新時代“機電傳動控制”課程實驗教學的改進措施

朱鐵環,李常平,歐文初

(湖南科技大學 機電工程學院,湖南 湘潭 411201)

0 引言

智能控制是自動控制發展的新階段,隨著新時代智能控制技術在工業體系中的應用越來越廣泛,相應的本科人才培養模式也應該進行改進。“機電傳動控制”課程是本科院校機械設計及其自動化專業所開設的一門必修課。為了順應時代發展,不僅應該增加自動控制、智能控制相關的理論授課內容,還應加強相應的實驗教學環節,以提高學生在控制技術方面的實踐應用能力。如何有針對性地開展實驗教學,提高學生的動手能力、綜合運用能力與創新能力,是值得思考的問題。

1 “機電傳動控制”課程實驗教學存在的問題

湖南科技大學開設的“機電傳動控制”課程共安排了40個學時,其中,理論課時32個學時,實驗課時8個學時。受實驗課時所限,一共開設了4個實驗,分別為變頻器無極調速實驗、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)認知實驗、PLC控制的時間繼電器實驗、基于PLC的三相異步電動機正反轉控制實驗。實驗課主要存在以下問題:

(1)學生對實驗課不夠重視,積極性不高。

(2)能獨立完成實驗的學生占比不高,有一部分學生不愿意動手,依賴其他同學。

(3)PLC程序編寫不夠熟練。

(4)實驗接線存在錯接或漏接情況。

(5)學生對知識的綜合應用能力和創新能力不夠。

2 “機電傳動控制”課程實驗教學問題的原因分析

通過仔細觀察學生在實驗課堂上的表現情況、實驗報告完成情況,通過與學生們交流探討,分析“機電傳動控制”課程實驗教學中存在問題的原因主要有以下幾點。

(1)一部分學生不清楚做實驗的目的,甚至不清楚學習這門專業課的意義及作用,導致對實驗的積極性不高;另外,實驗考核方式不夠嚴格,導致一部分同學對實驗過程重視不足。

(2)近些年來的擴招導致學生人數增多,但實驗設備臺套數有限。每個班人數約為36人,只能3人一組使用一臺(套)實驗設備,這種情況導致有的學生只會接線,有的學生只會編寫程序,能獨立完成實驗的學生不多。另外,每組人數一多,有的學生不動手做實驗,依賴其他組員取得實驗成果。

(3)為了給學生留出更多的自主學習時間,近些年來各門課程的課時都進行了縮減,反映到“機電傳動控制”課程中,導致理論課堂上對PLC相關知識的講解時間有限,對學生PLC編程訓練有限;受實驗課時所限,PLC部分只開設了簡單的驗證性實驗,沒有開設設計性實驗,學生在實驗過程中的成就感不高,學習積極性難以提高,加上PLC程序邏輯性強,導致學生的PLC編程能力不高。

(4)很多學生對電氣控制部分的接線原理沒有清晰的邏輯關系認識,有一部分學生則把PLC存儲邏輯混淆入接線關系中,導致實驗接線存在錯接情況。尤其是在基于PLC的三相異步電動機正反轉控制實驗中,由于既有主回路接線又有控制回路接線,接線比較復雜,學生在這個實驗接線時最容易出問題。

(5)基于實驗課時的限制,大部分實驗為驗證性實驗,實驗難度不高,不能有效鍛煉學生的綜合應用能力與創新能力。

3 “機電傳動控制”課程實驗教學的改進措施

3.1 開設專業導論課以提高實驗學習的積極性

對大一新生開設專業導論課,包括理論部分和實驗部分。理論部分由專業任課教師介紹本專業的發展方向、學習本專業的目的以及學習本專業的基本要求等,幫助新生正確認識所學專業以及將來畢業的工作方向。組織新生參觀專業實驗室,由實驗教師介紹專業實驗設備,初步演示相關實驗,讓學生直觀地感受到實驗環節的重要性,激發學生學習實驗知識的熱情。

3.2 改進實驗環節的考核方式

以往的實驗環節考核僅以最終的實驗報告作為評價依據,對實驗的過程考核缺乏足夠的重視。本文擬定實驗考核成績比例為:課堂實驗情況50%+實驗報告50%,教師上課時需對學生完成實驗的過程情況做好記錄。采用這樣的考核方式,能促進學生認真對待實驗過程,在實驗課上達到學習要求。

