基于STEM教育理念的中職PLC技術(shù)應(yīng)用課程創(chuàng)新與案例設(shè)計(jì)

許觀華

【摘要】在PLC技術(shù)應(yīng)用課堂中，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目分析、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目拓展和項(xiàng)目評(píng)價(jià)的能力，使學(xué)生在做中學(xué)，讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體?；赟TEM教育理念的中職PLC技術(shù)應(yīng)用課程，是以SETM教育理念下課程改革為切入點(diǎn)，對(duì)PLC技術(shù)應(yīng)用課堂教學(xué)模式提出創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法。并以“物料傳送檢測(cè)系統(tǒng)PLC控制”為具體的設(shè)計(jì)案例結(jié)合教學(xué)模式闡述利用STEM理念下進(jìn)行的教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】STEM教育理念;中職PLC技術(shù);案例設(shè)計(jì)

一、中職PLC技術(shù)應(yīng)用教學(xué)中存在的問(wèn)題

中職PLC技術(shù)應(yīng)用教學(xué)的現(xiàn)狀，中職PLC技術(shù)應(yīng)用課堂已進(jìn)行了教學(xué)改革，但在PLC教學(xué)實(shí)踐中仍存在學(xué)生對(duì)PLC新的知識(shí)遷移和創(chuàng)新能力不強(qiáng)，在課堂上參與性不足等問(wèn)題。新的課程改革在落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)、加強(qiáng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的大背景下，切實(shí)以落實(shí)中職學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，積極變革教學(xué)模式與評(píng)價(jià)方式，加強(qiáng)推動(dòng)STEM教育的PLC技術(shù)應(yīng)用的課程研究與實(shí)踐。目前，大多數(shù)課堂仍只重視理論知識(shí)的講解，忽視了全面深入落實(shí)改革目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)PLC技術(shù)應(yīng)用課程的三維目標(biāo)。在PLC技術(shù)應(yīng)用課程中需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)工程應(yīng)用的情境來(lái)拓寬學(xué)生思維，才能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化學(xué)生的知識(shí)遷移力和創(chuàng)新能力;需要注意在課堂設(shè)計(jì)中明確學(xué)生的主體地位，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和參與性，才能實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀念、職業(yè)素質(zhì)與人文素養(yǎng)。

二、STEM教育理念

STEM教育強(qiáng)調(diào)課堂設(shè)計(jì)的參與性和拓展延申性，意在開(kāi)發(fā)學(xué)生潛在的遷移能力、創(chuàng)新思維能力。在課堂上，以學(xué)生為本，教師為輔，意在培養(yǎng)未來(lái)能夠主導(dǎo)電氣設(shè)備運(yùn)行控制等行業(yè)發(fā)展的綜合性人才。將STEM中四個(gè)學(xué)科融合到PLC學(xué)科中是學(xué)生學(xué)習(xí)PLC技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新性人才必備的關(guān)鍵所在。因此，STEM教育理念下PLC技術(shù)應(yīng)用課程，STEM就像助力器，加速中職專業(yè)課程改革的進(jìn)程。

三、基于STEM教育理念的PLC技術(shù)應(yīng)用課程改革

為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新科技素養(yǎng)，落實(shí)課程改革的有效途徑，設(shè)計(jì)具有學(xué)科特色的STEM課程是踐行STEM教育理念的關(guān)鍵。2014年，美國(guó)國(guó)際技術(shù)與工程教育學(xué)會(huì)提出的落實(shí)STEM教育的活動(dòng)模式的6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式。其六個(gè)階段分別為： 參與、探索、解釋、工程、深化、評(píng)價(jià)。6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式結(jié)合了科學(xué)炭疽活動(dòng)和工程應(yīng)用的實(shí)踐，重視學(xué)生在分析和解決真實(shí)情境的問(wèn)題中，運(yùn)用跨學(xué)科的知識(shí)，主動(dòng)完成學(xué)習(xí)和自主設(shè)計(jì)的循環(huán)過(guò)程，解決項(xiàng)目任務(wù)中的問(wèn)題。結(jié)合PLC技術(shù)應(yīng)用課程的實(shí)際，提出了學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目分析、探究、設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試、優(yōu)化、評(píng)價(jià)的課堂活動(dòng)模式，使學(xué)生掌握開(kāi)展STEM活動(dòng)下PLC相關(guān)知識(shí)的理性認(rèn)知和有效方法，并能將PLC的理性認(rèn)識(shí)、科學(xué)的方法、技術(shù)設(shè)計(jì)和工程思維向PLC學(xué)科中進(jìn)行知識(shí)遷移和拓展。

