面向工程教育的电气控制与PLC研究性学习教学模式改革

1、    面向工程教育的电气控制与plc研究性学习教学模式改革    杨志刚 薄敬东摘 要：本文以国际先进的cdio工程教育理念为指导构建“研究性学习”教学模式，该模式以自动化工程项目设计为主线，引导学生在项目设计过程中进行研究性学习。教学实践证明，该教学模式激发了学生的学习兴趣，在学生获取课程知识的同时，促进了对学生的实践能力和创新能力培养，有效提高了课程教学质量。关键词：工程教育;研究性学习;电气控制与plc一、绪论电气控制与plc主要研究自动控制系统的软硬件实现技术，是实现工业生产自动化的重要技术手段。从一个普通的生产设备到企业的整个加工、

2、制造系统乃至企业的整个生产过程，都需要由电气与plc控制技术构建的自动化系统和自动化生产过程。电气与plc技术主要通过低压电气线路设计、系统总线集成、控制软件设计等环节，将自动控制理论在具体控制任务中实例化，实现被控系统的自动运行。从早期的继电器接触器控制，到以微处理器为核心的可编程序控制，控制系统实现了从硬件逻辑电路到数字运算的转变，随着智能技术、通信技术、网络技术的发展，电气与plc控制技术也向着集成化、智能化和网络化的方向不断延伸。电气控制与plc课程在自动化、电气工程及其自动化、机械工程自动化等专业都是一门重要专业课程。其课程知识体系大致分为四个方面的内容：低压电器元件和电气接线图设计

3、;plc基本指令和软件编程方法;数字量控制系统设计;模拟量控制系统设计。由于电气与plc控制技术实践性较强，传统课程教学脱离工程实际多以概念、基本指令和简单实例为主，采用“讲授式”教学，不能充分调动学生积极性，使学生知识掌握分散，难以综合运用知识进行设计，课程实验多以验证性实验为主，这种教学模式以不利于新工科背景下学生的综合运用和工程实践能力的培养。本文在吸取国内院校新工科课程改革成果基的基础上16，结合我校特点，为解决“电气控制与plc”传统课程教学中存在的问题，引入cdio国际工程认证教育理念，采用“研究性学习”教学模式改革传统课程教学。二、研究性学习教学模式改革建设目标电气控制与plc研

4、究性学习教学，以自动化项目设计为主线进行教学内容、教学进度的编排，以“培养学生发现问题、提出问题、解决问题的能力和永不满足、追求卓越的态度”为基本目标。课程以实际工程设计为背景，合理提高课程难度、增加课程与电机拖动、过程控制等课程的交叉，将组态设计涵盖进教学范围，拓展学生对工程设计规范的认知。通过研究性学习全程参与项目的构思、设计、实施和运行等过程，让学生在获得知识学习的同时，获得多方面的工程体验和设计乐趣，激发学生的学习激情，侧重培养学生工程实践能力和工程创新能力。三、研究性学习教学改革内容（一）优化教学内容电气控制与plc是实现工业自动化的重要技术手段，在一般的自动化系统设计中涉及电气控制

5、、plc、变频控制、自动控制、通信和人机交互（组态软件）等技术。课程教学内容应贴近实际，涵盖工业自动化系统设计所需求的知识内容。根据人才培养目标和教学大纲的要求，教学内容以控制系统的电气设计和plc程序设计为核心，以“够用、实用”为原则，加入plc通信、变频控制、组态软件设计内容，按照按照学生的认知规律和项目设计流程编排教学过程。具体教学内容如下：第1讲，课程以自动化及plc控制系统为开始，结合过程控制理论简述自动控制系统的组成，以具体实例（水位控制）引入电气控制线路、可编程控制器（plc）、hmi人机界面、变频驱动等控制环节，使学生清晰的认识到各环节在控制系统中所处位置和作用。设计任务：从入

6、户电源开始，绘制家里的电气线路，列出所采用的电气元件清单及名牌参数。第2讲，讲述工业自动化项目设计的流程，以水泥自动配料生产线控制系统设计为实例，介绍系统工艺、功能设计、电气设计、软件设计、系统运行设置等流程。设计任务：对调速称（自动配料一个单元）进行调研和控制方案设计。第3讲、第4讲，讲述工业自动化项目电气控制，包括：低压电气原件、典型线路、低压线路设计规范。设计任务：对调速称（自动配料一个单元）进行电气控制部分设计（原理图、接线图、原件清单）。第五讲，讲述plc的基础和plc控制系统硬件设计，以调速称自动控制为例讲述硬件设计的概念、io分配，硬件接线。设计任务：调速称硬件设计及plc接線（

