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摘要:本文提出了优化“现代电气控制及PLC技术”课程实践教学环节的一些方法和措施。为突破该课程现有实验平台的局限,提出从拓展实验平台、改进实验手段、优化实验内容三个方面共同着手来提升实验环节的教学效果。另外,针对该课程的特点,提出案例教学法的应用、网络资源和互动平台建设及建立社会实践机制这三种实践环节的优化措施。实践表明,经过实施优化后的实践环节,该课程的教学效果得到了较大改善,学生的实践能力得到提高、知识面得到拓展、就业竞争力得到提升。
关键词:实践环节;实验平台;案例教学;博客;社会实践
作者简介: 翁国庆 (1977-),男,浙江衢州人,浙江工业大学信息工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:PLC控制技术、电力自动化;张有兵(1971-),男,湖北大冶人,浙江工业大学信息工程学院,副教授,工学博士,主要研究方向:电力线载波通信、分布式发电等。(浙江 杭州 310023)
基金项目:本文系2009年浙江工业大学教学改革与研究项目(项目编号:JG0911)的研究成果。
当前,许多自动化系统、智能化设备的终端能量流控制一般均涉及电气控制技术,PLC及其网络更是被公认为现代工业自动化三大支柱之一,是自动化控制领域一种极其重要的控制设备。因此,“现代电气控制及PLC技术”在电气、自动化、机电一体化及其他信息类专业的课程体系中具有重要的地位,是高校相关专业课程体系中和社会、企业需求结合最紧密的应用类课程之一。该课程的最大特点是应用性、实践性强,理论和实践结合得特别紧密。因此,实践环节在本课程教学中具有非常重要的地位。
随着社会、企业对高校人才动手和操作能力要求的不断提高,该课程的建设与改革,尤其是实践教学环节的优化显得越加重要和迫在眉睫。本文重点研究该课程实践教学环节的优化和拓展建设,主要包括两大方面:一方面是实验平台的拓展、实验手段的改进、实验内容的优化;另一方面主要从充分利用网络资源和网络互动平台、采用案例教学法、建立参观和讲座等形式的社会实践教学机制方面入手,扩大学生的知识面,加深其对理论知识的理解和对企业真实应用环境的熟悉,提升学生的就业竞争力。
一、“现代电气控制及PLC技术”课程实验环节的优化
1.现有实验环节存在的问题
实验是实践教学中最基本、最重要的一个内容。目前,该课程的实验教学环节主要存在以下问题。
(1)形式单一。仅包括课内实验课程,无其他任何形式和平台。
(2)课时量少。一般为8学时的实验课程远不能达到使学生深入理解课程内容、提升实践能力的目的。
(3)平台交互性差。包含实验箱和编程环境,但缺乏实验的动态人机交互平台。
(4)内容与社会需求脱节。实验箱提供的实验项目简单,内容与社会需求脱节。
(5)学生兴趣低。形式单一、平台交互性差、内容与社会需求脱节等各种因素是学生在实践环节兴趣低的主要原因。
这些存在的问题严重影响了课程的教学效果,制约了学生实践能力的培养和提升。为解决该课程现有实验条件和内容的限制和局限,提出从拓展实验平台、改进实验手段、优化实验内容三个方面共同着手,努力提升实验效果。
2.实验平台的拓展
学校现有实验平台是S7-200型可编程控制实验箱,集可编程逻辑控制器、编程软件、PC/PPI编程电缆、实验板于一体,可进行PLC的基本指令练习及十多个PLC实际应用的模拟实验。
但是,基于该平台的实验教学存在一个较大的局限。学生只有进入实验室,利用试验箱才能进行程序调试、下载、仿真和观察结果。但由于实验课时有限,远不能达到熟悉编程技术、提升实践能力的目的。平时作业练习或者案例设计时,也不能及时进行编程、调试和效果观察。
