基于OBE理念的工廠電氣控制拓展性實驗探索

程衛(wèi)東 鹿芳媛 鄭元坤

摘? 要 以工程教育認證相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求為課程教學(xué)改革目標(biāo)，對工廠電氣控制課程進行理實一體化綜合教學(xué)實驗改革。從工程教育通用標(biāo)準(zhǔn)課程體系中對工程實踐的相關(guān)要求，支持條件中對教室、實驗室及設(shè)備的要求兩個方面，對基礎(chǔ)實驗進行拓展性綜合設(shè)計論證。通過相關(guān)教學(xué)實踐活動，獲得預(yù)期的改革效果。

關(guān)鍵詞 理實一體化教學(xué)法;拓展實驗;工程教育認證;工廠電氣控制;實驗室;實驗設(shè)備;OBE

中圖分類號：G642? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）22-0124-04

Based on OBE Concept Extended Experimental Exploration of Industrial Electrical Control Technology//CHENG Weidong， LU Fangyuan， ZHENG Yuankun

Abstract The teaching reform aims at the related standards of engi-neering education certification. The course of Electric Control Tech-nology in Industry has been reformed by integrative teaching and experiment. Based on the relevant requirements of engineering prac-tice in the general standard curriculum system of engineering edu-cation and the requirements of classroom， laboratory and equipment in the supporting conditions， this paper demonstrates the extensive comprehensive design of basic experiments. Through the relevant teaching practice， the expected reform effect has been obtained.

Key words integration of theory and practice teaching method; ex-panding experiment; engineering education certification; electric con-trol technology in industry; laboratory; experimental equipment; out-comes-based education

1 前言

OBE（Outcomes-Based Education）是指教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施的目標(biāo)是學(xué)生通過教育過程最后取得學(xué)習(xí)成果[1]。理實一體化教學(xué)法即理論實踐一體化教學(xué)法。理實一體化實驗室（教室）教學(xué)環(huán)節(jié)相對集中，任課教師同時是實驗教學(xué)執(zhí)行人和負責(zé)人，將理論知識融于實驗教學(xué)中，理論教學(xué)與實驗驗證反復(fù)交叉、融為一體，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)和實驗（實踐）過程中理解理論知識、掌握技能、增強學(xué)習(xí)的主動性、提高學(xué)習(xí)興趣，在理論和實踐連續(xù)交互螺旋上升過程中完成學(xué)習(xí)積累。這樣就最大限度地契合了學(xué)習(xí)規(guī)律，突出學(xué)生的主體地位，激發(fā)學(xué)生探究式學(xué)習(xí)潛力，讓學(xué)生在不斷鞏固知識、積累工程能力的過程中達到事半功倍的效果。

機電課程群以傳感器及檢測技術(shù)、工廠電氣控制、機電系統(tǒng)設(shè)計課程為主，兼顧電工、電子技術(shù)基礎(chǔ)理論，擴大涵蓋液壓與氣壓傳動、控制電機等課程的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用。在機電課程群理實一體化實驗室（教室）中，各課程間可共享實驗資源，相關(guān)課程實驗設(shè)備按臺套分區(qū)布置、40卡座（1或2人組）。本文以普通高等學(xué)校機械類專業(yè)工廠電氣控制課程為對象，進行理實一體化教學(xué)模式下的拓展性實驗項目的綜合改革探索。

拓展性綜合實驗項目是在機電課程群理實一體化實驗室（教室）的基礎(chǔ)上，挖掘?qū)嶒炘O(shè)備潛力，通過學(xué)生自主拓展性實驗設(shè)計（實施），從項目設(shè)計、工程應(yīng)用兩方面著手培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用的基礎(chǔ)能力。拓展性實驗屬于綜合設(shè)計性實驗項目。

2 相關(guān)基本術(shù)語及拓展性實驗設(shè)計原則

開展拓展性綜合實驗的一般術(shù)語? 為清楚表達綜合性實驗設(shè)計及實施過程，將對應(yīng)的基礎(chǔ)實驗和拓展性實驗的基本術(shù)語進行定義。

基礎(chǔ)實驗：常規(guī)驗證性實驗。

前導(dǎo)基礎(chǔ)實驗：擬在基礎(chǔ)實驗項目上進行拓展實驗的基礎(chǔ)實驗。

拓展實驗項目：在相關(guān)的基礎(chǔ)實驗基礎(chǔ)上擬進行的拓展性實驗設(shè)計、實施的實驗項目。

最小系統(tǒng)：拓展實驗以PLC為核心的實操步進式進階過程中，設(shè)計調(diào)試只接通滿足本階段實操及調(diào)試所接入（通電）的電氣設(shè)備。