四、基于STEM教育理念的中職PLC技術(shù)應(yīng)用

為加深學(xué)生對(duì)變頻、傳感器與PLC綜合技術(shù)應(yīng)用的認(rèn)知，以STEM教育模式設(shè)計(jì)出“物料傳送檢測(cè)系統(tǒng)”的教學(xué)案例。

（一）課前

1.準(zhǔn)備教學(xué)資源與器材

多媒體平臺(tái)、物料傳送系統(tǒng)在快遞產(chǎn)業(yè)分揀快遞的應(yīng)用視頻、物料傳送檢測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目演示微視頻、WORK2編程軟件、YL235A機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)設(shè)備、三相異步電動(dòng)機(jī)、萬(wàn)用表、E740變頻器、光電和光纖傳感器、導(dǎo)線和任務(wù)指導(dǎo)書(shū)等。

2.設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)

物料傳送檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)金屬物料和非金屬物料。按下啟動(dòng)按鈕SB1，物料傳送皮帶在15Hz的頻率控制下運(yùn)行;當(dāng)傳送帶入料口的光電傳感器檢測(cè)到物料后，物料傳送皮帶在35Hz的頻率控制下運(yùn)行。如果是金屬物料則運(yùn)行到檢測(cè)位置I傳送皮帶停止運(yùn)行，如果是非金屬物料則運(yùn)行到檢測(cè)位置II傳送帶停止運(yùn)行。傳送帶上的物料被取走后，再以15Hz的頻率控制繼續(xù)運(yùn)行，準(zhǔn)備進(jìn)行下一物料的檢測(cè)。按下停止按鈕SB2，在物料檢測(cè)系統(tǒng)完成當(dāng)前物料后系統(tǒng)停止工作。

3.設(shè)計(jì)活動(dòng)目標(biāo)

在PLC相關(guān)知識(shí)層面上，以PLC技術(shù)應(yīng)用學(xué)科的變頻器和PLC為主體知識(shí)。通過(guò)物料傳送檢測(cè)系統(tǒng)典型案例——分揀金屬和非金屬物料，促進(jìn)學(xué)生對(duì)檢測(cè)與分揀的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，利用不同傳感器進(jìn)行檢測(cè)不同屬性的物料，提高知識(shí)的理解和運(yùn)用。同時(shí)又整合了檢測(cè)學(xué)科的知識(shí)，要求學(xué)生了解傳感器檢測(cè)原理。

在技術(shù)層面上主要是通過(guò)變頻器技術(shù)實(shí)現(xiàn)物料傳送檢測(cè)系統(tǒng)中控制皮帶運(yùn)行速度中的速度變化;傳感器檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物料和非金屬物料的檢測(cè);氣動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)物料分揀到相應(yīng)的料槽中;PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器、傳感器和氣動(dòng)控制的自動(dòng)化控制。要求學(xué)生掌握四種技術(shù)的技術(shù)要領(lǐng)。學(xué)生操作完成綜合技術(shù)的操作基礎(chǔ)上分析技術(shù)在項(xiàng)目實(shí)施中所起動(dòng)的重要作用。