为此,本文提出了建设非实验室环境下PLC软仿真平台这一具有针对性的解决措施。s7_200_sim是一款网络上公开发布的西门子公司S7-200系列PLC的模拟仿真软件,界面如图1所示。学生只要在自己的PC机上安装该软件及西门子的STEP7-Micro/WIN编程软件,即可以构建非实验室环境下PLC软仿真平台,课后就可以在自己电脑上实现PLC程序的编程、调试、仿真,摆脱了原来实验箱平台和实验时间的束缚。
该软件使用过程简述如下:(1)在STEP7-Micro/WIN编程环境中,将待仿真程序保存为后缀名为.awl的文件;(2)运行s7_200_sim软件,选择菜单项“配置—>CPU型号”,设置仿真主机模块的CPU型号(默认为CPU214);(3)选择菜单项“程序—>载入程序”,选择步骤(1)中保存的.awl文件载入;(4)选择菜单项“PLC—>运行”,运行PLC程序;(5)点击界面下部绿色的输入开关,进行输入状态设定;(6)观察主机模块面板中输入、输出指示灯状态,即仿真结果。
值得一提的是,s7_200_sim模拟仿真软件还允许用户自定义设置扩展模块,包括开关量I/O模块和模拟量I/O模块。扩展模块位置位于主机模块右边空白处,编号依次为“0、1…”。鼠标双击对应空白模块,即可进行扩展模块类型选择和设置。图2所示为扩展一块EM223(41/4Q)和一块EM235(3AI/1AQ)后的界面。
3.实验手段的改进
PLC实验课程的一般流程为:(1)指导教师讲解;(2)学生在PC机的STEP7-Micro/WIN编程环境中编程;(3)可编程控制实验箱中正确连线;(4)PC/PPI通信线的正确连接;(5)PLC程序的正确下载;(6)联机调试程序,观察实现现象和结果。但是,在此过程中,实验平台交互性较差,学生只能通过PLC主机模块中的I/O状态指示灯及实验箱中对象项目的LED灯来观察状态变化和实验效果,缺乏动态人机交互平台,不够形象和明晰。
MCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,运行于PC机中,操作简单,可方便地与PLC实现通信,实现PLC数据采集处理、动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等功能。可以利用MCGS为每个实验建立实验模型,能逼真、客观、动态演示PLC的程序。如果PLC程序正确,软件演示的结果就正确;如果PLC程序有错,软件演示的将是错误的结果。
例如,PLC顺序控制中的典型实验项目——液体混合罐的MCGS组态软件交互界面如图3所示。从演示效果可以看出,人机交互效果很好,可有效地调动学生实验的积极性。
4.实验内容的优化
S7-200型可编程控制实验装置目前设有的实验项目主要有:(1)装配流水线控制的模拟;(2)LED数码显示控制;(3)五相步进电动机控制的模拟;(4)十字路口交通灯控制的模拟;(5)天塔之光;(6)水塔水位控制的模拟;(7)液体混合装置控制的模拟;(8)电梯控制系统的模拟;(9)机械手动作的模拟;(10)四节传送带的模拟。虽然这些项目内容都是简单易实现的PLC经典实验项目,但随着PLC技术的发展和应用的深化,已显得与社会需求脱节,降低了学生的实验兴趣,制约了学生对企业真实应用环境的了解和熟悉。
现代工业、企业对PLC应用的需求趋势,除传统的逻辑控制外,更多是向PID复杂控制、网络控制、变频器等智能单元控制等发展。据此,可以进一步考虑设置以下实验项目:(1)PID程序设计实验;(2)触摸屏和组态软件的应用实验;(3)变频器的控制实验;(4)PPI通信控制实验;(5)S7-200 PLC在小规模工业控制网络中应用。
二、案例教学法在“现代电气控制及PLC技术”中的应用
由于“现代电气控制及PLC技术”是一门应用类课程,目的是使学生获得可编程控制器控制技术的基本理论、分析方法和应用技术。对于这种应用类的课程教学,“案例教学法”正日益被广泛地接受和采用。
所谓案例教学法,就是教师遵循教学目的与要求,以案例为素材,将学生引入含有问题的具体教育情境中,师生通过对特定案例的学习分析与研讨,培养学生批判性思维能力和多维性解决问题能力的一种开放式、互动式教学方法。[1]