拓展性綜合實驗題目設(shè)計原則? 在充分論證相關(guān)實驗設(shè)備的可行性條件下，給出拓展性綜合實驗的題目，題目來源從以下幾個方面考慮。

1）拓展性綜合實驗題目設(shè)計與實驗包含的技術(shù)應(yīng)用的密集度、通用度。

2）現(xiàn)有機電課程群理實一體化實驗室（教室）條件下的拓展性綜合實驗題目設(shè)計難度和可執(zhí)行度。

3）綜合性實驗項目設(shè)計及實驗驗證對一般性工程應(yīng)用是否具有指導(dǎo)意義？

4）拓展性實驗設(shè)計和開展過程中，節(jié)點和進程控制的技術(shù)進階式、過程性的工程經(jīng)驗積累。

5）必要的保護裝置以保證人身及實驗設(shè)備安全。

3 前導(dǎo)基礎(chǔ)實驗設(shè)備及項目

基礎(chǔ)實驗共用設(shè)備? 三相異步電機（JW6314）+旋轉(zhuǎn)編碼器（E6B2-CWZ5C，NPN型），以下簡稱“三相異步電機模塊”;3位按鈕盒，1只;3色信號燈（交流220 V），1只;漏電斷路器NXBLE-63（4P 6 A），1只;明緯導(dǎo)軌式開關(guān)電源NDR-240W-24V，1只;24 V繼電器模組模塊（4路），1只;電機香蕉插接線一套，控制線路電線若干;必備接線工具、輔料若干。

理實一體化實驗室（教室）實驗1區(qū)設(shè)備? 本區(qū)設(shè)備主要用于常規(guī)電氣的基礎(chǔ)性實驗驗證?？紤]到前導(dǎo)課程電工學(xué)課程三相異步電機部分的實驗安排，本理實一體化實驗室（教室）從電機正反轉(zhuǎn)實驗開始切入。

1）實驗1區(qū)正反轉(zhuǎn)實驗設(shè)備：斷路器NXB-63（3P D6），

1只;熔斷器RT28N-32X 2P，1只;交流接觸器CJX1-12/22

三相380 V，2只;熱過載繼電器JR36-20（0.32～0.5 A），1只;3位接線端子，1只。

2）實驗1區(qū)星—三角實驗設(shè)備：斷路器NXB-63（3P、D6），1只;交流接觸器CJX2-1210三相380 V，1只;交流接觸器CJX2-1201三相380 V，1只;熱過載繼電器NR2-12（0.63～1 A），1只;時間繼電器JSZ3C-E 5-60S 380 V，

1只;交流接觸器輔助觸頭組F4-11，1只;交流接觸器輔助觸頭組F4-22，2只;6位接線端子，1只。

3）實驗1區(qū)變頻調(diào)速控制設(shè)備：斷路器NXB-63（3P D6），1只;英威騰GD200A-0R7G-4變頻器，1只。

學(xué)生開展拓展性實驗設(shè)計的基本條件? 堅持前導(dǎo)基礎(chǔ)實驗相關(guān)節(jié)點實驗任務(wù)及實驗效果評價與拓展實驗項目申請相結(jié)合的拓展性實驗準(zhǔn)入原則。拓展實驗在教學(xué)中的組織實施流程：以項目方式實施，填寫擬進行的拓展實驗項目申請表（2人/組）;任課教師或?qū)嶒炤o導(dǎo)教師根據(jù)申請人相應(yīng)拓展實驗任務(wù)前導(dǎo)基礎(chǔ)實驗節(jié)點實驗綜合評價（包括相關(guān)基礎(chǔ)實驗及報告的質(zhì)量;實驗操作過程是否存在瑕疵，是否已糾正），允許合格者方可著手進行拓展實驗項目相關(guān)實驗材料、實驗方案（已分配課程群機電理實一體化實驗室固定實驗臺號）的準(zhǔn)備。

拓展實驗用設(shè)備：實驗2區(qū)PLC（S7-200 SMART SR20），

1只;HMI（SMART LINE 700IE V3）7寸彩色，1只。

拓展實驗準(zhǔn)備及流程? 拓展實驗設(shè)置是在基礎(chǔ)實驗基礎(chǔ)上衍生而來的技術(shù)綜合及工程融合。

1）實驗設(shè)備技術(shù)資料準(zhǔn)備、電路設(shè)計、相關(guān)程序、關(guān)鍵技術(shù)、解決方案及步進硬件最小單元搭建等相關(guān)技術(shù)文檔撰寫。

