職業(yè)教育學生項目化教學案例研究—以搭建基于PLC 控制的智能化禽舍試驗臺架為例

馬靜

（新疆天山職業(yè)技術(shù)大學，新疆 烏魯木齊 830017）

0 引言

課程項目化教學是近年職業(yè)本科院校積極推行的一種教學模式，教學過程以學生為中心，項目為載體，多學科理論知識為依據(jù)，在項目推進的同時輸出理論知識，培養(yǎng)了學生的職業(yè)素養(yǎng)和成就感[1]。職教改革實施方案中指出自2022 年起實踐課程原則上不少于課程量的50%[2]。職業(yè)教育“手腦并用，做學合一”的理念早期由教育家黃炎培等人提出，目的是培養(yǎng)符合國家需要的實用型技能人才[3]。項目化教學應用于各學科領(lǐng)域，通常以“任務驅(qū)動、目標主導、理論輔助”[4]，理論與實踐研究已趨于成熟并不斷延伸，在工業(yè)領(lǐng)域培養(yǎng)出一批職場“大國工匠”[5]。不少職業(yè)院校對項目化教學進行了實踐，深圳職業(yè)技術(shù)學院就高職《機械設計基礎(chǔ)》課程進行項目化教學實踐，以校企合作模式進行，項目難度隨年級升高逐漸提高，將課程知識按項目化教學分解、重構(gòu)并實施教學，效果明顯[6]。邵陽職業(yè)技術(shù)學院向浩對電氣控制線路裝配與調(diào)試課程進行了項目化實施，分析了教學法和教學模式等，展示了創(chuàng)新性教學方法及教學成果，激發(fā)了學生的學習興趣[7]。

對于智能禽舍的研究，Raden[8]等人通過嵌入式技術(shù)利用傳感器實時檢測禽舍NH3含量及舍內(nèi)溫度。黃佳[9]對家禽生長環(huán)境系統(tǒng)進行了包括環(huán)境信息檢測和檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡結(jié)構(gòu)建設，可將監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。劉洽[10]對散養(yǎng)家禽舍的環(huán)境監(jiān)控以PLC為基礎(chǔ)進行了系統(tǒng)研究，以多種傳感器、執(zhí)行構(gòu)件和遠程終端等模塊設計了禽舍控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了移動端對執(zhí)行機構(gòu)的控制處理及自動化養(yǎng)殖。

1 項目化教學實施基礎(chǔ)

智能制造專業(yè)群項目實訓教學注重學生編程、三維建模及工程實操，對設計和工藝分析等均有培養(yǎng)與體現(xiàn)[11]，多學科交叉，多種加工方式并行。學校智能制造專業(yè)群實訓設備完善，有六自由度機械臂、數(shù)控加工中心、普通車床、鏜床、走絲電火花切割機床、激光打印機、3D 打印機、電子實訓設備等輔助工具，可滿足課程項目化實訓教學需求。

項目化教學在我校職業(yè)本科層次學生中反響強烈，隨著項目的實施不斷深化理論課程，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，教學過程中師生共同做中學、學中做，以考核的形式促進學生積極參與，實施效果明顯。

2 項目實訓綜合設計

2.1 教學目的及實訓準備

小規(guī)模養(yǎng)殖設備智能化程度較低，結(jié)構(gòu)設計和環(huán)境監(jiān)控存在問題。通過對內(nèi)環(huán)境控制進行建模和改造，可實現(xiàn)養(yǎng)殖智能化。

2.1.1 教學目標

（1）進一步熟悉機械基礎(chǔ)課程中機械零件的應用，掌握三維建模中從零件繪制、裝配體協(xié)調(diào)組合仿真、工程圖導入與基本標注內(nèi)容。

（2）熟悉PLC 指令語言使用、子程序邏輯組合協(xié)調(diào)運行。

（3）掌握傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換計算應用，熟練操作3D 打印機實現(xiàn)制定模型打印。

