试论典型案例贯穿PLC课程的教学设计
发布时间：2015-07-09 08:45
摘要：如何在技工学校教好plc这门课程，一直以来都是课程教学改革的关注点。本文以教学实践为依据，提出了以典型案例为主线，贯穿plc课程教学过程的教学设计思路、教学特点以及典型案例设计的教学方法。
关键词：典型案例；plc课程；教学设计；案例整合
plc的应用日益广泛，技工学校电工、机电一体化类专业大多都开设了plc课程。如何在技工学校教好这门课程，一直以来都是课程教学改革的重点问题。
plc的编程控制指令有三种：基本逻辑控制指令、步进顺序控制指令和功能控制指令。各种指令又属具体的门类。大部分教材在各种类控制指令的应用上选择了各不相同的教学案例，其内容缺乏前后的连贯性，教学效果事倍功半。在教学实践中，笔者发现选择典型案例贯穿plc课程教学，不失为一条事半功倍的教学途径。现以《plc原理与应用》中 “交通灯控制课题”为例，对plc课程教学设计加以研究。
对plc课程的教学设计
教材在基本控制指令、步进顺序控制指令和功能控制指令三个方面分别阐述了不同的编程思想方法，各种类控制指令是并列关系，而教材在应用案例选择上的“散”，使得教师往往限于对各个案例功能的剖析，弱化了控制指令应用的教学，而学生在对新控制指令一知半解的情况下，却要花大力气弄懂弄通案例本身所要实现的功能，无形中增加了教与学的难度。
在本课程教学上，笔者设计的以“交通灯控制课题”为主线的案例，贯穿plc的三种控制指令编程教学，让学生通过分别用三种不同的控制指令编程实现其控制功能，达到一题多解的教学效果。实践证明，此法使得plc课程教学的整体性和系统性大幅提升，教学难度有效降低，趣味性和实用性的增强，也使学生的学习热情得到明显提高。现将具体教学设计及过程简述如下。
交通灯控制要求:设计交通灯白天与夜间的控制程序（见图1）。
（一）基本控制指令编程
1.引导学生将已具备的继电控制知识迁移到梯形图语言，使得学生获取plc基本控制指令知识。
2.引导学生编程、接线，实现交通灯控制功能（强调交通灯白天和夜间的控制功能的差异性，为后续步进顺序控制指令教学埋下伏笔）。
3.引导学生反思基本控制指令编程存在的问题：（1）工艺动作表达繁琐；（2）梯形图涉及联锁，关系复杂，处理麻烦；（3）梯形图可读性差，难以看出具体控制工艺过程（见图2）。
（二）步进顺序控制指令编程
1.承上启下，指出为解决基本控制指令编程存在的问题，引入更为直观简便的步进顺序控制编程方法，运用程序设计工具——顺序控制状态流程图来实现，其特点是：（1）将复杂的控制任务或工作过程分解成若干个工序；（2）使各工序的任务明确而具体；（3）使各工序间的联系清楚，工序间的转换条件直观。
2.说明步进顺序控制的种类：有单流程顺序控制和多流程顺序控制。多流程顺序控制常见的有选择性分支与汇合、并行性分支与汇合、选择性分支与并行性分支的组合等。仍以交通灯时序控制为例，进行分析比较，解决如何分别用单流程、选择性分支与汇合、并行性分支与汇合、选择性分支与并行性分支的组合这四种顺序控制方法编程实现其控制要求。
3.单流程顺序控制编程一体化教学。经过前期对基本控制指令编程的学习，学生已经掌握了交通灯控制功能，无需再对案例本身进行功能解析。此时的教学重点是要教会学生掌握单流程顺序控制状态流程图设计方法，引导学生将交通灯时序控制过程时序分解成若干个工序，明确各工序中哪些灯工作，找出工序间的转换条件。突出顺序控制编程的六个设计步骤：一是i/o分配；二是将整个过程按任务要求分解，其中，每个工序均对应一个状态；三是弄清每个状态的功能、作用；四是找出每个状态的转移条件；五是画出状态流程图（sfc图）；六是对应状态梯形图，列出语句表程序；最后引导学生学习sfc图编程和调试方法，实现交通灯控制功能。
