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对比教学法在单片机与PLC课程教学中的应用

范文

陈甜鞠冀军

摘要：本文分析了单片机和PLc技术的区别与联系，对两门船舶电气自动化先导课程进行了深刻剖析，讨论了教学过程采用对比教学法对提高学员学习效率和技术水平方面的优势，并通过数据分析验证了相关结论。

关键词：单片机;PLC;电气自动化;对比教学

中图分类号：G642 文献标识码：A

0引言

属于交通运输学科下的轮机工程专业，开设课程的内容主要涉及船舶与海洋工程的动力部分和电气工程的强电部分。轮机工程主要为培养航海类工程技术人才，历来培养的主要技能偏重机械方向，电子电气居于次要地位。单片机目前国际上比较通用的名称是微控制器简称MCU，它是现代传感和控制领域不可或缺的组件。PLC全名可编程逻辑控制器，它是由传统接触器、继电器控制系统结合计算机技术发展而来。单片机和PLC技术实际上是船舶电气自动化的先导课程，它们衔接了传统模拟控制技术与新时代的数字控制技术，对轮机工程人员的知识更新起着重要的作用。随着航海电子电气员（电机员）地位的重新确立，对轮机员电气自动化知识的培养程度越来越难以把握，如何合理分配、衔接和掌握这两门相互联系的课程，一直是轮机工程人员培养的难点。

1单片机和PL（的区别与联系

船员适任评估新规则实施后，船员知识评估体系有了很大变化，例如将之前的《轮机工程基础》理论考核取消，将其知识点分散到与其应用最为接近的几个主干学科中，如《船舶辅机》和《主动力推进装置》。《轮机自动化》从三管轮起也开始纳入评估范围，它和原《船舶电气》合并，以《船舶电气自动化》的形式出现。改革之后，知识与实践联系更为紧密，减轻了学员盲目学习的负担，提高了学习效率和技术水平。计算机控制技术是《船舶电气自动化》的专业基础，目前在机械及近机类专业，单片机（微控制器）课程正在逐渐取代《微机原理》成为计算机控制技术的代表课程。在轮机专业，单片机课程一方面是少学时的专业基础课，在《轮机自动化》课程又以计算机控制技术的形式重复学习。PLC技术一直以少学时的专业选修课出现，但同时在《船舶电气》课程里又以电气控制技术的形式重复学习。两个重复性学习的课程尽管起源不同，但它们之间又有着千丝万缕的联系。单片机与PLC主要特征对比，见表1。

单片机与PLC在实际的测控领域充满着高度重叠。随着PLC成本的降低、高速化和小型化，两者的应用界限逐渐变得十分模糊。单片机目前的主要优势在于超低功耗，PLC的主要优势在于抗干扰。

2传统教学模式的课程配置与管理

传统教学模式的课程配置，以浙江海洋大学轮机工程专业为例，单片机课程设置在第2学年的第3学期，理论和实践学时为32+16，培养计划安排必修大学物理和电工电子学课程之后;PLC课程设置在第三学年的第4学期，理论和实践学时总和为24+8。两门课程授课在培养计划的时段和形式上相对独立。两门课程的实践项目分别是八项和四项。实际PLC的四项实验项目与单片机课程的实践项目相近。初级PLC的应用，均能用单片机替代。单片机与可编程逻辑控制器，是电气自动化技术的基础，它们是连接基础知识与技术应用的桥梁，起着承上启下的作用。两门课的总课时量为80课时，时间跨度大，而授课内容相互重叠。例如在内部结构单片机与PLC均由相应的中央处理器、存储器和输入输出点构成;在技术应用方面，单片机与PLc应用技术均应用于电气控制领域，在学校实验环境下，两者的实践项目区别极小。

很多学生由于两门课彼此分立，授课教师又极少将两门课作比较学习，而两种用作数据采集和系统控制的技术的很多应用领域重叠，导致即便是经过重复学习，依然不能分清两者的区别和联系。很多学员甚至分不清弱电和强电系统分别会优先采用哪一种控制器。另外，因为缺乏对比学习，学员对很多知识点的理解就模棱两可。例如，两种控制器的运行、输出方式，单片机为逐行运行，逐行输出;PLC为集中扫描，集中输出。若孤立讲授PLC集中扫描和输出的运行方式，缺乏对比举例，大多数学员难以理解。