2）相關(guān)技術(shù)文檔提交任課教師審核并簽字。

3）最小單元硬件條件搭建完畢，需參照撰寫的相關(guān)技術(shù)文檔自查，同時提交軟件聯(lián)機調(diào)試程序，并經(jīng)實驗室任課教師（或相關(guān)實驗人員）審核通過，在程序清單審核處簽字后進入分步最小系統(tǒng)硬件搭建和聯(lián)機調(diào)試實驗及驗證。

4）獲得有效調(diào)試結(jié)果，整理提交相關(guān)技術(shù)文檔。

拓展實驗結(jié)束后處理? 培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的實驗室管理和實驗文檔成果的備案制，為綜合性實驗持續(xù)改進提供可評估的技術(shù)文檔庫。

1）拓展實驗取得預(yù)期效果無瑕疵，結(jié)束拓展實驗。

2）設(shè)備搭建全部恢復(fù)為基礎(chǔ)實驗狀態(tài)。

3）整理合格技術(shù)文檔，形成實驗報告并上交備案。

4）根據(jù)提交的技術(shù)材料質(zhì)量和基礎(chǔ)實驗過程中展現(xiàn)的實操能力進行綜合考核，評定拓展實驗環(huán)節(jié)成績。

4 支持拓展實驗設(shè)計的常規(guī)基礎(chǔ)實驗

1）前導(dǎo)基礎(chǔ)實驗1：三相異步電機正反轉(zhuǎn)實驗。實驗內(nèi)容原理：具有機械、電氣互鎖的正反轉(zhuǎn)控制線路。

2）前導(dǎo)基礎(chǔ)實驗2：三相異步電機星—三角起動實驗[2]（非國家標(biāo)準(zhǔn)推薦圖紙）。原理圖見圖1。

3）前導(dǎo)基礎(chǔ)實驗3：變頻器面板操控、接線端子、簡易可編程多段速控制。

4）基礎(chǔ)性綜合實驗：PLC硬件及編程軟件認知綜合性驗證（最小系統(tǒng)）實驗。其中包括前導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)實驗1的PLC軟件實現(xiàn)及硬件調(diào)試、按前導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)實驗2原理圖完全仿制的PLC程序關(guān)于能流反向及其處理、前導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)實驗3的PLC—旋轉(zhuǎn)編碼器測試電機速度的相關(guān)編程及實驗驗證。本實驗是綜合拓展性實驗的設(shè)備、技術(shù)基礎(chǔ)。

5 PLC為核心的基礎(chǔ)實驗拓展設(shè)計

拓展性實驗以基礎(chǔ)實驗為前導(dǎo)任務(wù)，融入PLC控制與變頻器通信、云端遠程、本地觸摸屏及組態(tài)軟件等自動化控制系統(tǒng)元素。

拓展性實驗設(shè)計原則：選取適當(dāng)技術(shù)密集度，采用技術(shù)遞進、逐漸接軌工程應(yīng)用，充分滿足“學(xué)生中心、目標(biāo)導(dǎo)向、持續(xù)改進”的工程教育認證要求。

必備基本相關(guān)原理圖包括PLC硬件接線圖、I/O表、PLC程序。采用梯形圖全仿制編程。遇到能流反向問題，在保持全部邏輯控制關(guān)系的條件下，進行梯形圖變形和優(yōu)化。

拓展實驗1：三相異步電機反接制動實驗? 在前導(dǎo)基礎(chǔ)實驗1的基礎(chǔ)上進行拓展。PLC控制三相異步電機正反轉(zhuǎn)起動，并采用速度原則反接制動停車，每步實驗驗證均采用最小系統(tǒng)進行。