（4）了解基本數(shù)控加工方式等教學內(nèi)容，以最終實現(xiàn)裝配試驗臺架運行為任務導向。

實訓過程中3D 打印利用PLA 材料等可實現(xiàn)復雜異變零件的塑性成形[12]，數(shù)控等機加工根據(jù)指令完成切、鉆、銑等操作。

2.1.2 教學過程

整個教學過程如下：成員組合--項目實施對象討論--任務分工--文獻資料查閱--項目具體開展執(zhí)行--中間環(huán)節(jié)疑問解決--成果展示。以最終實現(xiàn)裝配試驗臺架運行為任務導向，將課本中大量理論知識融入項目教學活動，盡可能地減少學時。

2.2 實訓項目機械結(jié)構(gòu)原理

項目實訓成果為智能化禽舍試驗臺架（圖1），其體積為0.125 m3，基于Solidworks 建模、S7-200 SMART PLC 編程控制，由太陽能電池供電實現(xiàn)自動化運行。設計控制系統(tǒng)使用PLC 實現(xiàn)自動監(jiān)控，將理論課程應用于實踐設計中，實現(xiàn)經(jīng)濟節(jié)約智能化、自動化改造。

圖1 家禽舍整體結(jié)構(gòu)

試驗臺架主要由電氣控制系統(tǒng)機架，主體機械結(jié)構(gòu)包括清糞輸送帶，食槽內(nèi)有輸送飼料無軸螺旋攪輪和內(nèi)部底網(wǎng)設計清糞集蛋系統(tǒng)組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 中家禽舍門前側(cè)儲食桶定點定時排下飼料至食槽內(nèi)，無軸螺旋輸送實現(xiàn)飼料輸送。其中攪輪、食槽和儲食桶由學生通過CAM 模式三維建模并進行3D 打印。

2.3 整體電氣布控

電氣控制部分配合機械框架設計，試驗臺架以STEP7-MicroWIN 編程軟件編寫PLC 程序，明確系統(tǒng)的控制順序，設計自動控制主程序包括計數(shù)指令、定時器控制燈光啟停、溫度調(diào)節(jié)等；食槽飼料均勻輸送帶定時輸送糞便采取聯(lián)動定時控制，以及由步進電機驅(qū)動的清糞集蛋系統(tǒng)。設計的控制系統(tǒng)如圖2，PLC 主程序如圖3。在實訓過程中學生了解了具體要實現(xiàn)的動作指令，布置任務自行查閱相關(guān)資料，借助設備實現(xiàn)子程序功能，再綜合連串。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 PLC 主控制程序

整體系統(tǒng)包括清糞集蛋系統(tǒng)、實時家禽數(shù)量統(tǒng)計系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)。根據(jù)基于LED 光照環(huán)境中光照強度對肉家禽生理行為影響的相關(guān)研究，設計禽舍光源補色為橘黃光[13]，之后設計飼料均勻輸送機構(gòu)等部件。

2.4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設計

2.4.1 清糞集蛋系統(tǒng)設計

清糞集蛋系統(tǒng)如圖4，推桿在伺服驅(qū)動帶動下沿底網(wǎng)平面做往返運動，初始狀態(tài)推蛋桿在禽舍門口下方，工作時伺服電機逆時針旋轉(zhuǎn)90°沿底網(wǎng)斜面前進，推蛋桿與底網(wǎng)無間隙，將家禽蛋推至集蛋槽內(nèi)，返程時伺服電機順時針旋轉(zhuǎn)90°，清糞刷向下與底網(wǎng)接觸將底網(wǎng)上的雜物清除。

圖4 清糞集蛋系統(tǒng)

以上動作完成底網(wǎng)清掃和底網(wǎng)上推桿推蛋動作，經(jīng)學生多次試驗，為保證家禽蛋完好無損傷，調(diào)整推桿前進運動速度為0.02 m/s，電氣系統(tǒng)順序動作，底網(wǎng)下方清糞布隨電機旋轉(zhuǎn)將排泄物傾倒在一側(cè)，方便集中收集。集蛋槽內(nèi)裝柔性攪輪，攪輪一側(cè)軸端與帆布同步帶連接，清糞同時通過攪輪將槽內(nèi)家禽蛋從另一側(cè)排下。為保證攪輪工作穩(wěn)定性，電機線速度調(diào)整為0.05 m/s[14]。推桿、攪輪均由學生通過三維建模操作數(shù)控加工設備或3D 打印設備完成。