为充分调动学生的积极性,提高教学质量和效果,提出在该课程中采用案例教学法。在每一个重要的知识点,精心组织合适的案例,引导学生应用理论所学知识对该案例完成设计流程,主要包括工艺分析、控制需求分析、器件选择分析、硬件电路设计、I/O功能分配、PLC程序编写、程序调试。
表1列写了笔者根据不同的知识点设计的几个经典的案例。
表1 案例教学法中的经典案例举例
知识点 案例设计
顺序控制 锅炉控制系统中的引风机和送风机
循环控制 自动运煤小车
PID控制 废水处理中的PH值控制
模拟量采集 电热锅炉温度控制系统
变频器控制 中央空调节能控制系统
网络控制 自动炒茶生产线控制系统
三、网络资源和互动平台的建设
由于具有资源集成性、交互性、资源传递的广泛性、信息表达的形象性、导向性等突出优点,随着计算机网络技术的快速发展,能充分利用网络信息资源和信息技术的网络平台在教育教学中的应用日益被关注,已成为教学改革的一个重要思路。将网络互动平台引入教学,使教学能够不受时间、空间的限制,具有极大的灵活性和交互性。[2,3]
博客(blog)被称为“互联网的第四块里程牌”,是一种新的工作方式、学习方式和交流方式,可以方便地进行文字、图形的张贴,以及其他网络资源的链接。利用博客这一新的网络平台,可以建立丰富的PLC网络学习资源,使其成为学生学习新技术、新产品,认识和了解企业、社会的实际需求,互动交流最便捷的纽带。该课程博客的内容主要包括四方面。
(1)技术论文。广泛摘录和转贴网站上相关的技术论文,并加以整理和评论,使其成为学生课外学习和提高的“信息库”、“数据库”。
(2)案例分析。结合多年的教学和项目开发经验,利用博客平台进行发布,图文并茂。
(3)最新产品和技术。跟踪社会、企业最新产品动态,给学生提供一个了解市场和企业的窗口,缩短学校教学和社会需求的距离,增强学生的就业竞争力。
(4)交流和技术解答。博客不同于一般网页,具有极强互动性,学生进博客不仅可以浏览相关内容,还可留言与回复、发表评论、提出意见,可以有效地提供与学生交流互动的桥梁。同时,网络互动平台为学生间的协作学习提供了技术支持,使交互式学习成为可能。
四、社会实践机制的建立
如之前所述,“现代电气控制及PLC技术”是和社会、企业需求结合最紧密的应用类课程之一,其最大特点是应用性、实践性强、理论和实践结合得特别紧密。因此,尽管采用了上述多种实践环节的优化措施,但理论教学效果与社会真实需求相比还是会有较大差距。
为了更好地解决这一问题,扩大学生的知识面,加深对理论知识的理解和对企业真实应用环境的熟悉,可以考虑以下思路:(1)邀请相关行业的专家、技术人员来学校作讲座和报告;(2)充分利用教研组老师及往届毕业学生的各种社会关系,带领学生去相关企业参观;(3)利用学校组织的各种课外设计、生产实习等机会,深入学习。
五、结论
“现代电气控制及PLC技术”是电气、自动化、机电一体化及其他信息类专业的重要专业课程之一。由于具有理论和实践结合特别紧密的特点,实践环节在其实践教学中非常重要。本文总结了笔者多年来在该课程实践教学环节中实践的改革思路和探索,提出了实践教学环节中几个有效的优化方法和措施:(1)从拓展实验平台、改进实验手段、优化实验内容三方面入手,优化实验教学环节,提高实验教学效果;(2)在教学方式上,引入案例教学法,提高教学质量和效果;(3)基于博客这一网络平台,建立网络资源和互动平台;(4)建立讲座、报告、参观、课外设计、实习等多层次社会实践机制。
实践表明,该课程教学质量和效果得到了较大改善,学生的学习积极性和实践能力得到提高、知识面得到拓展、就业竞争力得到提升。并且,由于这些方法和措施具有较强的实践性、实效性和推广性,容易在加大范围内形成辐射并产生良好影响。
参考文献:
[1]张丽娟.新课改背景下案例教学法的适用性及其反思[J].太原师范学院学报,2008,7(4):158-159.
