论文部分内容阅读
[摘 要] 实践教学环节是培养应用型人才的核心环节，针对《可编程逻辑控制器原理及应用》课程传统实践教学中存在的规范性差、设计性不强，对学生动手能力锻炼较少等缺点，提出了基于工程化的实践教学改革，设计了相关实验设备和教材。同时，在基础验证性实验环节强调规范性和精准性，在综合设计环节突出创新性，整个实践教学过程强调工程性，并强化动手能力训练。通过工程化的教学，学生工程能力得到了极大提升，教学效果良好。
[关 键 词] 工程化实践教学；可编程逻辑控制器；规范性
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）01-0092-02
可编程逻辑控制器（简称PLC）是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术、电器控制技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。目前已成为工业控制领域的主流控制设备并且应用越来越广泛，在各行各业发挥着越来越大的作用，可编程逻辑控制器以其自己的特点，一直在工业自动化控制领域占主导地位。《可编程逻辑控制器原理及应用》课程是我院“电子信息科学与技术”和“电子信息工程”专业的专业课程，由于该课程具有极强的实践性，如何有效构建该课程的实践教学环节，以更适应教育部提出的转型发展需求成为教学改革的当务之急。
一、传统实践教学弊端分析
（一）实践教学设备固化，不利于锻炼学生的动手能力
实验设备是决定《可编程逻辑控制器原理及应用》课程实践教学质量高低的关键因素，由于可编程逻辑控制器实验涉及380V动力电、交直流电机、变频器等设备，在操作上具有一定的危险性，所以目前主流的教学设备均具有集成度高、配套线缆完备、输入输出单一等特点，十分便于学生操作。导致学生仅需要进行开关闭合，输入输出信号线缆插拔，程序下载就可完成实验。此方式固然安全，但与学生毕业后接触的实际系统差距甚大，学生利用此类“傻瓜”设备进行训练无法实现工程能力的培养，对实践教学设备进行工程化改造势在必行。
（二）实践教学教材固化，不利于锻炼学生的工程思维能力
传统实践教学教材中的实验内容，主要训练学生的基本编程能力，涉及的对象集中于流水灯、交通灯等简单系统，缺乏工程应用背景。学生通过此类实验，仅实现了基本程序设计训练，对PLC实际应用系统所涉及的各类传感器、各类变送器、触摸屏、变频器等缺乏了解，同时对PLC相关应用领域的工艺流程、顺序控制等知识了解甚少，其工程思维能力无法得到有效培养，动手能力也无法提高。学生在完成此门课程学习后，无法独立设计实用的PLC控制系统。因此，更新实践教学教材，采用开放型实验设备，才能为学生提供工程化的实践教学硬软件环境。
（三）评价体系单一，不利于锻炼学生的工程创新能力
传统的实践教学模式是老师提出实验目标和内容，驱动学生完成实验，学生上交实验报告或现场操作，老师仅从设计的可行性角度对学生的报告或操作进行考评，评价体系单一，缺乏工程化考评体系，无法有效培养学生的工程意识和工程创新能力。
二、工程化实践教学改革
（一）开放型实验设备设计
为了还原PLC真实的应用现场，项目组和仪器设备供应商密切沟通，研制了基于三菱PLC的开放型高级电工实验柜，并已投入使用。该设备改变集成式结构，采用开放式分立元件构成，断路器、接触器、FX系列PLC、开关电源、继电器、开关、LED灯等分立元件均可由学生自行配置，在实验目标确定后，学生通过自行设计电路，动手制作接线端子完成整体硬件电路的初步连接，然后将分立元件按照电气柜设计规范固定在背板上，形成最终的硬件系统。学生通过以上实操，在电气线路设计、梯形图程序设计、各类接线端子制作，线径选择、保护装置使用，布线规范，低压电器使用、用电安全等工程技能方面得到了良好的工程训练。
（二）实验教材编写
为了适应工程化教学，提高实验内容的工程背景，项目组编写了“工业自动化综合应用实训”教材，由西安电子科技大学出版社作为项目式工程训练“十三五”系列规划教材出版，所遴选实验项目围绕现代工业生产中的现代制造、自动控制、机器人等技术领域的基本知识、基本技能展开，涉及低压电器、PLC、触摸屏、变频调速系统、伺服控制系统、工业以太网等常用设备。教材以项目式训练和综合工程应用推进训练进程，使学生能应用所学技术解决实际工程问题，既有利于学生快速掌握简单PLC自动控制系统从构思、设计、实现到运作的全部工程过程，同时也能提高学生的创新能力和工程应用能力。
