“电气控制与PLC技术”课程教学改革探索

马金祥，姚文卿，张燕红，杨斌

(1.常州工学院电气信息工程学院，江苏 常州 213032;2.常州市安丰自动化设备有限公司，江苏 常州 213002)

1 “电气控制与PLC技术”课程教学现状

“电气控制与PLC技术”是自动化、电气工程及其自动化、电子信息工程技术、机电一体化技术、数控技术等专业开设的一门重要的专业课程，是实现新工科背景下应用型人才培养目标的重要核心课程。“电气控制与PLC技术”课程包括电气控制技术和PLC技术两部分内容。其中，电气控制技术是以继电器、接触器为控制核心，配合常用低压电器，通过基本控制环节，主要实现对电动机进行控制的传统控制技术；PLC技术则是在传统的继电器、接触器线路控制基础上发展起来的，为“工业环境下应用”而设计的计算机技术。“电气控制与PLC技术”课程的教学目标是通过本课程的系统学习，培养学生综合应用计算机技术、自动控制技术和通信技术实现工业生产、科学研究及其他领域自动化控制系统的设计、运行、维护、技术改造的能力。

目前，“电气控制与PLC技术”课程在理论教学与实践能力培养方面主要存在以下问题：

1)课程体系与现代制造业产业化的衔接不紧密。在制造业发展态势和工业产业布局面临重大调整的同时，现代化工业生产对自动化和智能化的要求达到前所未有的高度，电气控制与PLC控制面临快速发展和全面创新的新机遇。然而，现有的“电气控制与PLC技术”课程教材教学内容编排相对滞后于当前工业生产实际需求，很难实现与现代制造业产业化的紧密衔接。即使安排了企业实践环节，也只是停留在参观阶段，没有深入到工业生产中，无法培养学生的实践生产能力。

2)理论教学与实践教学存在脱节现象。主要表现在以下几方面：一是，缺乏工业生产的项目背景，导致学生只能了解基本的PLC控制方式；二是，教学内容偏重理论介绍，缺少能引导学生思考或延伸理论应用的实验任务；三是，PLC 实验平台亟待改进，系统的实验设备昂贵，只能停留在理论验证和基础应用阶段，无法开展综合应用实践项目。

3)教学模式创新性有待进一步提高。现有的教学理念和教学模式没有真正体现教育重实践、多角度、全方位的特征。首先，在教学内容编排方面，缺乏PLC工程应用案例教学，很难培养与工业生产相关联的实践能力；其次，现有的教学模式在“互联网+教育”方面发展融合不够，在虚拟实验室建设方面存在明显不足；最后，考核方式无法全面评价学生理论与实践的综合能力，无法激发学生学习兴趣。

2 课程教学改革实践——以PLC按钮式人行横道交通灯控制系统为例

PLC按钮式人行横道交通灯控制系统，来源于根据实际通行情况控制调节交通灯的客观需求，目的在于缓解城市交通拥挤的客观问题。本文以PLC按钮式人行横道交通灯控制系统为例，从现有人行横道交通灯控制系统存在的问题出发，在分析改造的技术要点、实施途径、实际需求的基础上，借助虚拟仿真技术，全真模拟被控对象，有利于学生清晰地理解PLC控制的编程技巧及应用，并结合PLC并行分支、汇合编程方法，进行按钮式人行横道交通灯控制系统设计。

本次教学改革的目的在于推进项目驱动法教学改革创新，加强虚拟仿真技术在教学改革实践中的应用，提高学生学习兴趣，帮助学生构建较完备的知识体系，培养具备创新能力和创新精神的应用型人才。

2.1 教改新课导入

某处路两侧设置有人行横道交通灯控制按钮。按钮式人行横道交通灯控制指示牌和按钮见图1。

图1 按钮式人行横道行人过街指示牌按钮

根据图1，请思考以下问题：未安装按钮式人行横道交通灯控制系统时，行人通过人行横道存在哪些问题？图1中显示的按钮，在哪些时间段是有效的？这样设计的依据是什么？ 在规定的时间段内揿下行人过街按钮，人行横道交通灯会马上显示为绿灯吗？在规定的时间段内揿下行人过街按钮，人行横道交通灯和车行道交通灯切换的逻辑关系是什么？