4.选择性分支与汇合顺序控制编程一体化教学。首先引导学生分析上述单流程控制编程的缺陷。缺陷在于夜间控制的实现必须是在执行白天控制以后，不符合实际控制要求，需要改进，进而引入选择性分支与汇合顺序控制。在选择性分支与汇合顺序控制编程教学中，重点突出如何设计交通灯白天、夜间控制选择分支，其次是选择性分支状态的编程方法：从驱动、转移、汇合三个方面分别阐述。最后引导学生学习sfc图编程和调试方法，实现交通灯控制功能（见图3）。
5.并行性分支与汇合顺序控制编程一体化教学。首先，从交通灯时序控制角度说明东西向、南北向信号灯是满足交通时序条件要求同时执行的两个并行分支，引导学生比较上述单流程控制、选择性分支与汇合顺序控制编程，会发现将东西向、南北向信号灯设计在一个流程中，容易引起混淆。指出须用一个更为合理的编程方法——并行性分支与汇合顺序控制，从而引入并行性分支与汇合顺序控制编程教学。在并行性分支与汇合顺序控制编程教学中，首先，突出如何设计东西向、南北向信号灯分支；其次，采用比较法强调并行性分支、汇合状态、转移条件的编程与选择性分支、汇合状态、转移条件编程的区别，以及并行性分支与汇合的驱动、转移、汇合编程方法；再次，引导学生掌握区别于选择性分支与汇合的并行性分支与汇合的编程、调试方法，实现交通灯控制功能（因与组合流程顺序控制相近，故此程序图略）。
6．组合流程顺序控制编程一体化教学。引导学生综合比较上述各编程方法的优劣，采用选择性分支与并行性分支的组合编程、调试，实现交通灯时序控制功能（见图4）。
从这里看出，仅在步进顺序控制指令教学设计中，交通灯时序控制编程就达到一题四解。（参见表1及图4）
（三）功能控制指令编程
通过以上基本控制指令、步进顺序控制指令编程教学，学生对plc编程已经入门，但对于复杂的控制系统，则需要运用功能指令和功能模块共同完成教学。在学到传送比较指令及其应用时，引导学生掌握以触点比较指令编程、调试，实现交通灯控制。接下来鼓励学生积极思考用传送指令编程，实现交通灯控制。
通过这段教学，让学生进一步体会到plc是一种数字运算操作的电子系统，plc的控制方式是存储逻辑，是一种专为在工业环境下应用而设计的一种计算机。从而激发学生进行更高层次学习的积极性，为后续学习各类功能指令打下良好的基础（见图5）。
以典型案例为主线贯穿plc课程教学特点
（一）引导学生进行建构性学习
以典型案例贯穿课程教学，从而实现知识构建梯次、整合教学内容，营造学习情境、引导学生进行建构性学习。
通过选择“交通灯时序控制”这样一个生活中常见的课题，能够激起学生的学习兴趣，带动学生积极思考，主动探索。通过应用该典型案例贯穿课程教学，能够达到三个教学目的。一是实现学生知识构建上的从继电控制的逻辑控制指令入门，到步进顺序控制指令编程的简便直观，再到功能控制指令实现的循序渐进、由繁到简，最后深入提高的过程。二是从简单到复杂层层引导，加强了控制指令之间应用的有机联系，促进了学生的理解，保证了学生学习思维的连贯性和学习内容的系统性，使学生通过教学不断地发现问题、提出问题、解决问题，在比较中学习，在比较中鉴别，在比较中掌握，在比较中融会贯通，在循序渐进中提高，培养学生的独立精神，通过教学使学生具有判断能力、行动能力和自发的继续学习能力。三是使学生初步掌握了基本控制指令、步进顺序控制指令、功能控制指令的编程方法。
