混合式案例教學(xué)法在電氣控制與PLC技術(shù)課程中的應(yīng)用

韋穎，凌六一

混合式案例教學(xué)法在電氣控制與PLC技術(shù)課程中的應(yīng)用

韋穎，凌六一2，3

（1. 安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；安徽理工大學(xué) 2. 人工智能學(xué)院，3. 電氣與信息學(xué)院，安徽 淮南 232001）

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法不能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣導(dǎo)致教學(xué)效果不理想的難點(diǎn)問(wèn)題，提出混合式案例教學(xué)法驅(qū)動(dòng)PLC課程教學(xué)改革，即結(jié)合線(xiàn)上平臺(tái)開(kāi)展案例式教學(xué)．以線(xiàn)纜收卷裝置控制系統(tǒng)為例，開(kāi)展混合式案例教學(xué)，內(nèi)容不僅涉及PLC編程中I/O基本指令，而且包含了電壓電氣控制回路的設(shè)計(jì)內(nèi)容．經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)效果對(duì)比，混合式案例教學(xué)法的應(yīng)用提高了課程的教學(xué)效率，而且提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和PLC工程項(xiàng)目的綜合開(kāi)發(fā)能力．

電氣控制與PLC課程；案例教學(xué)；混合式教學(xué)

PLC（Programmable Logic Controller），又稱(chēng)可編程邏輯控制器，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、汽車(chē)、機(jī)械制造、交通娛樂(lè)等領(lǐng)域．電氣控制與PLC技術(shù)是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、電氣工程及其自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)課，其工程實(shí)踐性很強(qiáng)．由于該課程包含的內(nèi)容較多而課時(shí)非常有限，如果課堂教學(xué)只是一味地灌輸書(shū)本知識(shí)，讓學(xué)生死記編程指令等內(nèi)容，那么既不能讓學(xué)生真正掌握電氣控制電路設(shè)計(jì)的知識(shí)內(nèi)涵，也無(wú)法提高學(xué)生對(duì)PLC系統(tǒng)的綜合開(kāi)發(fā)和實(shí)踐創(chuàng)新能力．

案例教學(xué)法是以案例為基礎(chǔ)，培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)方法，案例來(lái)源有具體的應(yīng)用背景，對(duì)教學(xué)具有一定的啟發(fā)性．近年來(lái)很多工科高校也開(kāi)展了基于案例教學(xué)的教學(xué)方法研究，并取得一定的成效[1-4]．在一流本科課程建設(shè)的背景下，如何借助網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)實(shí)施混合式案例教學(xué)，是應(yīng)用型本科高校需要深入思考和認(rèn)真探索的問(wèn)題[5-7]．同時(shí)，在實(shí)踐教學(xué)改革和學(xué)生培養(yǎng)方面與當(dāng)前現(xiàn)狀相結(jié)合，更加注重創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的提升[6-10]．對(duì)于電氣控制與PLC技術(shù)課程來(lái)說(shuō)，通過(guò)真實(shí)案例讓學(xué)生親自參與控制電路的設(shè)計(jì)、低壓電器的選型、PLC的選型和電路設(shè)計(jì)、程序調(diào)試及仿真等一整套環(huán)節(jié)，在此過(guò)程中可以有效培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和PLC應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力．

1 案例選擇與教學(xué)內(nèi)容

案例選擇時(shí)需要考慮將電氣控制與PLC技術(shù)教學(xué)大綱要求的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)融入到所選案例的討論與講解之中．該課程前一部分內(nèi)容為低壓電氣和控制，后一部分內(nèi)容為PLC編程．考慮到此前這些專(zhuān)業(yè)學(xué)生已學(xué)習(xí)過(guò)傳感器與檢測(cè)技術(shù)、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)和電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的課程內(nèi)容，因此選擇常用線(xiàn)纜收卷裝置控制系統(tǒng)（設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，以PLC為控制核心，配有按鈕站進(jìn)行本地操作，使用文本顯示器顯示收卷速度和收卷長(zhǎng)度）為教學(xué)案例．根據(jù)線(xiàn)纜收卷裝置的工作原理，繪制收卷裝置電氣原理組成框圖（見(jiàn)圖1）．案例內(nèi)容與知識(shí)點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系及教學(xué)內(nèi)容見(jiàn)表1．