教改新课导入环节的设置目的：从实际生产生活应用中提炼课程实践案例，激发学生深入思考，并在此基础上，创造有利的实验条件(硬件设备或仿真软件)，积极引导学生实现从理论知识向工程实践的过渡。

教改新课导入环节要解决的问题如下：从工程的角度出发，思考通过不同的电气控制设备实现同一工作任务的可行性，进行不同方案的合理性分析；针对具体的应用场景，研究输入量与输出量可能存在的逻辑关系；根据学生对问题研究深度的差异，及时调整考核指标。

2.2 课程相关内容

本次课程的内容主要是运用项目驱动法学习虚拟仿真技术涉及的相关软件。

项目驱动法包括：具体项目的选取，项目的具体分析，项目实施方案的拟定，项目课题的拓展，项目效果的评定，项目的总结。

虚拟仿真技术包括：GX Works2编译工具环境程序编辑、编译、程序模拟调试方法；GT Designer3工具环境控制界面设计、输入输出量定义、模拟器的设置；GT Simulator2工具环境可视化仿真。

运用项目驱动法学习虚拟仿真技术的意义在于：以问题为导向，引导学生进入浸润式学习模式，使其能运用电器与PLC技术，结合计算机控制技术、计算机界面设计等相关理论，开展基于新工科知识结构体系的实践学习。

2.3 教改实例仿真

实例：按钮式人行横道交通灯控制系统设计。

按钮式人行横道交通灯控制系统示意图和时序图分别如图2、图3所示。

图2 按钮式人行横道交通灯控制系统示意图

在GX Works2环境中，可以实现按钮式人行横道交通灯PLC程序编译与仿真，但其仿真效果不够直观。

GT Simulator2环境中按钮式人行横道交通灯PLC程序仿真界面如图4所示。

图4 GT Simulator2按钮式人行横道交通灯PLC仿真

教改实例仿真的意义在于：从实际问题出发，针对实际问题对应的逻辑关系，剖析各逻辑量的状态转移关系、逻辑时序、逻辑关联，最终通过GX Works2环境进行程序编译、通过GT Simulator2环境进行仿真实验，评估设计方案的可行性和合理性。

通过本次课程的学习，学生可以从实际生产生活中寻找有待改进的电气控制系统，按照项目驱动实施步骤，采用虚拟仿真技术开展PLC应用研究。例如：车床电气控制线路、铣床电气控制线路，以及随动控制系统的改造等等。

2.4 教学改革反思

基于工业生产的实际需求，将企业生产环节，作为课程教学的实践内容，有效实现了课程体系与工程项目产业化的衔接。

在课堂上引入虚拟仿真技术，借助虚拟仿真平台，学生在课堂上不仅能完成实际项目的PLC程序设计，还能直观地感受到PLC工程运行效果。在此基础上，还能反馈项目实施方案中存在的客观问题，以便进一步完善，有效解决了理论教学与实践教学脱节的问题。

在课程教学改革实践中，教学内容的编排和工业生产内容紧密结合，学生能在从理论到实践的过程中体验到工程设计的成就感，并进一步激发探索工程问题的兴趣。 在此基础上， 学生会主动寻找工程实践问题，将工程实践问题带入课堂，拓展课堂教学内容，课堂教学模式的创新性得到进一步提高。

3 总结

推进项目驱动法教学改革创新，加强虚拟仿真技术在教学改革实践中的应用，有利于提高学生的学习兴趣，帮助学生构建较完备的知识体系。本课程的教学案例设计，为新工科背景下应用型人才本科相关课程的改革和建设提供了参考和借鉴。

“电气控制与PLC技术”课程教学改革的实践证明：基于项目驱动的案例教学改革，结合了虚拟仿真技术，能以有限的设备、多样化的程序丰富教学内容，提高学生的学习兴趣和积极性，增强了学生的工程实践经验，真正意义上实现了毕业即上岗，上岗即能胜任工作的应用型人才培养目标。

培养学生电气控制与PLC实践能力是一个长期而复杂的过程，需要不断地积累经验，进一步完善培养方法和具体措施。