新工科背景下《機電傳動與PLC控制》實踐教學與創(chuàng)新能力培養(yǎng)

周德強　陳延祥　盛衛(wèi)鋒　呂青　平雪良　宿磊

摘? 要：伴隨著“卓越計劃”的推進實施，中國高校開啟了新工科時代，高校正加快工程教育改革創(chuàng)新。本文以近幾年江南大學機械電子工程專業(yè)《機電傳動與PLC控制》的課程改革現(xiàn)狀與實踐教學為基礎(chǔ)，簡單介紹了江南大學《機電傳動與PLC控制》課程教學改革措施與方法，重點探討了面向機電專業(yè)的《機電傳動與PLC控制》實踐教學與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：機電傳動與PLC控制? 實踐教學? 創(chuàng)新能力? 機械電子工程

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0170-04

Abstract： With the implementation of the "Excellence Plan "， Chinese colleges and universities have opened a new era of engineering， and colleges and universities are speeding up the reform and innovation of engineering education. This paper focuses on the practical teaching and innovation ability training of Electromechanical Transmission and PLC Control， which is based on the current situation and practical teaching of the course reform of electromechanical and electronic engineering major in Jiangnan University in recent years.

Key Words： Electromechanical Transmission and PLC Control; Practical teaching; Innovation ability; Mechanical and electronic engineering

伴隨著《新工科研究與實踐項目指導指南》發(fā)布以及“中國制造2025”等重大戰(zhàn)略的實施，中國高校開啟了新工科時代，高校必須加快工程教育改革創(chuàng)新，促使我國盡快完成從工程教育大國向工程教育強國的轉(zhuǎn)變[1-2]。多所高校嘗試采用不同的實踐教學方法以提高教學效果，其中，西安交通大學李勇教授等在“力學測量與無損檢測”實驗教學中提出了PBL（問題導向式學習）教學法，實現(xiàn)課程實驗教學效果的有力提升[3];內(nèi)蒙古科技大學張春燕在電工學實踐教學中提出了基于“雨課堂”的電工學混合式實驗教學方法，取得了較好的實踐教學效果[4]。針對機電傳動與控制課程，各高校根據(jù)本校實際情況也進行了大量的課程改革與實踐探索：中國礦業(yè)大學丁海港等建成了國內(nèi)先進的《機電液綜合實驗》平臺，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神和實踐能力[5];濟南大學劉海寧等提出了基于Matlab/Simulink構(gòu)建系統(tǒng)完整的教學仿真試驗平臺，取得了較好的教學效果[6];杭州電子科技大學許明等將CDIO工程教育模式融入課程實踐教學，開發(fā)綜合實驗平臺，構(gòu)成三層次實踐即基本實驗（“看中學”）、設(shè)計性實驗（“做中學”）和開放性實驗（“用中學”），與工程實際有較好的對接，鍛煉了學生的系統(tǒng)設(shè)計及綜合應(yīng)用開發(fā)的能力[7]。

筆者所在江南大學機械電子工程專業(yè)作為首批“卓越計劃”專業(yè)積極響應(yīng)國家號召，以“高素質(zhì)、強能力的機電融合卓越創(chuàng)新人才”為培養(yǎng)目標，系統(tǒng)深入地開展了工程教育改革創(chuàng)新的探索與實踐[8]?！稒C電傳動與PLC控制》是江南大學機械電子工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，課程理論與實踐并重且相互結(jié)合，培養(yǎng)學生掌握機電傳動以及電氣與PLC控制的基礎(chǔ)理論知識。

本文以近幾年教學實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，歸納了機械電子工程專業(yè)《機電傳動與PLC控制》的課程改革現(xiàn)狀與實踐教學特點，重點探討了面向機電專業(yè)的《機電傳動與PLC控制》實踐教學體系完善與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

1? 課程改革現(xiàn)狀

《機電傳動與PLC控制》是筆者所在學校的一門卓越課程，課程改革體現(xiàn)于通過教學形式的改變使學生更有效地掌握課程理論知識并投入于實踐運用，將課程實踐嵌入于教學中，注重培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。課程改革后總分配學時為48學時，其中理論教學學時為38學時，實驗學時為8學時，實踐學時2學時。相比改革前的教學方案，改革后縮短理論教學學時限制至38學時，因此整合機電傳動控制、電氣與PLC控制等專業(yè)課內(nèi)容，重新組織教學內(nèi)容，使課程知識更加精煉詳實。除課程內(nèi)容改革進行了重組之外，作為卓越課程，采用小班教學、分組討論、加強學生課后交流、多采用動畫視頻等方面進行了教學形式上的更新，在理論教學方面取得了一定的教學效果[1]。