7、原理图、接线图、原件清单）。第6讲，plc硬件组态，基本指令，以电机启停控制为例引入plc编程软件、软件配置、io单元硬件组态、plc基本逻辑指令编程。设计任务：调速称控制系统传送带启停自动控制。第7讲，基本指令应用，以电机多地启动，多电机顺序启动逆序停止、设备联锁控制讲解基本指令的组合逻辑。设计任务：调速称控制系统手动控制程序设计。第8讲，讲述定时器指令、计数器指令，以电动机延时启动、延时关闭讲解定时器，以生产线产品计数讲解计数器。设计任务：调速称控制系统报警、急停程序设计。第9讲，顺序控制plc程序设计方法、以料车控制为例讲述顺序功能图的绘制，及顺序控制软件设计方法。设计任务：调速称控制系

8、统自动控制程序设计。第10讲，讲述plc项目中的数据处理，以压力模拟量采集、量程变换为例讲解plc数据处理指令。设计任务：调速称控制系统料重检测程序设计。第11讲，讲述plc项目中的数据处理，以pid控制系统为例子，讲解模拟量闭环控制系统的plc实现。设计任务：调速称控制系统下料量pid闭环控制。第12讲，讲述plc程序结构设计，以调速称控制系统输入、输出、手动、自动、报警等功能块设计为例讲解plc功能、功能块和程序结构设计。设计任务：调速称控制系统plc软件设计。第13讲，讲述plc控制系统网络设计，讲解modbus、profibus、profinet等常用控制网络。设计任务：调速称监控系统

9、网络设计。第14讲，讲述控制系统组态软件设计。课程介绍西门子tia wincc的自动化硬件的配置和编程，以及控制系统的配置。讲解使用组态设计中央工作站、图形编辑器、功能库、集成功能以数据变量的一致调用。设计任务：调速称监控软件设计。（二）“研究性學习”开展课堂教学电气控制与plc研究性学习教学改革的核心是如何进行教学活动。课程按照提出设计任务、组织学生讨论、课下分组研究学习、课前师生交流、课堂讲解问题的形式进行教学。（1）设计任务：教师在章节讲解之前，提前就本章节教学内容设计“自动化项目任务”并布置给学生，任务具有一定的连贯性和设计难度。（2）分组讨论，就设计任务组织学生进行先期讨论

10、，使学生正确理解设计任务和设计要求，找到设计任务的难点和关键点。（3）研究性学习，学生根据设计任务，制订研究计划（“任务是什么？”“困难多少？”“为了解决困难怎么做？”）。根据计划，进行组内讨论、查阅文献资料、学习相关知识，获取解决难点的办法，初步完成设计任务。（4）课前师生交流，前教师在每次课前先与学生就项目进展情况和项目瓶颈问题进行讨论，同时检查学生的“研究性学习”效果。（5）教师讲授：从学生研究学习过程中遇到的问题入手，展开知识的系统性讲授。以同学们遇到的问题为课程案例，讲解解决思路和解决技巧，对设计任务的多种解决方案进行比较，与学生讨论产生一个最佳设计“研究性学习”教学模式改革，强化了

11、学生的课下自主研究性学习环节，通过对多种解决方案进行比较，鼓励学生进行设计展示、开展专题讲座等活动，激发学生的学习兴趣和学习积极性，变被动填鸭式学习为主动研究性学习。（三）构建立体化教学资源随着网络技术的发展，学生获取知识的途径已不仅限于书本，慕课、短视频、文库、论坛等都成为获取知识的良好途径。有些方式相比于课堂授课更能吸引学生的学习兴趣，“研究性学习”教学模式改革，在课程教学过程中应重视网络化的教学资源建设。经过近几年建设形成了包括，形成了包括：在线教学平台、课程qq群、案例视频，电气控制与plc综合自动化课程设计电气控制与plc电子教案、中国智能制造挑战赛等内容的立体化教学资源。通过在线教

12、学平台教师可以在线指导学生研究性学习，学生也可以根据自身的情况合理安排项目研究内容和进度，对于遇到的问题难点，可以平台、论坛等方式获得解决办法，也可以在平台进行求助或发起讨论。利用教学平台教师可以建设网络课堂，发布课程资料、进行在线测试和学生的设计产品展示等活动，拓宽了教学空间，满足了教学多样性的需求。建立课程qq群，学生便于发起设计任务群讨论，教师可以既解答学生问题，也可以在群里发布一些工业现场控制系统运行视频，增加学生的现场感知。网络化教学资源，从时间和空间上延伸了课程教学，弥补课堂教学的共性知识学习，实现学生个性化知识和创造性能力培养，提高了学习效果。（四）实践环节改革传统实践教学多以实