2.4.2 數(shù)量統(tǒng)計

家禽數(shù)量統(tǒng)計系統(tǒng)的原理如圖5，利用光電傳感器反應次數(shù)檢測禽舍家禽數(shù)量。具體為將兩個光電傳感器分別安裝在舍門外側(cè)和內(nèi)側(cè)，傳感器接收端對準門口通道并保持水平，相對距離約300 mm。傳感器型號為洛施達M12 微小型紅外激光漫反射光電傳感器（NPN 型），單頭檢測距離150 mm，穩(wěn)定性強，受日光燈和太陽光亮度影響小，數(shù)據(jù)精準。

圖5 禽舍家禽數(shù)量統(tǒng)計

光電傳感器工況時常開，家禽進入禽舍時“，1”“、2”先后接收信號，家禽外出時“，2”“、1”順序接收信號，即：順序1-2 進，2-1 出，進入數(shù)量總和與出去的數(shù)量總和的差為舍內(nèi)家禽的數(shù)量，如式（1）

式中S—舍內(nèi)家禽數(shù)量，n—進入舍內(nèi)家禽數(shù)量之和，m—從禽舍出去的家禽數(shù)量之和。

將上述邏輯計算進行基于STEP 7-MicroWIN 平臺以Siemens SMART-200 PLC 控制器等硬件基礎(chǔ)編寫家禽計數(shù)梯形程序，1，2 傳感器對應自增計數(shù)器INC，每次增1，之后減法指令SUB 將通道1 數(shù)據(jù)減去通道2 數(shù)據(jù)，其差值即為舍內(nèi)家禽數(shù)量。最后通過MOV_DWS 雙字節(jié)指令顯示SUB 結(jié)果。對于特殊應用場景下的處理，采用系統(tǒng)重置措施，計數(shù)歸零重新開始。

2.4.3 保溫與通風換氣設計

引導學生理論結(jié)合實際，各類環(huán)境參數(shù)設定要結(jié)合實際養(yǎng)殖情況。通過查閱相關(guān)文獻得知禽舍內(nèi)溫度低于13 ℃或高于30 ℃時都會導致產(chǎn)蛋率降低、飼料消耗下降[15]。采用合理橫向間歇性通風方式可以使室內(nèi)溫度變化差值控制在2 ℃以內(nèi)[16]，安裝通風扇，借助PLC 利用有害氣體濃度傳感器閾值設定控制間歇通風，采用機械式溫控器，使內(nèi)部溫度可在13～30 ℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)[17]，連接風機加熱器，低溫時鋁殼體加熱擴散效率突出。利用PLC 程序定時器間歇控制加熱器工作實現(xiàn)供暖，維持內(nèi)部環(huán)境適宜溫度。圖6 為項目實訓禽舍試驗臺架。

圖6 項目實訓禽舍試驗臺架

3 實訓效果

課程實訓過程中學生任務分工明確，充分發(fā)揮主觀能動性，相互配合，是教學活動的“主角”，教師是輔助項目推進的“配角”，項目式教學中學生邊學邊做，鼓勵學生參加各類競賽，隨進度推進有意識地提高制作質(zhì)量、增強時間觀念，培養(yǎng)了學生綜合思維及合作意識。

通過搭建基于PLC 控制的智能化禽舍試驗臺架綜合項目實訓課程的實施，培養(yǎng)了智能制造專業(yè)群學生在數(shù)控加工、3D 打印技術(shù)、CAD 繪圖、Solidworks 建模和PLC 編程等方面的操作與應用，對機械基礎(chǔ)、電機拖動和傳感器應用等理論課程理解均有加深，提升了專業(yè)認知與實踐能力。

4 結(jié)論

項目化教學突出了職業(yè)教育的優(yōu)勢，以項目為載體，學生為中心，通過師生合作，讓學生親身實踐專業(yè)技能與知識。同時項目化教學可以培養(yǎng)動手能力強、創(chuàng)新能力強、工程思維全的應用型人才。但項目化教學還存在諸多問題，實施過程尚需結(jié)合相關(guān)政策、專業(yè)師資及學科特點等方面進行綜合考慮。