[2]尹荣章,李朝品,宋吉祥.开放网络课程互动平台提高医学生学习兴趣[J].医学教育探索,2008,7(6):642-643.
[3]陈洁.PLC课程中培养学生创新能力的教学探讨[J].中国电力教育,2009,(4):36-38.
(责任编辑:刘辉)
关键词:实践环节;实验平台;案例教学;博客;社会实践
作者简介: 翁国庆 (1977-),男,浙江衢州人,浙江工业大学信息工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:PLC控制技术、电力自动化;张有兵(1971-),男,湖北大冶人,浙江工业大学信息工程学院,副教授,工学博士,主要研究方向:电力线载波通信、分布式发电等。(浙江 杭州 310023)
基金项目:本文系2009年浙江工业大学教学改革与研究项目(项目编号:JG0911)的研究成果。
当前,许多自动化系统、智能化设备的终端能量流控制一般均涉及电气控制技术,PLC及其网络更是被公认为现代工业自动化三大支柱之一,是自动化控制领域一种极其重要的控制设备。因此,“现代电气控制及PLC技术”在电气、自动化、机电一体化及其他信息类专业的课程体系中具有重要的地位,是高校相关专业课程体系中和社会、企业需求结合最紧密的应用类课程之一。该课程的最大特点是应用性、实践性强,理论和实践结合得特别紧密。因此,实践环节在本课程教学中具有非常重要的地位。
随着社会、企业对高校人才动手和操作能力要求的不断提高,该课程的建设与改革,尤其是实践教学环节的优化显得越加重要和迫在眉睫。本文重点研究该课程实践教学环节的优化和拓展建设,主要包括两大方面:一方面是实验平台的拓展、实验手段的改进、实验内容的优化;另一方面主要从充分利用网络资源和网络互动平台、采用案例教学法、建立参观和讲座等形式的社会实践教学机制方面入手,扩大学生的知识面,加深其对理论知识的理解和对企业真实应用环境的熟悉,提升学生的就业竞争力。
一、“现代电气控制及PLC技术”课程实验环节的优化
1.现有实验环节存在的问题
实验是实践教学中最基本、最重要的一个内容。目前,该课程的实验教学环节主要存在以下问题。
(1)形式单一。仅包括课内实验课程,无其他任何形式和平台。
(2)课时量少。一般为8学时的实验课程远不能达到使学生深入理解课程内容、提升实践能力的目的。
(3)平台交互性差。包含实验箱和编程环境,但缺乏实验的动态人机交互平台。
(4)内容与社会需求脱节。实验箱提供的实验项目简单,内容与社会需求脱节。
(5)学生兴趣低。形式单一、平台交互性差、内容与社会需求脱节等各种因素是学生在实践环节兴趣低的主要原因。
这些存在的问题严重影响了课程的教学效果,制约了学生实践能力的培养和提升。为解决该课程现有实验条件和内容的限制和局限,提出从拓展实验平台、改进实验手段、优化实验内容三个方面共同着手,努力提升实验效果。
2.实验平台的拓展
学校现有实验平台是S7-200型可编程控制实验箱,集可编程逻辑控制器、编程软件、PC/PPI编程电缆、实验板于一体,可进行PLC的基本指令练习及十多个PLC实际应用的模拟实验。
但是,基于该平台的实验教学存在一个较大的局限。学生只有进入实验室,利用试验箱才能进行程序调试、下载、仿真和观察结果。但由于实验课时有限,远不能达到熟悉编程技术、提升实践能力的目的。平时作业练习或者案例设计时,也不能及时进行编程、调试和效果观察。
为此,本文提出了建设非实验室环境下PLC软仿真平台这一具有针对性的解决措施。s7_200_sim是一款网络上公开发布的西门子公司S7-200系列PLC的模拟仿真软件,界面如图1所示。学生只要在自己的PC机上安装该软件及西门子的STEP7-Micro/WIN编程软件,即可以构建非实验室环境下PLC软仿真平台,课后就可以在自己电脑上实现PLC程序的编程、调试、仿真,摆脱了原来实验箱平台和实验时间的束缚。
