新工科背景下虛實結合的PLC 原理及其應用課程教學改革與實踐研究

任明月 馮俊杰 王艷紅 陳祖星

摘要：進入21 世紀以后，社會對于工程型人才的需求越來越大，培養學生的工程實踐能力及創新能力更為重要，原有的教學模式難以滿足行業對于學生的工程要求。本文從PLC 原理及其應用課程教學虛實結合為出發點，研究新工科背景下該課程的教學策略。首先，分析現階段PLC 原理及其應用課程教學模式的不足，得出采用虛實結合的教學模式的必要性；其次，指出虛實結合課程教學體系的構建；最后，通過PLC 課程的虛實結合教學模式為案例，得出虛實結合的教學模式，能夠將實踐項目更為形象具體地展示出來，提高學生課程的積極性，增加實驗課程的吸引。

關鍵詞：新工科；虛實結合；教學模式；課程改革

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）06-0178-03

注重提高學生的工程實踐素質，培養學生的創新能力，是新工科背景下對高等學校本科專業學生的新要求。工程實踐的能力培養是高等院校工程教育的重要環節，也是學生學習專業知識、培養創新意識、掌握實踐技能的重要途徑。PLC原理及其應用課程是本科自動化方向的一門專業必修課，具有較強的實用性，主要為了工程應用，同時也為從事本專業相關工作打好基礎，本課程的培養目標更為注重培養學生的設計開發能力。課程內容主要分為兩部分：一是電氣控制線路的分析與設計；二是PLC控制線路的分析與設計，授課內容繁多且難度較大，對學生的綜合能力要求較高[1]。因此，在使學生掌握理論知識的同時，也能培養學生應用于工程實踐的能力，傳統的教學模式多是集中在對學生理論知識的教授，并且以教師為主體，學生的參與度較低，學生普遍反映課程學習的難度較大，目前PLC原理及其應用課程教學存在不少問題。

1 傳統教學模式的不足

1）傳統的授課過程多是先理論后實踐[2]，例如，對于低壓電路的講解，按照教材內容先對各低壓電器進行介紹，然后運用電器元件設計電氣線路；講解可編程控制系統設計時，先進行各指令系統的介紹再進行系統設計。這樣的授課模式難免會使理論與實踐脫節，工程設計環節所用的知識已經過去一兩周時間，學生對于工程設計的關注點是去查找所用元器件或指令的功能，忽略工程設計環節的思考及創新。

2）傳統PLC課程無法展示出PLC程序執行的具體流程，學生對內容不能全面理解，只能流于表面想象，例如在講解定時器指令功能時，單純地運用PPT 很難將其運行過程中的當前值和位變化展現出來。因此，學生對于相關知識理解不深，難以有很好的學習提升，學生的學習興趣與創新意識未能得到充分激發。

3）傳統教學受場地和器材的限制，很難做到在課堂授課的過程中運用實物展示PLC的控制系統，例如對于PLC對紅綠燈控制系統的設計，只能靠講解梯形圖或語句表去分析該過程的執行方式，無法將理論與實踐相結合，這種教學模式無法真正培養學生的工程應用能力。

4）傳統的教學模式多采用單一的期末考試形式來進行課程考核，學生更為注重去記憶課本中的理論知識，機械性的記憶設計環節，這種考查方式并不能激勵學生的工程設計與創新的興趣。

基于上述原因，傳統的教學模式已很難滿足要求采用虛實結合的教學模式打破傳統的教學模式，使學生不僅僅學習掌握到理論知識，還能在仿真平臺上模擬實踐應用，將理論應用于實際，學以致用，在提高學生的學習興趣的同時，鍛煉學生的工程設計能力[3]。

2 虛實結合課程教學體系的建立

1）采用“理論+仿真+實踐”的教學模式。在學生掌握基本知識的情況下，教學過程中加入STEP-Mi?cro/WIN V4.0 SP6 編程軟件和S7-200仿真軟件的使用環節。利用STEP-Micro/WIN V4.0 SP6編程軟件鍛煉學生PLC編程能力，并與S7-200仿真軟件結合，利用虛擬的PLC仿真程序執行的過程，理論與實踐教學相結合，避免僅依靠理論講解程序的枯燥。

2）工程性教學改革研究。為培養工科學生的動手能力，以及理解教學內容的工程應用，在課程教學中引入PLC控制下的實際工程案例，為進一步培養學生的實踐能力提供基礎。對于工程案例的設計，應遵循先易后難、循序漸進的原則，在設計的過程中融入所學理論知識，不僅僅進一步鞏固了學生的理論知識，同時使學生親身參與到系統的開發設計過程中，提高學生的工程意識。

3）虛實結合的課程教學改革研究。為鍛煉學生的編程能力和培養學生創新能力，在教學環節中引入仿真平臺的搭建，結合實際工程案例，生動形象地把課程知識點與工程應用緊密結合起來，解決了傳統課程中受場地和設備的限制問題，學生更為直觀地體會到PLC在實際場景的應用，激發了學生的學習積極性，提高了學生的工程實踐能力。

