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摘要：針對原有plc實踐教學(xué)中授課和考核形式單一、缺乏對學(xué)生創(chuàng)造力和綜合實踐能力培養(yǎng)等問題，提出基于PLC的基礎(chǔ)—綜合—創(chuàng)新的一體化實驗課程體系。將虛擬仿真技術(shù)運用于實踐教學(xué)，搭建了虛實結(jié)合的實驗平臺，建立了分階段、分層次、多樣化的實踐項目，提出了多種授課方式和考核方式，提高了學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合實踐能力。

關(guān)鍵詞：一體化；分層次；多樣化；虛實結(jié)合

隨著新工科建設(shè)的推進(jìn)，部分高校增設(shè)了智能制造相關(guān)專業(yè)?；赑LC的自動化技術(shù)作為智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)，對學(xué)生的專業(yè)知識掌握程度有更高的要求，也對高校實踐教學(xué)提出了新要求[1]。目前，部分高校在PLC實踐教學(xué)中提出了理論結(jié)合實踐、項目驅(qū)動式等教學(xué)方法，取得了較好的教學(xué)效果。蔡曉敏等[2]通過建立分層次實驗室和系統(tǒng)訓(xùn)練實驗平臺，構(gòu)建了設(shè)計性、綜合性以及工程應(yīng)用性相結(jié)合的“三層次”實踐教學(xué)體系。史艷紅等[3]采用即視化、任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法和線上線下相結(jié)合的教學(xué)手段，設(shè)置多層次遞進(jìn)的實踐教學(xué)內(nèi)容，采取項目引導(dǎo)式實踐模式，提高了學(xué)生的參與度。李繼芳等[4]將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實踐教學(xué)中，解決了PLC實踐教學(xué)中設(shè)備昂貴、場地有限、設(shè)備維護(hù)成本高等問題，滿足了實驗室開放及學(xué)生創(chuàng)新實驗的需求。雖然上述基于PLC的自動化技術(shù)教學(xué)改革具有一定的創(chuàng)新性和實用性，但是隨著社會對學(xué)生綜合創(chuàng)新能力和工程實踐能力要求的提高，仍需對教學(xué)模式進(jìn)一步探索和改革[5-8]。因此，本文對基于PLC的自動化技術(shù)的實驗教學(xué)模式進(jìn)行探索，改革實驗課程體系，探索實驗教學(xué)方法。

1基于PLC的自動化技術(shù)實驗設(shè)計

基于PLC的自動化技術(shù)實驗課程體系采用分階段、分層次、多樣化的結(jié)構(gòu)，具體內(nèi)容如圖1所示。實驗課程體系分為三個階段：基礎(chǔ)實驗階段、綜合實驗階段和創(chuàng)新實驗階段，內(nèi)容難度逐漸增大，對學(xué)生的能力要求也不斷提高?；A(chǔ)實驗階段設(shè)置在實踐教學(xué)的初期，實驗項目為基礎(chǔ)的操作性實驗，利用專門的PLC教學(xué)實驗臺進(jìn)行。學(xué)生通過基礎(chǔ)實驗，了解PLC基本控制原理，熟悉PLC的編程指令，可以通過簡單的控制對象練習(xí)編寫PLC程序以及輸入輸出電路接線。綜合實驗階段設(shè)置在實踐教學(xué)的中期，以現(xiàn)有的自動化裝配生產(chǎn)線為實驗對象。學(xué)生利用所掌握的機(jī)電知識，分析自動化系統(tǒng)的電氣控制原理，繪制電氣原理圖，列出電氣元件清單。根據(jù)自動化系統(tǒng)的控制邏輯，設(shè)計PLC的控制流程圖，并編寫PLC程序。創(chuàng)新實驗階段設(shè)置在實踐教學(xué)的末期，實驗項目為設(shè)計性實驗，以工廠自動化虛擬仿真平臺為操作對象。學(xué)生根據(jù)功能要求或自主命題，從平臺中選擇元器件搭建自動化生產(chǎn)線。虛擬仿真平臺可以與實際PLC連接，也可以與PLC仿真器連接。學(xué)生通過PLC編程實現(xiàn)對虛擬自動化生產(chǎn)線的邏輯控制。

