基于OBE理念的工廠電氣控制拓展性實驗探索

程衛東 鹿芳媛 鄭元坤

摘? 要 以工程教育認證相關標準要求為課程教學改革目標，對工廠電氣控制課程進行理實一體化綜合教學實驗改革。從工程教育通用標準課程體系中對工程實踐的相關要求，支持條件中對教室、實驗室及設備的要求兩個方面，對基礎實驗進行拓展性綜合設計論證。通過相關教學實踐活動，獲得預期的改革效果。

關鍵詞 理實一體化教學法;拓展實驗;工程教育認證;工廠電氣控制;實驗室;實驗設備;OBE

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：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）是指教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程最后取得學習成果[1]。理實一體化教學法即理論實踐一體化教學法。理實一體化實驗室（教室）教學環節相對集中，任課教師同時是實驗教學執行人和負責人，將理論知識融于實驗教學中，理論教學與實驗驗證反復交叉、融為一體，讓學生在學習和實驗（實踐）過程中理解理論知識、掌握技能、增強學習的主動性、提高學習興趣，在理論和實踐連續交互螺旋上升過程中完成學習積累。這樣就最大限度地契合了學習規律，突出學生的主體地位，激發學生探究式學習潛力，讓學生在不斷鞏固知識、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、工廠電氣控制、機電系統設計課程為主，兼顧電工、電子技術基礎理論，擴大涵蓋液壓與氣壓傳動、控制電機等課程的相關技術應用。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，相關課程實驗設備按臺套分區布置、40卡座（1或2人組）。本文以普通高等學校機械類專業工廠電氣控制課程為對象，進行理實一體化教學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）的基礎上，挖掘實驗設備潛力，通過學生自主拓展性實驗設計（實施），從項目設計、工程應用兩方面著手培養學生工程應用的基礎能力。拓展性實驗屬于綜合設計性實驗項目。

2 相關基本術語及拓展性實驗設計原則

開展拓展性綜合實驗的一般術語? 為清楚表達綜合性實驗設計及實施過程，將對應的基礎實驗和拓展性實驗的基本術語進行定義。

基礎實驗：常規驗證性實驗。

前導基礎實驗：擬在基礎實驗項目上進行拓展實驗的基礎實驗。

拓展實驗項目：在相關的基礎實驗基礎上擬進行的拓展性實驗設計、實施的實驗項目。

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

拓展性綜合實驗題目設計原則? 在充分論證相關實驗設備的可行性條件下，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計與實驗包含的技術應用的密集度、通用度。

2）現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計難度和可執行度。

3）綜合性實驗項目設計及實驗驗證對一般性工程應用是否具有指導意義？

4）拓展性實驗設計和開展過程中，節點和進程控制的技術進階式、過程性的工程經驗積累。

5）必要的保護裝置以保證人身及實驗設備安全。

3 前導基礎實驗設備及項目

基礎實驗共用設備? 三相異步電機（JW6314）+旋轉編碼器（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;明緯導軌式開關電源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區設備? 本區設備主要用于常規電氣的基礎性實驗驗證。考慮到前導課程電工學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）從電機正反轉實驗開始切入。

1）實驗1區正反轉實驗設備：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區星—三角實驗設備：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區變頻調速控制設備：斷路器NXB-63（3P D6），1只;英威騰GD200A-0R7G-4變頻器，1只。

學生開展拓展性實驗設計的基本條件? 堅持前導基礎實驗相關節點實驗任務及實驗效果評價與拓展實驗項目申請相結合的拓展性實驗準入原則。拓展實驗在教學中的組織實施流程：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）;任課教師或實驗輔導教師根據申請人相應拓展實驗任務前導基礎實驗節點實驗綜合評價（包括相關基礎實驗及報告的質量;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）的準備。

拓展實驗用設備：實驗2區PLC（S7-200 SMART SR20），

1只;HMI（SMART LINE 700IE V3）7寸彩色，1只。

拓展實驗準備及流程? 拓展實驗設置是在基礎實驗基礎上衍生而來的技術綜合及工程融合。

1）實驗設備技術資料準備、電路設計、相關程序、關鍵技術、解決方案及步進硬件最小單元搭建等相關技術文檔撰寫。

2）相關技術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，需參照撰寫的相關技術文檔自查，同時提交軟件聯機調試程序，并經實驗室任課教師（或相關實驗人員）審核通過，在程序清單審核處簽字后進入分步最小系統硬件搭建和聯機調試實驗及驗證。