4）多層次考核方式。PLC課程的考核不僅僅只關注期末試卷的考試結果，新的教學模式下，對于學生的考核更為注重學生的工程設計能力掌握情況[4]。因此，考核結果應由兩部分組成，平時成績+期末成績，而這兩部分成績中應將工程設計能力的考核放于首位。首先，對于平時成績，應由學生平時課堂表現及項目設計所組成，其中項目設計主要是學生應用仿真軟件實現；其次，對于期末成績，除了考查基礎知識點還需增加程序設計題目重點考查知識點的應用[5]。

3 虛實結合教學模式的應用

1）根據虛實結合的理念，將該教學模式應用在實際教學工作中，在PLC課程教學內容和形式上采用分階段教學。第一階段為基礎理論教學部分，這部分內容在傳統教學模式的基礎上融入仿真演示，教學方式采取、仿真平臺STEP-Micro/WIN V4.0 SP6 編程軟件和S7-200仿真軟件演示教學法和學生練習為主。教師將理論知識講解完成之后為加深學生的理解，可應用仿真軟件展示具體的執行過程，例如在定時器指令講解時，S7-200仿真軟件能更清晰地演示出定時器當前值和位的變化過程，如圖1所示。同理在其他執行講解時，也可讓學生進行仿真練習，觀察其執行變化，這種教育模式，使學生參與其中，且較為直觀形象，便于理論教學的開展及學生的掌握。

第二階段為理論應用階段，主要考查學生的綜合應用能力。該部分設置多個指令講解完成后及章節總結階段，以設計典型環節為目標，將所學知識點應用于環節設計中，避免理論與實際脫節。學生在完成這一任務過程中，要求先進行環節分析，掌握環節中所用的元器件及基礎指令，通過工程設計規則、設計步驟、所需資料的查詢方法等，使學生掌握基本的工程技術知識，減少精力和時間上不必要的浪費，提高學習效率。以設計PLC控制電機運轉為例，學生確定好基本環節方案后，根據設計規則，確定使用指令系統中的自鎖結構，然后確定所需環節中的元器件、I/O 分配、梯形圖設計等，通過仿真平臺模擬出基本環節。

第三階段為實際工程應用階段，主要考查學生學以致用、理論聯系實際的能力，時間安排在學期末的課程設計階段[6]。學生通過前面的理論學習和基礎實驗，已經掌握了工程設計規則、編程的基本方法和技巧，這時要求學生完成一些應用創新性實驗，該設計項目需要真實的工業控制與仿真相結合，將理論知識應用于實際場景，應用PLC去完成這些實際場景的控制過程。例如常見的交通燈控制，學生需要根據交通燈控制的實際過程分析出PLC控制系統設計的基本環節，根據設計規則及仿真平臺，實現該實際場景的仿真。

2）實現多元化、過程性評價。虛實結合模式下PLC課程的考核成績主要由三部分組成：第一部分側重理論知識掌握，總評成績的20%；第二部分側重平時工程設計能力考核，占總評成績的40%。第三部分是筆試考試，占總評成績的40%，其中除了考查基礎知識點還需增加程序設計題目重點考查知識點的應用[7]。圖4為課程改革前后的學生成績統計對比，從圖中可以看出，學生成績的波峰由之前的40-59，提高為70-89，從成績方面可以看出有明顯的提升。同時對學生進行虛實結合教學模式滿意度調查，從圖5可以看出，學生對于采用仿真+理論的教學方式比較認可，虛擬仿真教學模式的加入能夠提高學生對于課程的興趣。

4 結束語

實踐能力培養是高等院校工程教育的重要環節， 也是學生學習專業知識、培養創新意識、工程意識、掌握實踐技能的重要途徑[8]。隨著科學技術的高速發展，為實踐課程虛實結合多層次教學模式提供了技術支持，對于工程人才的培養起到了重要作用。采用虛實結合的多層次實驗教學模式，在豐富實踐教學內容的基礎上，極大地改變了實驗教學的環境、內容與模式[9]。本文從教學內容、教學方法、考核形式等方面進行課程改革與實踐研究，通過加強教學實踐、理論聯系實際，使學生對可編程控制器有更深入的了解。同時，充分發揮學生的學習主體性，提高學生的動手能力和工程應用，以擴展學生視野，提高學生學習積極性，最后達到教學改革效果。

參考文獻：

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[8] 付百學，朱榮福.新工科背景下虛實結合的實驗教學模式研究[J].黑龍江教師發展學院學報，2021，40（5）：40-42.

[9] 王宏宇，丁建寧，許楨英，等.虛實結合實踐教學的現狀分析與發展探究[J].實驗技術與管理，2021，38（7）：11-16.

【通聯編輯：梁書】