圖1 收卷裝置電氣原理組成

表1 案例內(nèi)容分解與教學(xué)內(nèi)容安排

2 案例實(shí)施

2.1 線(xiàn)上開(kāi)展課前研讀和案例討論

首先，教師在學(xué)習(xí)通平臺(tái)上發(fā)布教學(xué)案例和相關(guān)章節(jié)的課件PPT作為預(yù)習(xí)材料，需要對(duì)線(xiàn)纜收卷裝置控制系統(tǒng)的工藝過(guò)程以及PLC在其中的控制作簡(jiǎn)要說(shuō)明，并發(fā)布預(yù)習(xí)通知．學(xué)生收到通知后，按要求完成預(yù)習(xí)內(nèi)容，對(duì)線(xiàn)纜收卷設(shè)備的功能、外形、基本技術(shù)指標(biāo)、工作原理、主要電機(jī)的功率等有所了解，并在群內(nèi)開(kāi)展討論．經(jīng)討論后，需要分組給出每組的初步控制方案，并用300字左右描述基本功能，在學(xué)習(xí)通平臺(tái)提交作為項(xiàng)目成果1．

2.2 課堂引導(dǎo)

教師將案例內(nèi)容進(jìn)行分解，介紹每個(gè)內(nèi)容所對(duì)應(yīng)的課程知識(shí)點(diǎn)，然后對(duì)照?qǐng)D1逐一進(jìn)行硬件講解，具體講解時(shí)按照內(nèi)容由易到難循序漸進(jìn)．在電氣控制電路中，包括收卷裝置的控制電路、收卷驅(qū)動(dòng)器控制電路和排線(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制電路等．在立柱升/降電機(jī)的控制電路中，如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；在收線(xiàn)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)控制中，如何進(jìn)行低壓斷路器的選型；在收卷驅(qū)動(dòng)器控制電路中，為5.5 kW的變頻電機(jī)如何選擇變頻器參數(shù)和外圍保護(hù)電路等．通過(guò)講解，學(xué)生了解了理論知識(shí)在具體工程案例中的應(yīng)用，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和求知欲．

2.3 學(xué)習(xí)通平臺(tái)提交控制系統(tǒng)電路圖

學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)有了全面的認(rèn)識(shí)后，就可以利用課下時(shí)間進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，按照分組設(shè)計(jì)的思路，小組成員共同完成圖紙的設(shè)計(jì)過(guò)程，即收卷裝置控制系統(tǒng)的電路圖，包括電機(jī)類(lèi)控制電路、PLC接線(xiàn)圖和輔助電路設(shè)計(jì)，電機(jī)類(lèi)控制電路主要是收線(xiàn)電機(jī)、排線(xiàn)電機(jī)和直接啟動(dòng)的電機(jī)/風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載的電路圖設(shè)計(jì)．小組成員完成后，提交項(xiàng)目成果2至學(xué)習(xí)通平臺(tái)．

2.4 課堂解析

課堂解析主要是PLC控制單元的設(shè)計(jì)，包括數(shù)字量輸入/輸出單元設(shè)計(jì)、模擬量輸入/輸出單元的設(shè)計(jì)和本地操作按鈕站的設(shè)計(jì)．在按鈕站解析過(guò)程中，介紹常用的指令電氣：按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、指示燈、急停按鈕等，還有作為限位保護(hù)使用的光電式接近開(kāi)關(guān)、紅外放卷裝置、機(jī)械式行程開(kāi)關(guān)、門(mén)限開(kāi)關(guān)、萬(wàn)向開(kāi)關(guān)等低壓電器．編程過(guò)程解析涉及到PLC技術(shù)中基本邏輯指令、定時(shí)器指令及計(jì)數(shù)器指令、傳送、比較、數(shù)學(xué)及邏輯運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、模擬量的運(yùn)算、中斷、高速計(jì)數(shù)等大部分知識(shí)點(diǎn)，課程解析需要4課時(shí)完成．

分析工藝，確定數(shù)字量輸入32點(diǎn)，數(shù)字量輸出15點(diǎn)，模擬量輸入2路（生產(chǎn)線(xiàn)速度和張力舞蹈論的反饋），從而確定系統(tǒng)的PLC選型．小組成員完成后，作為項(xiàng)目成果3提交學(xué)習(xí)通平臺(tái)．

2.5 PLC模塊電路圖的設(shè)計(jì)

PLC控制單元的設(shè)計(jì)課堂解析后，學(xué)生即可完成PLC硬件連線(xiàn)圖，需要分組在學(xué)習(xí)通平臺(tái)提交設(shè)計(jì)圖紙作為項(xiàng)目成果4．部分PLC連線(xiàn)圖見(jiàn)圖2．

圖2 PLC接線(xiàn)圖電路設(shè)計(jì)