该软件使用过程简述如下:(1)在STEP7-Micro/WIN编程环境中,将待仿真程序保存为后缀名为.awl的文件;(2)运行s7_200_sim软件,选择菜单项“配置—>CPU型号”,设置仿真主机模块的CPU型号(默认为CPU214);(3)选择菜单项“程序—>载入程序”,选择步骤(1)中保存的.awl文件载入;(4)选择菜单项“PLC—>运行”,运行PLC程序;(5)点击界面下部绿色的输入开关,进行输入状态设定;(6)观察主机模块面板中输入、输出指示灯状态,即仿真结果。
值得一提的是,s7_200_sim模拟仿真软件还允许用户自定义设置扩展模块,包括开关量I/O模块和模拟量I/O模块。扩展模块位置位于主机模块右边空白处,编号依次为“0、1…”。鼠标双击对应空白模块,即可进行扩展模块类型选择和设置。图2所示为扩展一块EM223(41/4Q)和一块EM235(3AI/1AQ)后的界面。
3.实验手段的改进
PLC实验课程的一般流程为:(1)指导教师讲解;(2)学生在PC机的STEP7-Micro/WIN编程环境中编程;(3)可编程控制实验箱中正确连线;(4)PC/PPI通信线的正确连接;(5)PLC程序的正确下载;(6)联机调试程序,观察实现现象和结果。但是,在此过程中,实验平台交互性较差,学生只能通过PLC主机模块中的I/O状态指示灯及实验箱中对象项目的LED灯来观察状态变化和实验效果,缺乏动态人机交互平台,不够形象和明晰。
MCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,运行于PC机中,操作简单,可方便地与PLC实现通信,实现PLC数据采集处理、动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等功能。可以利用MCGS为每个实验建立实验模型,能逼真、客观、动态演示PLC的程序。如果PLC程序正确,软件演示的结果就正确;如果PLC程序有错,软件演示的将是错误的结果。
例如,PLC顺序控制中的典型实验项目——液体混合罐的MCGS组态软件交互界面如图3所示。从演示效果可以看出,人机交互效果很好,可有效地调动学生实验的积极性。
4.实验内容的优化
S7-200型可编程控制实验装置目前设有的实验项目主要有:(1)装配流水线控制的模拟;(2)LED数码显示控制;(3)五相步进电动机控制的模拟;(4)十字路口交通灯控制的模拟;(5)天塔之光;(6)水塔水位控制的模拟;(7)液体混合装置控制的模拟;(8)电梯控制系统的模拟;(9)机械手动作的模拟;(10)四节传送带的模拟。虽然这些项目内容都是简单易实现的PLC经典实验项目,但随着PLC技术的发展和应用的深化,已显得与社会需求脱节,降低了学生的实验兴趣,制约了学生对企业真实应用环境的了解和熟悉。
现代工业、企业对PLC应用的需求趋势,除传统的逻辑控制外,更多是向PID复杂控制、网络控制、变频器等智能单元控制等发展。据此,可以进一步考虑设置以下实验项目:(1)PID程序设计实验;(2)触摸屏和组态软件的应用实验;(3)变频器的控制实验;(4)PPI通信控制实验;(5)S7-200 PLC在小规模工业控制网络中应用。
二、案例教学法在“现代电气控制及PLC技术”中的应用
由于“现代电气控制及PLC技术”是一门应用类课程,目的是使学生获得可编程控制器控制技术的基本理论、分析方法和应用技术。对于这种应用类的课程教学,“案例教学法”正日益被广泛地接受和采用。
所谓案例教学法,就是教师遵循教学目的与要求,以案例为素材,将学生引入含有问题的具体教育情境中,师生通过对特定案例的学习分析与研讨,培养学生批判性思维能力和多维性解决问题能力的一种开放式、互动式教学方法。[1]
为充分调动学生的积极性,提高教学质量和效果,提出在该课程中采用案例教学法。在每一个重要的知识点,精心组织合适的案例,引导学生应用理论所学知识对该案例完成设计流程,主要包括工艺分析、控制需求分析、器件选择分析、硬件电路设计、I/O功能分配、PLC程序编写、程序调试。