需要指出的是，以典型案例贯穿课程教学只是实现了教学的基本目标：领会掌握不同的控制指令的编程方法。在其后的教学中还要完成教学大纲的总体要求，即拓展到其他案例，引导学生针对不同案例的控制要求，运用恰当的控制指令编程，做到各个击破，分步掌握。
（二）教学案例内容典型化
教学案例内容的典型化，可以尽量多地涵盖知识点，实现多种控制指令编程，达成一题多解，有助于达成教学目标，提高学生的综合能力。
《plc原理与应用》教材提供的主要案例有工作台自动循环控制，y-△降压启动，双速电动机控制、三速电动机控制、带式输送机、彩灯控制、液体混料、工业洗衣机、恒压供水控制等。在教学设计上，需要将教学案例进行整合。如将工作台自动循环控制、y-△降压启动、双速电动机控制、三速电动机控制等归为一类，在教学中设计要求分别采用基本控制指令、单流程顺序控制指令、传送比较功能控制指令编程。另外，应尽量设计贴近生产实际的案例，这样的案例具有综合性特征，从而也使得编程必须具备综合性。如设计带式输送机案例在原有顺序启动传送功能基础上，增加当其中任一电动机发生故障情况下均能合理逆序停止的控制要求，达成将原本只需要用单流程顺序控制指令编程的单一功能案例，提升到必须要用组合流程顺序控制指令来完成的复杂功能案例，这样可以有意识地锻炼提高学生综合分析问题和解决问题的能力。
仍需要指出的是，典型案例的设计整合，必须根据教学目标要求，侧重能力培养和实际应用。本课程主要培养学生掌握plc在电气控制工作领域的应用，案例内容必须与实际应用技术的发展水平相适应，具有控制电路技术革新与改造的特征。
以典型案例贯穿教学，一定要让学生在“任务驱动”下手脑并用，学做合一，梯次完成操作训练、进行控制功能实现的验证和先后学习成果的比较，真正实现以“学生为中心”和“在评价中学习”。
参考文献：
[1]肖明耀.plc原理与应用[m].北京：
关键词：典型案例；plc课程；教学设计；案例整合
plc的应用日益广泛，技工学校电工、机电一体化类专业大多都开设了plc课程。如何在技工学校教好这门课程，一直以来都是课程教学改革的重点问题。
plc的编程控制指令有三种：基本逻辑控制指令、步进顺序控制指令和功能控制指令。各种指令又属具体的门类。大部分教材在各种类控制指令的应用上选择了各不相同的教学案例，其内容缺乏前后的连贯性，教学效果事倍功半。在教学实践中，笔者发现选择典型案例贯穿plc课程教学，不失为一条事半功倍的教学途径。现以《plc原理与应用》中 “交通灯控制课题”为例，对plc课程教学设计加以研究。
对plc课程的教学设计
教材在基本控制指令、步进顺序控制指令和功能控制指令三个方面分别阐述了不同的编程思想方法，各种类控制指令是并列关系，而教材在应用案例选择上的“散”，使得教师往往限于对各个案例功能的剖析，弱化了控制指令应用的教学，而学生在对新控制指令一知半解的情况下，却要花大力气弄懂弄通案例本身所要实现的功能，无形中增加了教与学的难度。
在本课程教学上，笔者设计的以“交通灯控制课题”为主线的案例，贯穿plc的三种控制指令编程教学，让学生通过分别用三种不同的控制指令编程实现其控制功能，达到一题多解的教学效果。实践证明，此法使得plc课程教学的整体性和系统性大幅提升，教学难度有效降低，趣味性和实用性的增强，也使学生的学习热情得到明显提高。现将具体教学设计及过程简述如下。
交通灯控制要求:设计交通灯白天与夜间的控制程序（见图1）。
（一）基本控制指令编程