2? 深化課程實踐教學

2.1 課堂實驗教學

根據(jù)《機電傳動與PLC控制》總學時要求，實驗學時為8學時共四個實驗，包括電機正反轉(zhuǎn)與變頻器控制實驗、PLC認識實驗、交通信號燈控制實驗、皮帶運輸機的控制實驗，每個實驗2學時。其中，電動機正反轉(zhuǎn)與變頻器控制實驗要求掌握繼電器接觸器控制方式的基本環(huán)節(jié)，運用行程控制或時間控制實現(xiàn)電機和相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的控制，了解交流電動機變頻控制原理及使用方法;PLC認識實驗主要為閃爍電路，移位寄存器應(yīng)用，要求認識、熟悉PLC實驗系統(tǒng)及編程軟件的使用;十字路口交通信號燈的控制，要求掌握PLC定時器、計數(shù)器的應(yīng)用，學習編程技巧;皮帶運輸機的控制實驗，要求學生用定時器、移位寄存器等不同編程方法實現(xiàn)PLC對順序控制的編程。8學時的課堂實驗，有助于學生對課本基本知識的理解與掌握。

2.2 課外實踐教學

除要求8學時課堂實驗學時外，還安排有2學時的實踐學時，共兩項實踐內(nèi)容。（1）要求學生深入江南大學君遠工程中心、學校實習工廠或相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)、實訓用生產(chǎn)機械設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)，對照課程所學知識，選擇性了解掌握相應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)。（2）要求學生合作完成從設(shè)計到選型購買到制作編程的課程相關(guān)的專題制作。實踐內(nèi)容學生利用課外時間組隊完成，最終在課程結(jié)束前安排2學時，以小組匯報的形式總結(jié)分享。

通過以上課堂實驗教學與課外實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)，培養(yǎng)了學生的實踐動手和靈活運用知識的能力，有助于徹底理解課本知識，并使學生具有一定的創(chuàng)新能力。

3? 基于綜合實訓的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)

卓越工程師計劃對高校人才培養(yǎng)提出了更深刻的要求，除學習系統(tǒng)的專業(yè)知識外，也應(yīng)具有過硬的基本專業(yè)技能，具備實踐創(chuàng)新能力，具有作為工程師的基本素質(zhì)，因此為進一步使教學與工程實際接軌、增強學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，在傳統(tǒng)課堂教學以外，江南大學機械電子工程專業(yè)在實踐教學方面，增加了集中實訓環(huán)節(jié)，主要進行了三大方面的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，即PLC綜合自動化實踐、檢測與控制實踐、機器人應(yīng)用實踐。其中，PLC綜合自動化實踐主要面向《機電傳動與PLC控制》課程的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

3.1 綜合實訓內(nèi)容體系

PLC綜合自動化實訓環(huán)節(jié)的總時間為2周，實際有效天數(shù)10d，依托亞龍YL235APLC綜合實踐平臺以工程項目為導向進行開展，綜合實踐平臺如圖1所示，包括了生產(chǎn)實踐中常用的理料、機械手抓取搬運、傳送帶輸送檢測分選、觸摸屏人機交互、PLC控制編程等環(huán)節(jié)，整機工作模擬還原了實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

實踐任務(wù)安排包括認識熟悉平臺裝置、組裝與調(diào)整、程序設(shè)計與軟件調(diào)試、設(shè)備聯(lián)機調(diào)試、考核驗收等環(huán)節(jié)。通過綜合實訓使同學們能夠針對機電一體化領(lǐng)域復雜工程問題進行系統(tǒng)或工藝流程設(shè)計，在設(shè)計中培養(yǎng)創(chuàng)新意識。在實踐任務(wù)的安排中，采用由點及面，由環(huán)節(jié)到整體的實驗設(shè)計思路。

