高职PLC与变频器应用技术课程虚实结合的教学探索
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2017）05C-0154-02
目前，以可编程控制器（PLC）与变频器为主体的电气控制系统日益广泛应用于工业企业及日常生活公共设施等众多行业领域，起到关键的控制作用，企业对此方面人才的需求量和要求程度也日益提高。对于培养电气自动化技术人员的理工科院校来说，PLC与变频器应用技术课程教学和实训效果水平的提升显得尤为重要。
一、PLC与变频器应用技术教学的特点和现状
PLC与变频器一般都有具体的控制对象，比如自动化生产线、机床、电梯等，而现在学校里的PLC与变频器的实验实训设备大多是实际设备的模型，虽然能较好展现工业控制现场，教学效果好，但存在设备昂贵、体积大，实训室难以配备多台，没足够的工位给学生培训；或是配置了一些低成本的PLC实验箱，虽然可以大量配备，但这种实验箱没有真实的被控对象，常用LED亮灭来模拟输出控制对象动作，演示不形象、不直观。现在高职学生普遍基础较差，理解能力欠佳，不易理解被控对象的控制过程，很难将程序和工业的现场联系起来，学生只能凭空想象控制对象动作，在很大程度上影响了学生的学习兴趣和积极性。
随着计算机应用技术的不断发展，计算机仿真技术日渐成熟和普及，人们可以利用不同的仿真技术制作出多种形式的虚拟设备动画模型，由于形象逼真、色彩丰富、动感十足，学生普遍很感兴趣，应用在教学上，用来演示真实设备工作的过程，学生易于理解和接受，并且成本低、不占地方空间，所以可以用它来弥补现有实验设备的不足和缺陷。教育部早在2006年《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中提出高等职业院校要按照教育规律和市场规则，要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验；以及在《2011―2020年教育信息化十年发展规划》中提出职业教育实践教学水平应显著提升，要加强实践教学，创新仿真实训资源应用模式，提高使用效益。虚拟技术可以在实际设备、现场难以具备的时候起到很好的替代作用，但是，对于PLC与变频器应用技术课程，如果只是一味地利用虚拟仿真设备模型来开展专业教学和实训，学生只是增长了某方面的计算机操作能力，而实际设备操作、设置、装配能力并没有得到相应锻炼，这样不能达到社会的用工标准和要求。所以，虚拟技术还应结合实际实验设备一起来展开教学，才能取得良好的人才培养效果。
二、虚实结合教学模式的构建
如何利用虚拟仿真技术来仿真实际设备，既让学生能够有直观的感受，又结合实验室设备实物器件来锻炼学生的实际操作装配能力，这需要构建一个虚实结合的教学平台，并制定合理的教学实施方案。我们课程团队经过调查分析，选择了适合的软件来设计虚实相结合的仿真设备平台，并制定相配套的的项目化教学方案，投入到教学实施实践，取得了不错的效果。
（一） 虚实结合教学平台的搭建。目前国内也有不少高校将虚拟控制对象运用于电气、电子应用技术的教学与实训，主要有以下三种情况，我们进行了分析比较：
1.直接购买教学设备厂商开发出的仿真软件来搭建平台，这种方案优点是虚拟设备和实际实验设备互动性好，作为学校和教师方面也比较省事，买来即用。但是缺点也很明显，首先是价格昂贵，更重要的是教师在实际应用中很难根据教学的实际情况或特殊要求，对软件进行实时更改或再开发，制约了应用效果。
2.还有一些学校组织教师利用Flash、CorelDraw等软件开发仿真系统，这类仿真效果虽然色彩、动画等方面都很好，但它们也只限于动画演示，往往只能解决学生理解设备动作过程的问题，并不能与电气、电子工业设备进行通讯，无法实现实际设备和仿真动画的互动。所以用其作为开发软件来设计虚实结合的仿真设备平台并不理想。
3.另外一些本科、高职院校利用了工业组态软件来设计仿真电气、电子的控制对象。工业组态软件是一款工业级的现场监控和过程控制软件，具有强大、丰富的动画制作功能，并且能与现场的各种工控设备包括PLC、变频器通信连接互动，随时反映实际设备的动作情况。制作难度对于从事自动化教学的教师不算困难。
经过以上对比分析，选择工业组态软件来制作PLC、变频器的仿真控制对象是比较理想的。接下来我们采用比较流行的组态软件“组态王”软件在课余时间制作电脑仿真动画模型，制作的虚拟设备模型项目有：工作台自动往返运行；运料小车变频自动往返运行；十字路口交通灯控制；动感喷泉喷泉PLC＼变频控制；感应自动门PLC＼变频控制。
