程中去体验、发现问题、解决问题，交流与讨论成为“工程体验式”教学过程的常态。十多年来，我们一直坚持“工程体验式”教学法，并在教学实践中不断完善，收到了很好的教学效果。

[1]简·杜威.杜威传[M].合肥：安徽教育出版社，2010.

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

[3]钟肇新，等.可编程控制器原理及应用[M].广州：华南理工大学出版社，1999.

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

[5]日本三菱公司.FX系列编程手册[S].（不详），1997.

徐茜（1963-），男，湖北人，深圳职业技术学院副教授，硕士研究生，研究方向为高职教育。

G712

A

1001-7518（2011）14-0046-03

责任编辑 颜小兵