1.引导学生将已具备的继电控制知识迁移到梯形图语言，使得学生获取plc基本控制指令知识。
2.引导学生编程、接线，实现交通灯控制功能（强调交通灯白天和夜间的控制功能的差异性，为后续步进顺序控制指令教学埋下伏笔）。
3.引导学生反思基本控制指令编程存在的问题：（1）工艺动作表达繁琐；（2）梯形图涉及联锁，关系复杂，处理麻烦；（3）梯形图可读性差，难以看出具体控制工艺过程（见图2）。
（二）步进顺序控制指令编程
1.承上启下，指出为解决基本控制指令编程存在的问题，引入更为直观简便的步进顺序控制编程方法，运用程序设计工具——顺序控制状态流程图来实现，其特点是：（1）将复杂的控制任务或工作过程分解成若干个工序；（2）使各工序的任务明确而具体；（3）使各工序间的联系清楚，工序间的转换条件直观。
2.说明步进顺序控制的种类：有单流程顺序控制和多流程顺序控制。多流程顺序控制常见的有选择性分支与汇合、并行性分支与汇合、选择性分支与并行性分支的组合等。仍以交通灯时序控制为例，进行分析比较，解决如何分别用单流程、选择性分支与汇合、并行性分支与汇合、选择性分支与并行性分支的组合这四种顺序控制方法编程实现其控制要求。
3.单流程顺序控制编程一体化教学。经过前期对基本控制指令编程的学习，学生已经掌握了交通灯控制功能，无需再对案例本身进行功能解析。此时的教学重点是要教会学生掌握单流程顺序控制状态流程图设计方法，引导学生将交通灯时序控制过程时序分解成若干个工序，明确各工序中哪些灯工作，找出工序间的转换条件。突出顺序控制编程的六个设计步骤：一是i/o分配；二是将整个过程按任务要求分解，其中，每个工序均对应一个状态；三是弄清每个状态的功能、作用；四是找出每个状态的转移条件；五是画出状态流程图（sfc图）；六是对应状态梯形图，列出语句表程序；最后引导学生学习sfc图编程和调试方法，实现交通灯控制功能。
4.选择性分支与汇合顺序控制编程一体化教学。首先引导学生分析上述单流程控制编程的缺陷。缺陷在于夜间控制的实现必须是在执行白天控制以后，不符合实际控制要求，需要改进，进而引入选择性分支与汇合顺序控制。在选择性分支与汇合顺序控制编程教学中，重点突出如何设计交通灯白天、夜间控制选择分支，其次是选择性分支状态的编程方法：从驱动、转移、汇合三个方面分别阐述。最后引导学生学习sfc图编程和调试方法，实现交通灯控制功能（见图3）。
5.并行性分支与汇合顺序控制编程一体化教学。首先，从交通灯时序控制角度说明东西向、南北向信号灯是满足交通时序条件要求同时执行的两个并行分支，引导学生比较上述单流程控制、选择性分支与汇合顺序控制编程，会发现将东西向、南北向信号灯设计在一个流程中，容易引起混淆。指出须用一个更为合理的编程方法——并行性分支与汇合顺序控制，从而引入并行性分支与汇合顺序控制编程教学。在并行性分支与汇合顺序控制编程教学中，首先，突出如何设计东西向、南北向信号灯分支；其次，采用比较法强调并行性分支、汇合状态、转移条件的编程与选择性分支、汇合状态、转移条件编程的区别，以及并行性分支与汇合的驱动、转移、汇合编程方法；再次，引导学生掌握区别于选择性分支与汇合的并行性分支与汇合的编程、调试方法，实现交通灯控制功能（因与组合流程顺序控制相近，故此程序图略）。
6．组合流程顺序控制编程一体化教学。引导学生综合比较上述各编程方法的优劣，采用选择性分支与并行性分支的组合编程、调试，实现交通灯时序控制功能（见图4）。
从这里看出，仅在步进顺序控制指令教学设计中，交通灯时序控制编程就达到一题四解。（参见表1及图4）