在实体设备方面，我们采用的PLC与变频器实训台，体积不大，一间实训室可配备十几台，每个实训台上的设备实物单元包括西门子S7-200PLC控制器、西门子MM440变频器、输入开关＼按钮单元、输出继电器单元、输出接触器单元、三相交流异步电动机单元，每个实训台都配有一台电脑来储存和演示虚拟动画设备模型。这样构成了虚实结合的PLC与变频器综合实训平台。
（二）实施方案设计。在本课题研究之前，我们教学团队已对该课程实施了项目化改革，取得了良好效果，在此基础上，根据课程项目化依靠实际工程项目展开教学的特点，我们进行了如下虚实结合的设计：
1.在教?W项目引入时，利用设计好的虚拟仿真设备模型进行动画演示设备的动作过程，给学生一个形象的展示，让学生从生动的动画画面中了解控制的要求。
2.进行项目相关知识点和技能点培训，对相关知识点和技能点进行讲解，利用PLC与变频器实训台上的设备实物器件对学生进行实际动手训练。 3.项目调试阶段，学生掌握相关知识、技能之后进行项目任务的完成，要求在实训台上对设备实物器件进行电气接线，进行设备调试，在调试过程中，学生可以利用PLC的输入输出实物器件的动作来检验PLC程序、变频器参数是否正确，也可以联接虚拟仿真模型来检验。
4.在项目验收阶段，教师利用虚拟的计算机动画仿真模型结合实训台实物器件来验收，要求做到相应的实物器件动作正确，仿真动画也动作正确，则说明学生接线正确，程序调试到达控制要求。
（三）实施效果对比观察。经过充分的准备，进到实施阶段，我们采用了对比实验的方法来观察实践效果：一部分班级采用虚实结合的方法进行教学（以下称为实验班），另一个班级则没有采用，还是原有方式（以下称为非实验班）。
首先，一开始在项目的引入上，在实验班我们通过多媒体投影将计算机动画仿真在课堂上演示，例如小车变频变速动画，小车速度的变化效果生动形象，学生的注意力和兴趣一下子被吸引上来。而非实验班主要靠教师借助PPT和图片来讲解，学生反应则没有这么强烈，部分学生没能关注到老师讲解的内容上。
接下来的教学，实验班所表现的学习热情和积极性明显强于非实验班，他们能更积极地学习项目所需的知识，更主动地投入各项训练，所以教?W进展得更为顺利。
在进行到项目调试阶段，实验班对于控制要求的疑问明显要少于非实验班。由于调试过程中会有各种各样意料不到的情况和结果发生，非实验班对控制要求上的疑问无法自行解决，经常会向老师反复提出，而实验班在遇到问题时往往能通过反复观察动画仿真演示来进一步理解控制要求，并且理解得比较准确、到位。相比之下，采用虚实结合的方式教师不需要花太多时间去解释和分析控制要求，可以有更多时间用在协助指导后进的学习小组。
在项目验收阶段，实验班教师用仿真软件的PLC联机控制画面来验收学生项目调试成果，是否能达到控制要求，通过画面的动作很容易判断学生们调试的程序是否达到要求，对于没有达到控制要求的，通过切换到演示画面进行对比，很容易就让学生信服与控制要求的差距。非实验班教师在验收时则比较麻烦，首先需要靠试验台上的指示灯亮灭来推想设备的动作，这样相比之下就得多花费一些时间。其次在一些比较复杂的控制问题上，没有虚拟动画的演示则需要靠大量文字来描述控制要求，而高职学生普遍对文字理解能力不强，容易产生偏差，调试的成果与控制要求不符，往往容易和老师产生争议。就算教师花了很大精力来解释和说服，也不一定能做到让学生真正理解和信服，这样就影响了学生对老师的信任感。
经过一个阶段的对比试验，收到了明显的效果，可以看到采用虚实结合模式的班级，学生学习兴趣、积极性得到更大提高，对复杂的控制要求更容易理解和把握，学习成绩明显高于没有采用的班级，同时他们的动手装配能力得到很好的锻炼。学生在同期的各级技能竞赛、创新项目设计中获得了多项优异成绩。
采用基于工业组态技术的虚实结合的项目化教学模式将虚拟仿真动画设备模型与实验设备实物有机结合在一起，可以实现虚实结合、优势互补；利用工业组态技术能模拟出多种PLC控制对象，把不容易在教学环境中展示的自动化生产线、自动化设备生动地呈现，而且内容扩展更新也极为方便。这样不仅可以大幅降低教学设备投入成本，又可以丰富学生的课堂内容，激发学生学习的兴趣及主动学习的热情；结合实验设备实物器件，能很好地锻炼学生的实际动手操作能力。该模式对于PLC与变频器应用技术教学效果起到很好的帮助和提升，在增强和促进教学质量提高方面具有积极的意义。