在實訓開始階段，通過一系列的設(shè)計性實驗，如針對傳感器、驅(qū)動部件、多設(shè)備TCP/IP通訊等小環(huán)節(jié)的實驗，引導學生運用課程所學的知識進行思考設(shè)計和編程工作;針對實訓中遇到的問題鼓勵學生主動思考，引導學生查閱文獻和相關(guān)資料，激勵學生探究未知，自行解決問題，在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中，不斷強化理論知識和創(chuàng)新能力。

完成初階段的任務(wù)導向型實驗后，學生已具備對于常用機電元器件基本的使用能力和對PLC較強的程序設(shè)計和編程調(diào)試能力。之后學生將以2人小組的形式完成整個實驗裝置的編程調(diào)試工作，整機調(diào)試著重于整個系統(tǒng)間的任務(wù)協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋瑑扇撕献饕矊⑴囵B(yǎng)學生的分析解決問題能力和團隊協(xié)作能力。

3.2 全面化考評體系

在考核方面，筆者不斷完善綜合實踐考評體系。豐富考核形式，不再局限于實驗報告，而是從多個方面進行考核：（1）首先更注重實驗的過程，對實驗過程中各功能塊的成果進行驗收，確保實驗的順利進展;（2）注重實驗紀律和實驗態(tài)度的評價;（3）實驗報告和各階段的答辯的考評。通過以上考核內(nèi)容，達到對學生的綜合評定，從而培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，為學生下一步進入企業(yè)實習在較短時間內(nèi)都能適應(yīng)和勝任機電裝備、生產(chǎn)線等機電系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試等任務(wù)。

3.3 實踐平臺創(chuàng)新

創(chuàng)新不僅僅是對于學生而言，筆者學校也在加強實驗教學體系和教學模式上的創(chuàng)新，不斷對實驗室設(shè)備進行了更新，淘汰了原先的S7-200和200SMART， 統(tǒng)一采購時下熱門的西門子S7-1200PLC，并在每個實驗臺電腦上安裝了博圖V15，創(chuàng)新前沿的硬件平臺，不僅有助于提高實驗內(nèi)容的創(chuàng)造性，拓展學生的思維和視野，也能夠提高學生的主動性和學習興趣，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識。

4? 結(jié)語

本文結(jié)合筆者近幾年教學實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，歸納了機械電子工程專業(yè)《機電傳動與PLC控制》的課程改革現(xiàn)狀與實踐教學特點，重點探討了面向機電專業(yè)的《機電傳動與PLC控制》實踐教學與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。通過課程實驗教學、實踐教學以及PLC綜合自動化實踐訓練，逐步鍛煉學生的綜合分析能力、實驗動手能力和工程實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)學生嚴謹求實、探索創(chuàng)新、團隊協(xié)作的精神，從而達到培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。為下一步學生進入企業(yè)實習在較短時間內(nèi)都能適應(yīng)和勝任機電裝備、生產(chǎn)線等機電系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試等任務(wù)。

參考文獻

[1] 呂青，平雪良.新工科背景下“機電傳動與PLC控制”卓越課程改革[J].教育教學論壇，2020（12）：132-133.

[2] 楊丙輝，丁慧萍，閆樹軍，等.機電傳動與控制課程實驗教學改革與探索[J].科技視界，2019（11）：97-98.

[3] 李勇，張改慧，陳振茂.PBL教學法在“力學測量與無損檢測”實驗教學中的應(yīng)用初探—以金屬構(gòu)件渦流測厚為例[J].科技創(chuàng)新導報，2019（33）：196-197.

[4] 張春燕.基于“雨課堂”的電工學混合式實驗教學的研究與實踐[J].科技創(chuàng)新導報，2020（17）：208-210.

[5] 丁海港，趙繼云，沈剛，等.《機電液控制綜合實驗》課程教學研究與探索[J].教育現(xiàn)代化，2018，9（39）：191-193.

[6] 劉海寧，張金凱，王娜，等.《機電傳動與控制》教學仿真試驗平臺的建設(shè)與應(yīng)用[J].科技視界，2018（19）：150-151.

[7] 許明，倪敬，孫珺，等.機電傳動與控制開放式綜合實驗平臺開發(fā)及實踐教學應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2017，36（6）：196-200.

[8] 蔣毅，章軍，平雪良，等. 機械電子工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學初探[J]. 科技視界，2015（19）：114.