2基礎(chǔ)實驗課程設(shè)計

2.1實驗項目

圖2為QSPLC-SM1型可編程控制器實訓(xùn)裝置，采用模塊化設(shè)計，包含S7-1200PLC模塊及多個控制對象模塊。利用該實訓(xùn)裝置，學(xué)生可以進(jìn)行PLC編程練習(xí)和輸入輸出接線操作。基于該實訓(xùn)裝置開展的基礎(chǔ)實驗項目如表1所示。

2.2授課方式

基礎(chǔ)實驗采用課上教學(xué)方式，學(xué)生分組進(jìn)行，采用“教師講解—學(xué)生操作—教師中間指導(dǎo)”的授課模式，目的是幫助學(xué)生充分了解PLC控制原理和編程方法，為后續(xù)實驗項目的開展打下基礎(chǔ)。為了保證實驗項目的多樣化，每兩組分配一個難度相當(dāng)?shù)膶嶒烅椖?。學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書要求，完成PLC編程和輸入輸出接線。

2.3考核方式

基礎(chǔ)實驗采用課上提問和提交實驗報告的方式進(jìn)行考核。教師通過隨機(jī)提問，考查學(xué)生對PLC基礎(chǔ)知識的掌握程度，并根據(jù)實驗項目的完成情況進(jìn)行打分。課后要求學(xué)生提交電子版實驗報告，主要內(nèi)容為采用編程軟件建立的PLC控制項目。

3綜合實驗課程設(shè)計

3.1實驗項目

綜合實驗采用現(xiàn)有的Me093399型機(jī)電一體化系統(tǒng)作為實驗對象，如圖3所示。該系統(tǒng)涉及電氣控制、傳感器和現(xiàn)場總線等技術(shù)，包括10個單元：上料單元、下料單元、加蓋單元、穿銷單元、模擬單元、伸縮換向單元、檢測單元、液壓單元、分揀單元和疊層立體倉庫單元。采用S7-200PLC作為控制器，各單元都可單獨控制。

3.2授課方式

綜合實驗采用開放式教學(xué)，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主。實驗初期，教師對系統(tǒng)的功能、組成進(jìn)行介紹，說明實驗要求，組織學(xué)生分組、分配實驗單元并提供必要的參考資料，該部分內(nèi)容在課上完成。實驗過程中，學(xué)生根據(jù)參考資料自主學(xué)習(xí)，完成實驗要求的各項任務(wù)，該部分內(nèi)容在課下完成。以上料單元為例，學(xué)生分析單元組成和原理，列出單元包含的電氣元件，繪制電氣原理圖，設(shè)計PLC控制流程圖并編寫PLC程序，該過程需要2～3個學(xué)生協(xié)作完成。通過基于Me093399型機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合實驗，學(xué)生可以直觀地認(rèn)識和理解電機(jī)、傳感器、氣動及液壓系統(tǒng)等在機(jī)電一體化中的應(yīng)用。

3.3考核方式

綜合實驗采用多種考核方式，主要包括：教師不定期提問、分組答辯、提交實驗報告。首先，在學(xué)生開展實驗項目的過程中，教師檢查學(xué)生對實驗內(nèi)容的掌握程度。其次，實驗完成后，要求各組學(xué)生通過PPT匯報的方式，對實驗單元的結(jié)構(gòu)組成、控制原理、動作過程、PLC控制思路等內(nèi)容進(jìn)行講解。最后，要求各組學(xué)生提交實驗報告，包括電器元件列表、電氣原理圖、PLC控制流程圖和PLC程序。

