STEM教育在PLC控制的路燈項目中的應(yīng)用

肖志紅　袁有志　黃壯弟

摘要：STEM教育不同于傳統(tǒng)學科的知識教育，它是一種綜合性的探究教育。本項目是基于某個小區(qū)路燈控制的真實問題，教學組織包括“問題驅(qū)動、知識應(yīng)用和科學探究、作品設(shè)計和制作”等環(huán)節(jié);體現(xiàn)了教師主導、學生中心、理實一體、工學結(jié)合的職教理念，也實踐了STEM教育的跨學科理念。

關(guān)鍵詞：STEM教育;問題;探究

STEM教育不同于傳統(tǒng)學科的知識教育，它是一種綜合性的探究教育。不能僅僅把SETM理解為一種課程模式，還必須把它理解為與STEM課程相匹配的教學策略及設(shè)置這種課程的目的，完整地把握和理解STEM教育的內(nèi)涵與要求，以提升學生的STEM綜合性素養(yǎng)為主旨，科學、合理地實施STEM教育。

本項目是基于某個小區(qū)路燈控制的真實問題，從提出假設(shè)、認真求證，科學驗證，最終獲得成功;增強了學習者的自主性和創(chuàng)造性。教學組織包括“問題驅(qū)動、知識應(yīng)用和科學探究、作品設(shè)計和制作”等基本活動;過程體現(xiàn)了教師主導、學生中心、理實一體、工學結(jié)合的職教理念，也實踐了STEM教育的跨學科理念;取得了良好的教學效果。

一、問題提出

STEM學習是探究性學習，探究必須從問題開始，發(fā)現(xiàn)問題是STEM的開端。PLC控制的路燈電路的設(shè)計與調(diào)試是基于生活情景的真實問題，在錦秀世家小區(qū)路燈控制每天都需要保安操作，影響物業(yè)管理的效益，現(xiàn)物業(yè)公司決定對路燈控制電路用PLC進行改造，作為一名學生你可以做到嗎？

二、任務(wù)與要求

根據(jù)路燈控制的任務(wù)要求對項目所需器材進行選型，接線;列出I/O分配，畫出接線圖，編寫程序;安裝路燈電路并配合程序進行調(diào)試;正確使用工具，規(guī)范操作，安全用電。

三、知識運用與科學探究

科學假設(shè)是科學理論的一種可能表達。PLC控制的路燈電路的教學設(shè)計先運用定時器實現(xiàn)路燈的自動控制，經(jīng)過研究不太科學。老師引導學生再提出了用步進指令和計數(shù)器定時的方式來實現(xiàn)路燈自動控制的假設(shè)，學生通過編程、仿真、調(diào)試等過程進行科學求證。

路燈每天要智能開關(guān)燈，如何實現(xiàn)自動控制呢？定時指令T的學，如T0 K32767，常數(shù)范圍K不能大于32767。定時系數(shù)為0.1s，若選K30000，定時時間為3000S，可換算為50分鐘。1天為1440分鐘;如果用定時器實現(xiàn)，需要30個48分鐘的定時器，編寫的程序冗長，占用PLC存儲空間。可否用其它方式實現(xiàn)定時昵？

科學探究：用脈沖指令和計數(shù)器定時。M8012、M8013、M8014分別是對應(yīng)0.1s、1s、1m的脈沖，如果用1分鐘的脈沖控制計數(shù)指令CI00 K720，可計時720m（分鐘），即12h，如圖1所示。如果路燈接通12h，斷開12h，用兩組計數(shù)器就可以實現(xiàn)1天的控制。

四、作品設(shè)計與制作

STEM是一種基于證據(jù)的學習。標準是行動的指南，在PLC控制的路燈電路的實施過程中，教師提供了工程驗收標準，保證了作品的質(zhì)量，學生經(jīng)過綜合調(diào)試硬件和程序，在下午6：30分開燈，在第二天早上6：30分燈熄滅，連續(xù)觀察，每天都能準時開關(guān)燈，驗證了方案的可行性，小區(qū)路燈改造后，啟動一次，一勞永逸，解決了小區(qū)保安每天要重復(fù)開關(guān)燈的工作。為了節(jié)約時間，在教學過程中可用14.4S仿真代替24H。在驗證過程中，有個別小組完成不太順利，主要是軟件編程或接線上出現(xiàn)了一些問題，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終都獲得了成功，STEM教學生成度高、有效。產(chǎn)品設(shè)計與制作過程如下。

（一）I/O分配表

PLC的I/O分配見表1，可參考接線。

（二）程序編寫與仿真調(diào)試

打開GX Developer軟件，畫梯形圖，如圖2所示，可實現(xiàn)14.4S循環(huán)，24S控制如何實現(xiàn)？24h控制如何實現(xiàn)？要求學生遷移解決問題。

（三）作品制作

準備項目器材，按圖紙要求定件元件，正確使用工具接線，下載程序，調(diào)試，按下啟動按鈕SB1，HL1路燈能按要求自動運行，按下SB2停止。

五、收獲與努力方向

從提出問題到得出結(jié)論，是科學研究的完整過程。對于工程問題而言，要根據(jù)方案的實施情況對方案進行評估，驗證其效果，進行修正和完善，穩(wěn)定可靠運行。STEM作為一個教學策略，在作品設(shè)計制作、反思分享過程中，每個小組對路燈電路的設(shè)計與調(diào)試過程的問題、驗證和結(jié)論等進行了實踐，提升學習遷移能力;分享交流與評價過程中，產(chǎn)生新了新的觀點，發(fā)現(xiàn)了新的問題，如學生提出了一個小區(qū)有多條街要控制、冬夏白晝的時間差異、自動傳感感光等創(chuàng)造性的問題。在新的問題驅(qū)動下，學生反復(fù)經(jīng)歷完整的科學探究過程。部分小組程序編寫過程中實現(xiàn)了從驗證到創(chuàng)新的突破。通過PLC控制的路燈電路的設(shè)計與調(diào)試，培養(yǎng)了學生利用科學知識解決工程間題的能力。在STEM實踐與探索過程中，下一步要努力做到課程內(nèi)容與職業(yè)標準對接，教學過程與生產(chǎn)過程對接;融合STEM理念，深化職業(yè)教育人才培養(yǎng)模式改革。

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