（三）功能控制指令编程
通过以上基本控制指令、步进顺序控制指令编程教学，学生对plc编程已经入门，但对于复杂的控制系统，则需要运用功能指令和功能模块共同完成教学。在学到传送比较指令及其应用时，引导学生掌握以触点比较指令编程、调试，实现交通灯控制。接下来鼓励学生积极思考用传送指令编程，实现交通灯控制。
通过这段教学，让学生进一步体会到plc是一种数字运算操作的电子系统，plc的控制方式是存储逻辑，是一种专为在工业环境下应用而设计的一种计算机。从而激发学生进行更高层次学习的积极性，为后续学习各类功能指令打下良好的基础（见图5）。
（一）引导学生进行建构性学习
以典型案例贯穿课程教学，从而实现知识构建梯次、整合教学内容，营造学习情境、引导学生进行建构性学习。
通过选择“交通灯时序控制”这样一个生活中常见的课题，能够激起学生的学习兴趣，带动学生积极思考，主动探索。通过应用该典型案例贯穿课程教学，能够达到三个教学目的。一是实现学生知识构建上的从继电控制的逻辑控制指令入门，到步进顺序控制指令编程的简便直观，再到功能控制指令实现的循序渐进、由繁到简，最后深入提高的过程。二是从简单到复杂层层引导，加强了控制指令之间应用的有机联系，促进了学生的理解，保证了学生学习思维的连贯性和学习内容的系统性，使学生通过教学不断地发现问题、提出问题、解决问题，在比较中学习，在比较中鉴别，在比较中掌握，在比较中融会贯通，在循序渐进中提高，培养学生的独立精神，通过教学使学生具有判断能力、行动能力和自发的继续学习能力。三是使学生初步掌握了基本控制指令、步进顺序控制指令、功能控制指令的编程方法。
需要指出的是，以典型案例贯穿课程教学只是实现了教学的基本目标：领会掌握不同的控制指令的编程方法。在其后的教学中还要完成教学大纲的总体要求，即拓展到其他案例，引导学生针对不同案例的控制要求，运用恰当的控制指令编程，做到各个击破，分步掌握。
（二）教学案例内容典型化
教学案例内容的典型化，可以尽量多地涵盖知识点，实现多种控制指令编程，达成一题多解，有助于达成教学目标，提高学生的综合能力。
《plc原理与应用》教材提供的主要案例有工作台自动循环控制，y-△降压启动，双速电动机控制、三速电动机控制、带式输送机、彩灯控制、液体混料、工业洗衣机、恒压供水控制等。在教学设计上，需要将教学案例进行整合。如将工作台自动循环控制、y-△降压启动、双速电动机控制、三速电动机控制等归为一类，在教学中设计要求分别采用基本控制指令、单流程顺序控制指令、传送比较功能控制指令编程。另外，应尽量设计贴近生产实际的案例，这样的案例具有综合性特征，从而也使得编程必须具备综合性。如设计带式输送机案例在原有顺序启动传送功能基础上，增加当其中任一电动机发生故障情况下均能合理逆序停止的控制要求，达成将原本只需要用单流程顺序控制指令编程的单一功能案例，提升到必须要用组合流程顺序控制指令来完成的复杂功能案例，这样可以有意识地锻炼提高学生综合分析问题和解决问题的能力。
仍需要指出的是，典型案例的设计整合，必须根据教学目标要求，侧重能力培养和实际应用。本课程主要培养学生掌握plc在电气控制工作领域的应用，案例内容必须与实际应用技术的发展水平相适应，具有控制电路技术革新与改造的特征。
以典型案例贯穿教学，一定要让学生在“任务驱动”下手脑并用，学做合一，梯次完成操作训练、进行控制功能实现的验证和先后学习成果的比较，真正实现以“学生为中心”和“在评价中学习”。
参考文献：
[1]肖明耀.plc原理与应用[m].北京：