4創(chuàng)新實驗課程設(shè)計

4.1實驗項目

創(chuàng)新實驗為設(shè)計性實驗，學(xué)生根據(jù)控制要求，依托具有工廠自動化場景的虛擬仿真平臺，完成自動化單元的設(shè)計，并在虛擬仿真平臺中開展仿真驗證。圖4為FACTORYIO虛擬仿真平臺的操作界面，右側(cè)的元件庫中提供了多種類型的部件，如工件發(fā)射和接收裝置、多種尺寸和形狀的工件模型、不同長度和載重能力的傳送帶、各種傳感器、工業(yè)相機(jī)、控制臺、加工中心、機(jī)械臂等。利用這些部件，學(xué)生可以自主設(shè)計和搭建多種自動化單元，如生產(chǎn)單元、運輸單元、分揀單元、裝配單元、倉儲單元等。此外，該虛擬仿真平臺支持多種型號的PLC編程，搭建好的自動化單元可以通過PLC編程進(jìn)行控制。

4.2授課方式

創(chuàng)新實驗采用完全開放式教學(xué)，學(xué)生自主完成。利用虛擬仿真平臺的優(yōu)勢，學(xué)生在計算機(jī)上安裝虛擬仿真軟件后即可開展實驗項目，不受時間和地點的限制。教師利用一節(jié)課的時間向?qū)W生說明實驗要求，指導(dǎo)學(xué)生安裝虛擬仿真軟件，并為學(xué)生提供軟件操作的參考資料。學(xué)生根據(jù)實驗要求，明確要實現(xiàn)的自動化功能，完成系統(tǒng)設(shè)計，編寫PLC程序，并在虛擬仿真平臺中進(jìn)行仿真調(diào)試。調(diào)試過程中，學(xué)生可以將虛擬仿真平臺與PLCSIM連接，該過程不需要PLC硬件。另外，還可以將虛擬仿真平臺與真實PLC硬件連接，完成對PLC的編程。該過程需要PLC硬件，學(xué)生必須在實驗室內(nèi)完成。兩種調(diào)試方法，學(xué)生可根據(jù)實際情況選擇，增加了實驗的靈活性。

4.3考核方式

創(chuàng)新實驗以答辯的方式進(jìn)行考核，要求學(xué)生制作PPT，說明實驗過程中的分析思路、自動化單元結(jié)構(gòu)及工作原理、PLC編程控制邏輯，并現(xiàn)場展示自動化單元的運行過程。學(xué)生個人答辯結(jié)束后進(jìn)行分組討論，針對設(shè)計成果相互點評，交流設(shè)計思路，分享心得體會。通過該實驗項目，學(xué)生可以鍛煉獨立分析和解決問題的能力，有利于提升綜合實踐能力。

5結(jié)語

本文針對基于PLC的自動化技術(shù)實驗教學(xué)模式進(jìn)行了探索與研究，建立了分階段、分層次、多樣化的實驗課程體系，設(shè)置了包含基礎(chǔ)—綜合—創(chuàng)新的實驗教學(xué)項目，適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)變化規(guī)律，有利于逐步提高學(xué)生的知識素質(zhì)和實踐能力。實驗內(nèi)容分層次設(shè)置，由基礎(chǔ)到綜合提升，難度逐漸增加，涵蓋了自動化技術(shù)的大部分內(nèi)容，幫助學(xué)生打好基礎(chǔ)的前提下進(jìn)一步提高其知識掌握水平。充分利用實驗條件，基于虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建軟硬結(jié)合、虛實互補的實驗環(huán)境，突破硬件設(shè)備的局限性，使學(xué)生全面認(rèn)識實驗內(nèi)容。針對不同階段的實驗項目，采用不同的授課方式，教學(xué)過程更靈活。改革原有考核手段，采用多種考核方式，有利于提高實驗教學(xué)效果。實驗過程中采用開放式教學(xué)，“以學(xué)生為中心”，采用學(xué)生小組、分組討論等多種形式，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力和綜合實踐能力。

作者:梁西昌 辛倩倩 單位:山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點實驗室