13、验课程形式为主，虽然实验教学在电气控制与plc课程中占有重要地位，但实验内容多以验证书本知识点为主，实验方法简单缺乏创新。除去必要的验证实验，综合性实验学时不足，更无法为学生提供创新性实验。研究性学习教学模式改革为激发学生的学习兴趣，将减少基础实验，增加综合类设计实验，同时鼓励学生进行课外竞赛或虚拟仿真创新实验研究。（1）基础实验。基础实验侧重学生理解理论知识，利用现有电气控制与plc实验教学设备，允许学生根据对书本知识掌握情况，选做实验。实验内容不在限于实验指导书和设备的限制，允许学生根据研究性学习中遇到知识理解问题，变更实验内容。（2）综合类设计实验。综合类设计实验使学生掌握自动化项目设计

14、的先进技术与设计工具，具备理论知识的综合运用能力和严谨的研究态度。综合类设计实验要求学生根据课程布置的项目设计任务，展开实验设计。学生通过课下项目研究性学习，完成项目的阶段性电气原理图设计或控制程序设计，申请实验室开放。学生通过实验平台测试运行，完成阶段性设计验证。通过多阶段的综合类设计实验学生将完成一个项目的设计过程，即方案设计、电气设计、图纸绘制、器件选型、程序设计、人机界面设计、运行调试和系统完善。（3）综合创新实践。综合创新实践侧重培养学生在自动控制系统设计过程中的商业能力、人文能力，在充分理解客户的需求基础上，追求盈利，并且考虑项目的后期发展。电气控制与plc综合创新实践可以鼓励学生

15、积极参加“西门子杯”中国智能制造挑战赛，其中，离散行业竞赛以6部10层电梯控制为题，从方案设计、项目工程/程序开发及项目现场执行调试三方面进行学生能力考查。在大赛环境下，学生将接受来自全国的本专业同龄人的挑战，激发学生拼搏精神，同时也是对学生的创新能力和应变能力是考验。整个竞赛过程学生通过自行设计完成比赛，充分调动学生学习的主动性和积极性，为赢得比赛，学生在设计中追求完美，实现自我创新，同时也培养学生的团队合作能力。（五）课外研究性学习方法研究性学习教学的核心是“以学生为主体”进行研究型性学习，课内学时有限，指导学生课外学习，也是教学改革的重点，教师主要从研究学习方法方面对学生进行指导。项目研

16、究性学习的方法总结包括：工程文献检索、工程项目分析、分组讨论、设计验证，调试与完善。（1）工程文献检索。项目设计首先要求学生正确理解被控系统的工艺流程和已有控制系统的状况，这部分内容一般没有在专业课程讲解，学生可以通过图书馆、在线文献库等方式进行文献检索，获得被控项目相关的各种资料。在众多的文献资料中迅速、准确地查找匹配的研究需要信息，是学生研究性学习寻找知识、获取知识的一种途径，也是培养学生终生学习能力和可持续发展的重要条件。（2）工程项目分析。自动化工程项目设计方案可行性分析是项目设计成功的关键，也是后期学生完成設计的依据，教学要求学生从项目需求分析、对象特性分析、控制方案分析、系统安全分

17、析、经济效益分析等方面对所设计的控制系统进行阐述，并给出项目分析报告。对分析报告进行分组讨论和质疑，最终形成可行最优设计。工程项目分析，培养学生严谨的学习态度、分析和发现问题的能力。（3）分组讨论。在电气控制与plc研究性学习过程中分组讨论是一种重要的学习形式，按照自主和互补的原则，将学生分成35人的学习小组。小组内学生对项目设计进行讨论，共同完成整个项目的设计。对每次分组讨论的过程进行记录，并将最终的结果进行整理。定期各组向教师进行阶段段汇报，检查小组研究性学习效果。分组讨论培养学生的表达能力和提出问题的能力。（4）设计验证。设计验证是确保设计功能满足项目要求，整个过程中分：阶段验证和最终验

18、证。阶段验证：在项目设计的中间阶段，进行功能单元设计验证，检查部分功能是否达到设计的要求。最终验证：在项目的完成阶段，进行控制系统软硬件设计验证，检查系统是否达到控制方案的设计要求。在整个过程中学生可以通过设计综合类实验或虚拟仿真实验进行设计验证。设计验证将培养学生一种解决问题的能力。（5）调试与完善。自动化控制系统一般包含多种设备（如：机械设备、电器元件等）的复杂系统，系统的稳定运行需要所有软硬件的配合才能实现。通过实验或仿真运行可以让学生及时发现设计中存在的问题，修改设计。从项目出发，学生将逐步测试系统的硬件电路、软件逻辑和人机界面的操作，从工业设计和美学的规范要求等方面对控制系统进一步完善，培养学生追求卓越的精神。四、结语电气控制与plc是一门理论性和实践性兼顾的控制类专业课程，随着新产品、新技术的不断涌现，控制系统软硬件设计的选择空间越来越广泛。受限于学时限制，基于特定产品和技术的教学，