表1列写了笔者根据不同的知识点设计的几个经典的案例。
表1 案例教学法中的经典案例举例
知识点 案例设计
顺序控制 锅炉控制系统中的引风机和送风机
循环控制 自动运煤小车
PID控制 废水处理中的PH值控制
模拟量采集 电热锅炉温度控制系统
变频器控制 中央空调节能控制系统
网络控制 自动炒茶生产线控制系统
三、网络资源和互动平台的建设
由于具有资源集成性、交互性、资源传递的广泛性、信息表达的形象性、导向性等突出优点,随着计算机网络技术的快速发展,能充分利用网络信息资源和信息技术的网络平台在教育教学中的应用日益被关注,已成为教学改革的一个重要思路。将网络互动平台引入教学,使教学能够不受时间、空间的限制,具有极大的灵活性和交互性。[2,3]
博客(blog)被称为“互联网的第四块里程牌”,是一种新的工作方式、学习方式和交流方式,可以方便地进行文字、图形的张贴,以及其他网络资源的链接。利用博客这一新的网络平台,可以建立丰富的PLC网络学习资源,使其成为学生学习新技术、新产品,认识和了解企业、社会的实际需求,互动交流最便捷的纽带。该课程博客的内容主要包括四方面。
(1)技术论文。广泛摘录和转贴网站上相关的技术论文,并加以整理和评论,使其成为学生课外学习和提高的“信息库”、“数据库”。
(2)案例分析。结合多年的教学和项目开发经验,利用博客平台进行发布,图文并茂。
(3)最新产品和技术。跟踪社会、企业最新产品动态,给学生提供一个了解市场和企业的窗口,缩短学校教学和社会需求的距离,增强学生的就业竞争力。
(4)交流和技术解答。博客不同于一般网页,具有极强互动性,学生进博客不仅可以浏览相关内容,还可留言与回复、发表评论、提出意见,可以有效地提供与学生交流互动的桥梁。同时,网络互动平台为学生间的协作学习提供了技术支持,使交互式学习成为可能。
四、社会实践机制的建立
如之前所述,“现代电气控制及PLC技术”是和社会、企业需求结合最紧密的应用类课程之一,其最大特点是应用性、实践性强、理论和实践结合得特别紧密。因此,尽管采用了上述多种实践环节的优化措施,但理论教学效果与社会真实需求相比还是会有较大差距。
为了更好地解决这一问题,扩大学生的知识面,加深对理论知识的理解和对企业真实应用环境的熟悉,可以考虑以下思路:(1)邀请相关行业的专家、技术人员来学校作讲座和报告;(2)充分利用教研组老师及往届毕业学生的各种社会关系,带领学生去相关企业参观;(3)利用学校组织的各种课外设计、生产实习等机会,深入学习。
五、结论
“现代电气控制及PLC技术”是电气、自动化、机电一体化及其他信息类专业的重要专业课程之一。由于具有理论和实践结合特别紧密的特点,实践环节在其实践教学中非常重要。本文总结了笔者多年来在该课程实践教学环节中实践的改革思路和探索,提出了实践教学环节中几个有效的优化方法和措施:(1)从拓展实验平台、改进实验手段、优化实验内容三方面入手,优化实验教学环节,提高实验教学效果;(2)在教学方式上,引入案例教学法,提高教学质量和效果;(3)基于博客这一网络平台,建立网络资源和互动平台;(4)建立讲座、报告、参观、课外设计、实习等多层次社会实践机制。
实践表明,该课程教学质量和效果得到了较大改善,学生的学习积极性和实践能力得到提高、知识面得到拓展、就业竞争力得到提升。并且,由于这些方法和措施具有较强的实践性、实效性和推广性,容易在加大范围内形成辐射并产生良好影响。
参考文献:
[1]张丽娟.新课改背景下案例教学法的适用性及其反思[J].太原师范学院学报,2008,7(4):158-159.
[2]尹荣章,李朝品,宋吉祥.开放网络课程互动平台提高医学生学习兴趣[J].医学教育探索,2008,7(6):642-643.
[3]陈洁.PLC课程中培养学生创新能力的教学探讨[J].中国电力教育,2009,(4):36-38.
(责任编辑:刘辉)