（三）工程化评价体系设计
为了培养学生的工程化思维模式，改变原有“能用就行”的旧思维，使学生具备将概念转化成原型系统的能力，需培养学生树立相关的工程意识，即在可行性的基础上，树立可靠性、规范性、质量控制、工艺控制、时间控制以及成本控制等工程意识。可行性指设计必须可行，能采用现有的各种工程技术加以实现；可靠性指产品功能性设计完成后，必须对其进行硬件测试、软件黑盒测试、振动测试、EMC测试等可靠性测试，以确保设计的完整可靠性；规范性指所设计的系统是否符合相应的标准；质量控制指在量产中，如何控制每一个元器件的质量。工艺控制指生产中工艺能否达到设计要求，在精度、材料等方面是否能加以优化；时间控制指设计周期、生产周期的时间控制；成本控制则体现了设计是否能节约成本，在不同的设计方案中寻找质量和成本的平衡点。
在评价学生的设计时，综合采用这七个工程要素进行评价，由单一评价转为复合评价。对于基础验证性实验要求学生需首先设计顺序功能图SFC，然后再设计梯形图，强调规范性和精确性。对于综合性设计性实验，则强调可靠性、工艺、生产周期和成本控制等要素，使学生既接受了设计层面的工程训练，也接受了工艺质量层面的工程训练。多元化的评价体系使训练贴近于企业真实需求，有效提高了学生的工程素养。同时为确保实验教学效果，采用小班多轮次教学，每次实验教学由教师和实验员共同完成。同时，实验室实行12小时开放，学生在课余时间可自行进行训练。
实践表明，此种贴近企业需求，强调应用背景的工程化实践教学使学生接受了较好的工程训练，提升了其解决实际问题的能力。同时，改变相关企业认为学生的设计幼稚的认识，学生的就业能力显著提高。由于PLC产品更新速度快，所以工程化实践教学改革是一项长期工作，教师在教学过程中应认真研究教学理论，并灵活运用教学方法，强化教学的工程意识，才能真正达到激发学习兴趣、提高课堂教学效果、培养学生工程实践能力的目的。
参考文献：
[1]王飞雪.可编程逻辑控制器（PLC）的发展趋势与应用[J].科技创新导报，2010（30）：15.
[2]李疆.工业自动化综合应用实训[M].西安：西安电子科技大学出版社，2015.
[3]陈晓芳.几种常见软件可靠性测试方法综述及应用对比[J].科技信息，2007（17）：6.
[4]许焰，庞佑霞，唐勇.面向工程实践科研引导教学[J].当代教育理论与实践，2011（9）：82.
[关 键 词] 工程化实践教学；可编程逻辑控制器；规范性
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）01-0092-02
可编程逻辑控制器（简称PLC）是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术、电器控制技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。目前已成为工业控制领域的主流控制设备并且应用越来越广泛，在各行各业发挥着越来越大的作用，可编程逻辑控制器以其自己的特点，一直在工业自动化控制领域占主导地位。《可编程逻辑控制器原理及应用》课程是我院“电子信息科学与技术”和“电子信息工程”专业的专业课程，由于该课程具有极强的实践性，如何有效构建该课程的实践教学环节，以更适应教育部提出的转型发展需求成为教学改革的当务之急。
一、传统实践教学弊端分析
（一）实践教学设备固化，不利于锻炼学生的动手能力
实验设备是决定《可编程逻辑控制器原理及应用》课程实践教学质量高低的关键因素，由于可编程逻辑控制器实验涉及380V动力电、交直流电机、变频器等设备，在操作上具有一定的危险性，所以目前主流的教学设备均具有集成度高、配套线缆完备、输入输出单一等特点，十分便于学生操作。导致学生仅需要进行开关闭合，输入输出信号线缆插拔，程序下载就可完成实验。此方式固然安全，但与学生毕业后接触的实际系统差距甚大，学生利用此类“傻瓜”设备进行训练无法实现工程能力的培养，对实践教学设备进行工程化改造势在必行。
（二）实践教学教材固化，不利于锻炼学生的工程思维能力