3对比教学法的应用

3.1对比教学的组织架构

单片机（微控制器）和PLC（可编程逻辑控制器）在应用过程中虽然同为计算机控制系统单元，但长期作为两门课程分立，必然有其客观的必要性。传统培养模式往往是多年经验累积的结果，教学体系相对严谨，贸然采用不成熟的教学改革方案，易给学员专业学习带来严重的不良影响。新的方案必须要经过严密的科学论证之后，才能真正投入实践。笔者在担任浙江海洋大学轮机专业《单片机原理及应用》课程和（（PLC技术》课程任课教师期间，只是建议排课计划将原本并行的两门少学时的课程分别安排在学期的前9周和后9周。在完成教学大纲基本要求的理论和实践教学后，注重将所学知识应用于实践。应用举例都与当前自动化机舱各种前沿技术密切相关，并且重视將单片机技术和PLC技术重叠的应用实例作比较学习。对比教学模块的组织与管理，如图1所示。

从图1的教学模块的组织结构示意图中可以看到，实践项目的控制系统方案可以用单片机或PLC迭代实现。实践项目的冗余设置，一方面可以互相强化两门课的专业实践知识，另一方面又可以在对比中获得对两种控制器件更加深刻的理解。虽然在大多数场合下，单片机和PLC（可编程逻辑控制器）可以互相替换，但同时也应注意实现的具体细节又有很大区别，单片机的工作电压一般较低，信号易受干扰，通常需要采用光电耦合的方式，隔离输入输出;单片机的驱动能力较弱，控制输出时需要借助放大设备和外接驱动电源。尽管PLC成本较高，但它有稳定性高、编程简单、驱动能力强、硬件实现简单、易于扩展等特点，通常在要求较高和系统较复杂的状况下，采用单片机实现起来最终的性价比反而会低于PLC。

通过以上教学组织和教学内容的调整，将单片机与学习比较，学生通常对单片机和PLC技术的理解会相对加深，同时也能锻炼学生将知识应用于实践的能力。在电气控制系统的控制模块的选择上，将会形成初步的认识。

3.2整体教学优势和需注意的问题

将两门课程在培养计划的教学顺序调整后，还需在具体教学过程中注意相关细节。一是单片机更多的应用于弱电系统，PLC在强电系统中应用较多，故在制定教学计划时强调它们之间的衔接。例如要重点突出单片机通过放大设备驱动继电器的知识点。二是课时安排。传统独立教学的总课时量为80课时，但实际将两门课整体衔接和对比教学过程中，效率有很大提高，可根据实际减少对基础知识的讲解，增加实践应用知识的占比。

4教学改革效果的验证

浙江海洋大学在2016年、2017年、2018年轮机工程专业的培养计划中，均设置有单片机原理及应用，PLC原理及应用课程。轮机工程专业共分为两个方向，轮机管理和船机修造方向。2017年、2018年在采用教学改革措施的过程中，选取了管理方向的班级为实验组，修造方向的班级作为对照组，依旧按照已有培养计划展开教学进程。（（PLC原理及其应用》课程所获得的的成绩优良比例（80分以上）。调整培养进程后的成绩对比，见表2。

从表2中可以看出2016年未调整培养进度，实验组和对照组课程的优良比例基本持平，但在2017年和2018年度实行对比教学的教学改革后，成绩优良率实验组有了较大提高。

针对轮机专业的特殊性，采用对比教学合并两门的课程所带来的优势。第一，减少重复学习的资源浪费。前文中提到，对于轮机专业，单片机和PLC原理及其应用课程除单独开课之外，分别在《轮机自动化》《船舶电气》课程中重复学习，很大部分原因在于多龙治水的弊病。轮机专业涉及热力学、机械、电气，知识较为庞杂，合并两门课程后，有利于改善教学计划的合理分配。第二，使知识体系结构更为清晰。通过比较学习，可以使很多概念、性质和应用更为明确，提高教学效率。第三，知识应用于实践的可操作性更强。在现在的自动化机舱控制系统中，往往应用PLC与单片机协同工作，单片机用于数据采集和传输，PLC用作系统控制。若两门课程并行分立，不利于理论与实践的联系。

5总结与展望

对比教学的教学方式在教学内容相近的课程中优势明显。但传统的培养模式往往是经过多年经验累积的结果，教学体系相对严谨，采用新的教学改革方案必然有很多考虑不周的地方。当前MOOC在线平台教学方式的兴起，新的教学管理模式也在不断演进。如何利用最新的教学技术，最优教学管理方式，对于电气控制技術课程这种强工科课程，还需在实践过程中进一步优化。

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