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摘要：針對原有plc實踐教學中授課和考核形式單一、缺乏對學生創造力和綜合實踐能力培養等問題，提出基于PLC的基礎—綜合—創新的一體化實驗課程體系。將虛擬仿真技術運用于實踐教學，搭建了虛實結合的實驗平臺，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，提高了學生創新能力和綜合實踐能力。

關鍵詞：一體化；分層次；多樣化；虛實結合

隨著新工科建設的推進，部分高校增設了智能制造相關專業。基于PLC的自動化技術作為智能制造系統的基礎和重要環節，對學生的專業知識掌握程度有更高的要求，也對高校實踐教學提出了新要求[1]。目前，部分高校在PLC實踐教學中提出了理論結合實踐、項目驅動式等教學方法，取得了較好的教學效果。蔡曉敏等[2]通過建立分層次實驗室和系統訓練實驗平臺，構建了設計性、綜合性以及工程應用性相結合的“三層次”實踐教學體系。史艷紅等[3]采用即視化、任務驅動式教學方法和線上線下相結合的教學手段，設置多層次遞進的實踐教學內容，采取項目引導式實踐模式，提高了學生的參與度。李繼芳等[4]將虛擬仿真技術應用到實踐教學中，解決了PLC實踐教學中設備昂貴、場地有限、設備維護成本高等問題，滿足了實驗室開放及學生創新實驗的需求。雖然上述基于PLC的自動化技術教學改革具有一定的創新性和實用性，但是隨著社會對學生綜合創新能力和工程實踐能力要求的提高，仍需對教學模式進一步探索和改革[5-8]。因此，本文對基于PLC的自動化技術的實驗教學模式進行探索，改革實驗課程體系，探索實驗教學方法。

1基于PLC的自動化技術實驗設計

基于PLC的自動化技術實驗課程體系采用分階段、分層次、多樣化的結構，具體內容如圖1所示。實驗課程體系分為三個階段：基礎實驗階段、綜合實驗階段和創新實驗階段，內容難度逐漸增大，對學生的能力要求也不斷提高?；A實驗階段設置在實踐教學的初期，實驗項目為基礎的操作性實驗，利用專門的PLC教學實驗臺進行。學生通過基礎實驗，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編寫PLC程序以及輸入輸出電路接線。綜合實驗階段設置在實踐教學的中期，以現有的自動化裝配生產線為實驗對象。學生利用所掌握的機電知識，分析自動化系統的電氣控制原理，繪制電氣原理圖，列出電氣元件清單。根據自動化系統的控制邏輯，設計PLC的控制流程圖，并編寫PLC程序。創新實驗階段設置在實踐教學的末期，實驗項目為設計性實驗，以工廠自動化虛擬仿真平臺為操作對象。學生根據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。學生通過PLC編程實現對虛擬自動化生產線的邏輯控制。

2基礎實驗課程設計

2.1實驗項目

圖2為QSPLC-SM1型可編程控制器實訓裝置，采用模塊化設計，包含S7-1200PLC模塊及多個控制對象模塊。利用該實訓裝置，學生可以進行PLC編程練習和輸入輸出接線操作?；谠搶嵱栄b置開展的基礎實驗項目如表1所示。

2.2授課方式

基礎實驗采用課上教學方式，學生分組進行，采用“教師講解—學生操作—教師中間指導”的授課模式，目的是幫助學生充分了解PLC控制原理和編程方法，為后續實驗項目的開展打下基礎。為了保證實驗項目的多樣化，每兩組分配一個難度相當的實驗項目。學生根據實驗指導書要求，完成PLC編程和輸入輸出接線。

2.3考核方式

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

3綜合實驗課程設計

3.1實驗項目

綜合實驗采用現有的Me093399型機電一體化系統作為實驗對象，如圖3所示。該系統涉及電氣控制、傳感器和現場總線等技術，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，以學生自主學習為主。實驗初期，教師對系統的功能、組成進行介紹，說明實驗要求，組織學生分組、分配實驗單元并提供必要的參考資料，該部分內容在課上完成。實驗過程中，學生根據參考資料自主學習，完成實驗要求的各項任務，該部分內容在課下完成。以上料單元為例，學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，設計PLC控制流程圖并編寫PLC程序，該過程需要2～3個學生協作完成。通過基于Me093399型機電一體化系統的綜合實驗，學生可以直觀地認識和理解電機、傳感器、氣動及液壓系統等在機電一體化中的應用。

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，在學生開展實驗項目的過程中，教師檢查學生對實驗內容的掌握程度。其次，實驗完成后，要求各組學生通過PPT匯報的方式，對實驗單元的結構組成、控制原理、動作過程、PLC控制思路等內容進行講解。最后，要求各組學生提交實驗報告，包括電器元件列表、電氣原理圖、PLC控制流程圖和PLC程序。

4創新實驗課程設計

4.1實驗項目

創新實驗為設計性實驗，學生根據控制要求，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，右側的元件庫中提供了多種類型的部件，如工件發射和接收裝置、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、工業相機、控制臺、加工中心、機械臂等。利用這些部件，學生可以自主設計和搭建多種自動化單元，如生產單元、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編程進行控制。

4.2授課方式

創新實驗采用完全開放式教學，學生自主完成。利用虛擬仿真平臺的優勢，學生在計算機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。教師利用一節課的時間向學生說明實驗要求，指導學生安裝虛擬仿真軟件，并為學生提供軟件操作的參考資料。學生根據實驗要求，明確要實現的自動化功能，完成系統設計，編寫PLC程序，并在虛擬仿真平臺中進行仿真調試。調試過程中，學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，學生必須在實驗室內完成。兩種調試方法，學生可根據實際情況選擇，增加了實驗的靈活性。

4.3考核方式

創新實驗以答辯的方式進行考核，要求學生制作PPT，說明實驗過程中的分析思路、自動化單元結構及工作原理、PLC編程控制邏輯，并現場展示自動化單元的運行過程。學生個人答辯結束后進行分組討論，針對設計成果相互點評，交流設計思路，分享心得體會。通過該實驗項目，學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結語

本文針對基于PLC的自動化技術實驗教學模式進行了探索與研究，建立了分階段、分層次、多樣化的實驗課程體系，設置了包含基礎—綜合—創新的實驗教學項目，適應學生的學習變化規律，有利于逐步提高學生的知識素質和實踐能力。實驗內容分層次設置，由基礎到綜合提升，難度逐漸增加，涵蓋了自動化技術的大部分內容，幫助學生打好基礎的前提下進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，構建軟硬結合、虛實互補的實驗環境，突破硬件設備的局限性，使學生全面認識實驗內容。針對不同階段的實驗項目，采用不同的授課方式，教學過程更靈活。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效果。實驗過程中采用開放式教學，“以學生為中心”，采用學生小組、分組討論等多種形式，鍛煉學生的團隊協作能力和綜合實踐能力。

作者:梁西昌 辛倩倩 單位:山東大學機械工程學院 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室