传统实践教学教材中的实验内容，主要训练学生的基本编程能力，涉及的对象集中于流水灯、交通灯等简单系统，缺乏工程应用背景。学生通过此类实验，仅实现了基本程序设计训练，对PLC实际应用系统所涉及的各类传感器、各类变送器、触摸屏、变频器等缺乏了解，同时对PLC相关应用领域的工艺流程、顺序控制等知识了解甚少，其工程思维能力无法得到有效培养，动手能力也无法提高。学生在完成此门课程学习后，无法独立设计实用的PLC控制系统。因此，更新实践教学教材，采用开放型实验设备，才能为学生提供工程化的实践教学硬软件环境。
（三）评价体系单一，不利于锻炼学生的工程创新能力
传统的实践教学模式是老师提出实验目标和内容，驱动学生完成实验，学生上交实验报告或现场操作，老师仅从设计的可行性角度对学生的报告或操作进行考评，评价体系单一，缺乏工程化考评体系，无法有效培养学生的工程意识和工程创新能力。
二、工程化实践教学改革
（一）开放型实验设备设计
为了还原PLC真实的应用现场，项目组和仪器设备供应商密切沟通，研制了基于三菱PLC的开放型高级电工实验柜，并已投入使用。该设备改变集成式结构，采用开放式分立元件构成，断路器、接触器、FX系列PLC、开关电源、继电器、开关、LED灯等分立元件均可由学生自行配置，在实验目标确定后，学生通过自行设计电路，动手制作接线端子完成整体硬件电路的初步连接，然后将分立元件按照电气柜设计规范固定在背板上，形成最终的硬件系统。学生通过以上实操，在电气线路设计、梯形图程序设计、各类接线端子制作，线径选择、保护装置使用，布线规范，低压电器使用、用电安全等工程技能方面得到了良好的工程训练。
（二）实验教材编写
为了适应工程化教学，提高实验内容的工程背景，项目组编写了“工业自动化综合应用实训”教材，由西安电子科技大学出版社作为项目式工程训练“十三五”系列规划教材出版，所遴选实验项目围绕现代工业生产中的现代制造、自动控制、机器人等技术领域的基本知识、基本技能展开，涉及低压电器、PLC、触摸屏、变频调速系统、伺服控制系统、工业以太网等常用设备。教材以项目式训练和综合工程应用推进训练进程，使学生能应用所学技术解决实际工程问题，既有利于学生快速掌握简单PLC自动控制系统从构思、设计、实现到运作的全部工程过程，同时也能提高学生的创新能力和工程应用能力。
（三）工程化评价体系设计
为了培养学生的工程化思维模式，改变原有“能用就行”的旧思维，使学生具备将概念转化成原型系统的能力，需培养学生树立相关的工程意识，即在可行性的基础上，树立可靠性、规范性、质量控制、工艺控制、时间控制以及成本控制等工程意识。可行性指设计必须可行，能采用现有的各种工程技术加以实现；可靠性指产品功能性设计完成后，必须对其进行硬件测试、软件黑盒测试、振动测试、EMC测试等可靠性测试，以确保设计的完整可靠性；规范性指所设计的系统是否符合相应的标准；质量控制指在量产中，如何控制每一个元器件的质量。工艺控制指生产中工艺能否达到设计要求，在精度、材料等方面是否能加以优化；时间控制指设计周期、生产周期的时间控制；成本控制则体现了设计是否能节约成本，在不同的设计方案中寻找质量和成本的平衡点。
在评价学生的设计时，综合采用这七个工程要素进行评价，由单一评价转为复合评价。对于基础验证性实验要求学生需首先设计顺序功能图SFC，然后再设计梯形图，强调规范性和精确性。对于综合性设计性实验，则强调可靠性、工艺、生产周期和成本控制等要素，使学生既接受了设计层面的工程训练，也接受了工艺质量层面的工程训练。多元化的评价体系使训练贴近于企业真实需求，有效提高了学生的工程素养。同时为确保实验教学效果，采用小班多轮次教学，每次实验教学由教师和实验员共同完成。同时，实验室实行12小时开放，学生在课余时间可自行进行训练。
实践表明，此种贴近企业需求，强调应用背景的工程化实践教学使学生接受了较好的工程训练，提升了其解决实际问题的能力。同时，改变相关企业认为学生的设计幼稚的认识，学生的就业能力显著提高。由于PLC产品更新速度快，所以工程化实践教学改革是一项长期工作，教师在教学过程中应认真研究教学理论，并灵活运用教学方法，强化教学的工程意识，才能真正达到激发学习兴趣、提高课堂教学效果、培养学生工程实践能力的目的。
参考文献：
[1]王飞雪.可编程逻辑控制器（PLC）的发展趋势与应用[J].科技创新导报，2010（30）：15.
[2]李疆.工业自动化综合应用实训[M].西安：西安电子科技大学出版社，2015.
[3]陈晓芳.几种常见软件可靠性测试方法综述及应用对比[J].科技信息，2007（17）：6.
[4]许焰，庞佑霞，唐勇.面向工程实践科研引导教学[J].当代教育理论与实践，2011（9）：82.