1）S7-200 SMART軟件編程及聯(lián)機調(diào)試（PLC輸入、輸出均不外接設(shè)備——最小單元硬件接線）。

2）輸出接直流24 V電源，驅(qū)動中間繼電器工作。

3）中間繼電器觸點接交流380 V外部控制電源驅(qū)動接觸器工作。

4）程序操控正、反轉(zhuǎn)接觸器動作，驗證程序互鎖。

5）旋轉(zhuǎn)編碼器測速程序引入后的制動特征信號。

6）速度原則的制動程序環(huán)節(jié)軟、硬件環(huán)節(jié)程序調(diào)試。

7）接通正反轉(zhuǎn)主回路斷路器，進行完全通電實驗。

拓展實驗2：可逆星—三角起動制動實驗? 在前導(dǎo)基礎(chǔ)實驗2的基礎(chǔ)上進行拓展。PLC控制三相異步電機正反轉(zhuǎn)減壓起動，并采用速度原則星形反接制動停車，每步實驗驗證均采用最小系統(tǒng)進行。

1）S7-200 SMART軟件編程及聯(lián)機調(diào)試（PLC輸入、輸出最小單元接線）;仿制給定的可逆星—三角起動制動原理圖如圖2所示（或獨立采用PLC編程），編制梯形圖程序[3];采用最小系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試。

2）輸出接直流24 V電源，驅(qū)動中間繼電器工作。

3）中間繼電器觸點接交流380 V外部控制電源驅(qū)動接觸器工作線圈。

4）程序操控星—三角接觸器線圈，驗證互鎖、聯(lián)鎖。

5）速度原則的制動程序。拓展實驗1的測速環(huán)節(jié)工程應(yīng)用加強。

6）接通星—三角主回路斷路器，進行該拓展實驗的完全通電實驗驗證。

拓展實驗3：PLC與變頻器MODBUS RTU通信? 在前導(dǎo)基礎(chǔ)實驗3、4的基礎(chǔ)上進行拓展。PLC、變頻器采用主從MODBUS RTU通信協(xié)議，HMI與PLC通過TCP/IP協(xié)議通信。完成人機交互對變頻器的起停、調(diào)速控制。進一步HMI編程可進行運行參數(shù)的顯示組態(tài)。

1）PLC采用MODBUS RTU通信協(xié)議的軟件編程，PLC與變頻器的RS-485硬件接線。

2）PLC通信初始化及通信程序編制。

3）變頻器通信相關(guān)參數(shù)的面板設(shè)置。

4）MODBUS RTU主從通信聯(lián)機調(diào)試。

5）網(wǎng)線連接工業(yè)交換機、S7-200 SMART、HMI。

6）HMI組態(tài)開發(fā)、設(shè)計，完成與PLC通信。

7）全部系統(tǒng)完全聯(lián)機調(diào)試。

6 拓展性綜合實驗對應(yīng)的學(xué)習(xí)業(yè)績考核

基礎(chǔ)性實驗在理實一體化課程中進行，拓展性實驗三選一。為加強實驗環(huán)節(jié)學(xué)生自主設(shè)計的積極性，拓展性綜合實驗可作為項目驅(qū)動教學(xué)、課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)的加強性考核指標(biāo)，以期達到拓展性實驗的設(shè)置目標(biāo)。同時，學(xué)生的業(yè)績考評可延伸到相關(guān)的企業(yè)實習(xí)綜合考評中，使得學(xué)生每一階段的學(xué)習(xí)和工程認知在基礎(chǔ)工程能力培養(yǎng)上連續(xù)加強。拓展性綜合實驗可合并，連續(xù)計入后續(xù)各學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)業(yè)績：

1）本課程教學(xué)環(huán)節(jié)綜合考核優(yōu)秀的必備條件;

2）在本課程實踐環(huán)節(jié)工廠電氣控制課程設(shè)計中考核評定優(yōu)秀課程設(shè)計的基本條件之一;

3）作為相關(guān)企業(yè)實習(xí)成績評定的綜合成績按權(quán)重合并考核。

7 結(jié)語

以機電課程群中工廠電氣控制課程為例，基于OBE理念對課程基礎(chǔ)實驗環(huán)節(jié)進行拓展性綜合實驗項目的設(shè)計。通過基礎(chǔ)實驗和拓展性綜合實驗，學(xué)生在理實一體化實驗室（教室）可完八個以上的實驗驗證和綜合性設(shè)計實驗環(huán)節(jié)，在課程主動學(xué)習(xí)過程中加強實驗環(huán)節(jié)獨立設(shè)計、安裝、調(diào)試、撰寫技術(shù)文檔等工程應(yīng)用能力鍛煉，為培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力奠定技術(shù)基礎(chǔ)[4]。采用理實一體化教學(xué)手段，對機電課程群相關(guān)課程的教學(xué)實驗方法進行整合和綜合改革探索，充分滿足以學(xué)生為中心、以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向的工程教育要求?！?/p>

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