2.6 軟件編程

在編程解析后，學(xué)生開(kāi)始進(jìn)行軟件編程．需要在Step7編程環(huán)境下完成PLC編程，編寫(xiě)軟件時(shí)，按照表1中的內(nèi)容分解及相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，將系統(tǒng)程序也分解成若干子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)容講解．每個(gè)子程序?qū)?yīng)1個(gè)或多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如啟動(dòng)/停止模塊、初始化子程序、排線(xiàn)給定計(jì)算子程序、定時(shí)器中斷子程序、高速中斷子程序、收卷盤(pán)徑計(jì)算等，PLC編程截圖見(jiàn)圖3．這里收線(xiàn)和排線(xiàn)電機(jī)的速度反饋不是通過(guò)模擬量來(lái)反饋到PLC，而是通過(guò)收線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的編碼器和排線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的編碼器進(jìn)行反饋，不僅提高了收卷控制精度，也增加了系統(tǒng)的抗干擾能力．編程時(shí)，還用到了PLC的高速計(jì)數(shù)器．

圖3 PLC編程截圖

各小組完成編程任務(wù)后，進(jìn)行仿真（見(jiàn)圖4），并作為項(xiàng)目成果5提交程序至學(xué)習(xí)通平臺(tái)．

圖4 PLC仿真過(guò)程截圖

3 考核與效果

采用混合案例教學(xué)法的電氣控制與PLC技術(shù)課程考核成績(jī)由3部分組成，分別為考試卷面成績(jī)、平時(shí)成績(jī)和階段檢查（類(lèi)似實(shí)驗(yàn)）成績(jī)，占比分別為50%，20%，30%．卷面考試以期末考試的卷面分?jǐn)?shù)為主；平時(shí)成績(jī)主要考核學(xué)生上課出勤情況和課堂表現(xiàn)；階段檢查成績(jī)主要以學(xué)生線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)提交的項(xiàng)目成果情況而定，具體認(rèn)定時(shí)任課教師可以在學(xué)習(xí)通上直接評(píng)分，然后導(dǎo)出階段檢查成績(jī)的分?jǐn)?shù)，進(jìn)行學(xué)生總成績(jī)的評(píng)定．通過(guò)與前幾屆學(xué)生的縱向比較，發(fā)現(xiàn)采用案例教學(xué)法的授課學(xué)生在線(xiàn)上平臺(tái)交流群里主動(dòng)交流和發(fā)言，課下主動(dòng)去實(shí)驗(yàn)室、參加學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)的人數(shù)都在增加，學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到了提高和鍛煉．

綜上所述，本文以線(xiàn)纜收卷裝置控制系統(tǒng)結(jié)合電氣控制與PLC技術(shù)課程開(kāi)展混合式案例教學(xué)，這種教學(xué)方法克服了傳統(tǒng)PLC課程教學(xué)方法的不足，提高了教學(xué)效率，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性．結(jié)合SIM仿真軟件的應(yīng)用可以使每個(gè)擁有計(jì)算機(jī)的學(xué)生都可以利用課余時(shí)間進(jìn)行PLC程序開(kāi)發(fā)與調(diào)試，有利于創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)．

[1] 陳東旭，張冬，張敏．面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的案例教學(xué)：約束與策略[J]．重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2020（5）： 112-115．

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Application of hybrid case teaching method in the course of electrical control and PLC technology

WEI Ying1，LING Liuyi2，3

（1. School of Electrical and Electronic Engineering，Anhui Sanlian University，Hefei 230601，China；2. School of Artificial Intelligence，3. School of Electrical and Information Technology，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

In view of the problem that the traditional teaching method is difficult tocultivate students′ interest effectively and leads to unsatisfactory teaching effect，it is proposed the teaching reform of hybrid case method of PLC course，which means combining with online platform to carry out case teaching．It is taken as the teaching case the control system of cable winding device，which not only involving the PLC programming I/O basic instructions，but also including the voltage electrical control loop design content．Through the design of cases，which can not only improves the teaching efficiency of the course，but also improves the initiative of the students and the comprehensive development ability of the PLC project．

electrical control and PLC course；case teaching；hybrid method

1007-9831（2022）08-0101-05

TM92∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.08.020

2022-03-09

安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目（2021fwxxcy016，2020sjjxzz01，2020sjjd043）；安徽省教育廳省級(jí)重點(diǎn)教學(xué)研究項(xiàng)目（2019jyxm1165）；安徽省線(xiàn)上線(xiàn)下混合式和社會(huì)實(shí)踐課程（2020xsxxkc152）

韋穎（1978-），女，安徽臨泉人，副教授，碩士，從事智能信息處理研究．E-mail：1563227363＠qq.com