在工程層面上主要是通過(guò)在小組團(tuán)隊(duì)合作的基礎(chǔ)上解決工程問(wèn)題，用所學(xué)的PLC的知識(shí)和技術(shù)來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題。通過(guò)小組內(nèi)部的有效溝通，掌握PLC與變頻器技術(shù)、傳感器技術(shù)和氣動(dòng)控制技術(shù)的融合，現(xiàn)實(shí)物料傳送檢測(cè)系統(tǒng)的控制。

在數(shù)學(xué)層面上主要涉及變頻器參數(shù)設(shè)置、傳送帶速度的變化以及基于變頻器參數(shù)數(shù)據(jù)及結(jié)果的推理分析的能力。主要通過(guò)數(shù)學(xué)的應(yīng)用提升學(xué)生在PLC技術(shù)應(yīng)用中數(shù)學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思維以及數(shù)學(xué)應(yīng)用的能力。

（二）課中實(shí)施

教師通過(guò)導(dǎo)入工程用的情景“物料傳動(dòng)系統(tǒng)在快遞產(chǎn)業(yè)分揀快遞的應(yīng)用”視頻作為課堂引入，營(yíng)造具有工程項(xiàng)目案例化的真實(shí)學(xué)習(xí)情境，從而引出項(xiàng)目任務(wù)。

1.項(xiàng)目分析（參與階段）

學(xué)生通過(guò)觀看物料傳送檢測(cè)系統(tǒng)視頻演示理解項(xiàng)目任務(wù)的控制要求，明確光纖傳感器用來(lái)檢測(cè)非金屬物料、電感傳感器用來(lái)檢測(cè)金屬物料，物料皮帶的速度15Hz、35Hz兩種不同的速度通過(guò)變頻器參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法。PLC編程則采用順序控制的方法編寫梯形圖程序。

2.探究（探索階段）

探究活動(dòng)1：學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，拆卸變頻器外殼，探究變頻器的組成。通過(guò)探究活動(dòng)，學(xué)生認(rèn)識(shí)變頻器的PU面板操作模式、外部操作模式、組合操作和網(wǎng)絡(luò)操作模式;掌握面板上的頻率、電壓和電流指示燈的切換;掌握按鍵和各種接口功能。

探究活動(dòng)2：學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，翻閱E740變頻器使用手冊(cè)探究變頻器各個(gè)端子的作用，掌握各個(gè)端子的功能。在操作規(guī)程的指引和教師的指導(dǎo)下，學(xué)生進(jìn)行主回路和控制回路的接線。

探究活動(dòng)3：小組學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行變頻器參數(shù)設(shè)置，學(xué)會(huì)使用變頻器PU操作和外部端子手動(dòng)控制三相異步電動(dòng)機(jī)，從而學(xué)會(huì)變頻器參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.設(shè)計(jì)（解釋階段）

學(xué)生以小組為單位，合作完成項(xiàng)目實(shí)施方案的設(shè)計(jì)，確定I/0分配表、設(shè)置變頻器參數(shù)、選擇任務(wù)所需材料及工具，利用WORK2軟件編寫PLC控制物料傳送檢測(cè)系統(tǒng)的程序。教師結(jié)合學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)的方案，講解涉及到PLC的相關(guān)知識(shí)，填補(bǔ)學(xué)生PLC相關(guān)知識(shí)。通過(guò)小組討論引導(dǎo)學(xué)生組內(nèi)討論、交流找到方案設(shè)計(jì)的不足，并幫助學(xué)生找到問(wèn)題所在，小組團(tuán)隊(duì)完善組內(nèi)的方案。各學(xué)習(xí)小組上臺(tái)解釋方案設(shè)計(jì)的意圖，從I/O分配、變頻器參數(shù)設(shè)置、PLC程序功能等方面詳細(xì)說(shuō)明，教師對(duì)方案的可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.安裝與調(diào)試（工程階段）