4）獲得有效調試結果，整理提交相關技術文檔。

拓展實驗結束后處理? 培養標準規范的實驗室管理和實驗文檔成果的備案制，為綜合性實驗持續改進提供可評估的技術文檔庫。

1）拓展實驗取得預期效果無瑕疵，結束拓展實驗。

2）設備搭建全部恢復為基礎實驗狀態。

3）整理合格技術文檔，形成實驗報告并上交備案。

4）根據提交的技術材料質量和基礎實驗過程中展現的實操能力進行綜合考核，評定拓展實驗環節成績。

4 支持拓展實驗設計的常規基礎實驗

1）前導基礎實驗1：三相異步電機正反轉實驗。實驗內容原理：具有機械、電氣互鎖的正反轉控制線路。

2）前導基礎實驗2：三相異步電機星—三角起動實驗[2]（非國家標準推薦圖紙）。原理圖見圖1。

3）前導基礎實驗3：變頻器面板操控、接線端子、簡易可編程多段速控制。

4）基礎性綜合實驗：PLC硬件及編程軟件認知綜合性驗證（最小系統）實驗。其中包括前導標準實驗1的PLC軟件實現及硬件調試、按前導標準實驗2原理圖完全仿制的PLC程序關于能流反向及其處理、前導標準實驗3的PLC—旋轉編碼器測試電機速度的相關編程及實驗驗證。本實驗是綜合拓展性實驗的設備、技術基礎。

5 PLC為核心的基礎實驗拓展設計

拓展性實驗以基礎實驗為前導任務，融入PLC控制與變頻器通信、云端遠程、本地觸摸屏及組態軟件等自動化控制系統元素。

拓展性實驗設計原則：選取適當技術密集度，采用技術遞進、逐漸接軌工程應用，充分滿足“學生中心、目標導向、持續改進”的工程教育認證要求。

必備基本相關原理圖包括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系的條件下，進行梯形圖變形和優化。

拓展實驗1：三相異步電機反接制動實驗? 在前導基礎實驗1的基礎上進行拓展。PLC控制三相異步電機正反轉起動，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進行。

1）S7-200 SMART軟件編程及聯機調試（PLC輸入、輸出均不外接設備——最小單元硬件接線）。

2）輸出接直流24 V電源，驅動中間繼電器工作。

3）中間繼電器觸點接交流380 V外部控制電源驅動接觸器工作。

4）程序操控正、反轉接觸器動作，驗證程序互鎖。

5）旋轉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節軟、硬件環節程序調試。

7）接通正反轉主回路斷路器，進行完全通電實驗。

拓展實驗2：可逆星—三角起動制動實驗? 在前導基礎實驗2的基礎上進行拓展。PLC控制三相異步電機正反轉減壓起動，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進行。

1）S7-200 SMART軟件編程及聯機調試（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];采用最小系統聯機調試。

2）輸出接直流24 V電源，驅動中間繼電器工作。

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、聯鎖。

5）速度原則的制動程序。拓展實驗1的測速環節工程應用加強。

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? 在前導基礎實驗3、4的基礎上進行拓展。PLC、變頻器采用主從MODBUS RTU通信協議，HMI與PLC通過TCP/IP協議通信。完成人機交互對變頻器的起停、調速控制。進一步HMI編程可進行運行參數的顯示組態。

1）PLC采用MODBUS RTU通信協議的軟件編程，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）變頻器通信相關參數的面板設置。

4）MODBUS RTU主從通信聯機調試。

5）網線連接工業交換機、S7-200 SMART、HMI。

6）HMI組態開發、設計，完成與PLC通信。

7）全部系統完全聯機調試。

6 拓展性綜合實驗對應的學習業績考核

基礎性實驗在理實一體化課程中進行，拓展性實驗三選一。為加強實驗環節學生自主設計的積極性，拓展性綜合實驗可作為項目驅動教學、課程設計實踐環節的加強性考核指標，以期達到拓展性實驗的設置目標。同時，學生的業績考評可延伸到相關的企業實習綜合考評中，使得學生每一階段的學習和工程認知在基礎工程能力培養上連續加強。拓展性綜合實驗可合并，連續計入后續各學習環節業績：

1）本課程教學環節綜合考核優秀的必備條件;

2）在本課程實踐環節工廠電氣控制課程設計中考核評定優秀課程設計的基本條件之一;

3）作為相關企業實習成績評定的綜合成績按權重合并考核。

7 結語

以機電課程群中工廠電氣控制課程為例，基于OBE理念對課程基礎實驗環節進行拓展性綜合實驗項目的設計。通過基礎實驗和拓展性綜合實驗，學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計實驗環節，在課程主動學習過程中加強實驗環節獨立設計、安裝、調試、撰寫技術文檔等工程應用能力鍛煉，為培養解決復雜工程問題的能力奠定技術基礎[4]。采用理實一體化教學手段，對機電課程群相關課程的教學實驗方法進行整合和綜合改革探索，充分滿足以學生為中心、以學習產出為導向的工程教育要求。■

參考文獻

[1]李志義.解析工程教育專業認證的成果導向理念[J].中國高等教育，2014（17）：7-10.

[2]方承遠，張振國.工廠電氣控制技術[M].3版.北京：機械工業出版社，2006：1-425

[3]王阿根.可逆星三角起動反接制動控制電路的設計[J].江蘇電器，1998（3）：15-16，33.

[4]工程教育認證標準（2017年11月修訂）[S/OL].http：//

www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/rzcxjbz/gcjyrzbz/tybz/

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