學(xué)生小組安裝與調(diào)試物料傳送與檢測(cè)系統(tǒng)。在學(xué)生安裝與調(diào)試過(guò)程中，教師要及時(shí)解答學(xué)生在安裝與調(diào)試過(guò)程中的疑問(wèn)，指引學(xué)生在方案實(shí)施階段要安裝操作流程安全操作，高質(zhì)量地完成項(xiàng)目安裝與調(diào)試。在調(diào)試的過(guò)程中，學(xué)生要嘗試團(tuán)隊(duì)利用所學(xué)的知識(shí)實(shí)施制作方案，運(yùn)用STEM理念進(jìn)行學(xué)科融合的觀點(diǎn)，直至把物料傳送檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)試成功。

5.優(yōu)化（深化階段）

教師提升分揀檢測(cè)系統(tǒng)制作難度：為提高機(jī)械的工作效率，將分揀系統(tǒng)檢測(cè)金屬、白色物料和黑色物料等不同物料。教師提出新的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行PLC技術(shù)應(yīng)用知識(shí)和技能的遷移，以應(yīng)對(duì)在新情境下的三個(gè)檢測(cè)不同物料新問(wèn)題。學(xué)生在新情境下對(duì)原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，考慮增加檢測(cè)機(jī)構(gòu)以應(yīng)對(duì)檢測(cè)不同顏色的物料，增加檢測(cè)系統(tǒng)的適用范圍。

6.評(píng)價(jià)（評(píng)價(jià)階段）

各小組展示物料傳送檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)金屬和非金屬物料。各小組先進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，然后小組互評(píng)，最后教師點(diǎn)評(píng)。教師從學(xué)生遷移和創(chuàng)新能力角度結(jié)合學(xué)生的時(shí)間提出改進(jìn)的方案。各組學(xué)生團(tuán)隊(duì)根據(jù)自評(píng)、互評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)結(jié)合實(shí)際再次優(yōu)化系統(tǒng)方案。最后各小組把設(shè)計(jì)系統(tǒng)的視頻放到在職教云平臺(tái)上進(jìn)行展示。

（三）課后

教師收集教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的拓展學(xué)習(xí)資源設(shè)置拓展任務(wù)，學(xué)有余力的學(xué)生可以挑戰(zhàn)拓展任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)PLC技術(shù)知識(shí)（技能）的遷移和創(chuàng)新能力。

五、結(jié)語(yǔ)

為創(chuàng)新開(kāi)發(fā)中職PLC技術(shù)應(yīng)用課程，基于STEM教育理念下與PLC技術(shù)應(yīng)用教育改革深度融合，將工程應(yīng)用的案例融入到日常教學(xué)活動(dòng)中去，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)手段給學(xué)生創(chuàng)設(shè)多學(xué)科融合的學(xué)習(xí)背景，突出工學(xué)結(jié)合與職業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，從而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)?；赟TEM理念的PLC技術(shù)應(yīng)用課程非常注重學(xué)生在整合跨學(xué)科的知識(shí)應(yīng)用中調(diào)動(dòng)思維、主動(dòng)學(xué)習(xí)、建構(gòu)方案、解決問(wèn)題，促進(jìn)核心素養(yǎng)發(fā)展方面具有更大優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)立德樹(shù)人、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的育人目標(biāo)。

[本文系2018年廣東省STEM教育實(shí)踐研究課題“技能競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)下中職電氣專業(yè)STEM課程體系建設(shè)研究”（課題編號(hào)：2018GDSTEM067）的研究成果]

參考文獻(xiàn)：

[1]胡衛(wèi)平，首新，陳勇剛.中小學(xué)STEAM教育體系的建構(gòu)與實(shí)踐[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），2017，35（4）.

[2]崔鴻，朱家華，張秀紅.基于項(xiàng)目的STEAM學(xué)習(xí)探析：核心素養(yǎng)的視角[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），2017，35（4）.

責(zé)任編輯? 胡春華