3.3 提倡小班制實驗教學

為了提高學生的實驗學習效果,改變以往以行政班為單位做實驗,對一個行政班再細分為3個小班,每一次實驗課只上一個小班,確保每人一臺(套)實驗設備,達到人人有機會動手且必須動手實驗。小班制教學能培養學生獨立思考問題與獨立動手解決問題的能力,達到每個實驗每一步都能獨立完成,而且獨立操作過程中讓每位同學都具有安全意識,如強電禁止帶電操作等。

3.4 啟發引導學生設計小程序

把原來開設的驗證性實驗改為一部分驗證,另一部分教師啟發引導學生自己進行設計。如對于PLC控制的時間繼電器實驗,教師給出延時斷開的示例程序,學生理解完成驗證;然后教師提出設計延時斷開程序的要求,學生思考并完成設計。延時接通與延時斷開,實驗原理相同,差異在于延時到了最后到底是接通還是斷開輸出部分,學生只要理解線圈通電與它對應觸點的關系就能完成設計。對于理解能力與動手能力強的同學,教師可以另行安排設計性的小程序,做到因材施教。如:用計數器做長時間的定時器,教師提示計數器與時間繼電器用法的異同,啟發學生思考并設計完成實驗。通過設計完成一個個實驗小程序,學生獲得成就感,從而激發學習欲望。

3.5 合理增加設計性實驗模塊

為了提高學生的PLC程序編寫能力,建議合理增加設計性實驗模塊,如增加PLC順序控制實驗,在此實驗中學生學會設計調試程序,完成該實驗的過程如下。

(1)教師講解順序控制指令的相關知識,如指令中各參數的意義。

(2)教師給出示例程序梯形圖,如圖1所示的 PLC順序右移1位的梯形圖。

圖1 PLC順序右移1位的梯形圖

(3)學生理解該程序并完成該示例實驗。

(4)教師再提出要求完成相應的小程序設計。如把右移1位改為右移2位或者3位,右移改為左移,定義8位改為定義9位,輸出由8位改為9位等,反復地進行設計與調試,提高學生的PLC程序設計編寫能力,使學生在調試過程中不斷收獲成就感,激發學生學習實驗的主觀能動性。

3.6 使用實驗仿真軟件提高程序編寫能力

課堂上的學習時間有限,想要學好PLC編程并運用于工程實踐,僅靠課堂上的練習是不夠的。教師可以指定學生下載相應的編程軟件以及模擬器,如到三菱官網下載GX Developer編程軟件或者Works Two,同時下載相應的模擬器,這樣學生就可以自己進行模擬仿真實驗了,模擬仿真后學生編程能力也將得到相應提高。

3.7 強化訓練學生的實驗接線能力

對于PLC這一部分的接線,提醒學生理清PLC的邏輯關系已存儲在PLC內部,不需要接線來體現,只需對PLC的電源、輸入部分和輸出部分接線;輸入輸出部分按照回路來接,從正極出發回到負極,同時開設簡單的小實驗反復訓練學生的PLC接線能力,如開設“與”“或”“非”“與非”“或非”等邏輯小實驗。

對于電氣控制這一部分的接線,建議學生先畫出接線原理圖以理清思路,再根據接線原理圖依次接線。例如:基于PLC的三相異步電動機正反轉控制,先畫出接線原理圖。圖2為三相異步電動機正反轉的主回路接線,圖3為三相異步電動機正反轉的控制回路接線,主回路按照主回路接線圖接線,控制回路按照控制回路接線圖接線,從正極出發回到負極,一個回路一個回路依次接線避免混亂,提醒學生要冷靜仔細,從而保證接線正確。

圖2 三相異步電動機正反轉的主回路接線

圖3 三相異步電動機正反轉的控制回路接線

3.8 采用項目任務式實驗教學方式

基于現代工業控制設計中的相關綜合性實驗項目,篩選出適合本科生的若干實驗項目,以便采用項目任務式實驗教學方式。如基于PLC的三相異步電動機正反轉控制實驗項目,不再由教師主導來完成,教師主要對學生啟發引導、強調用電安全以及最后把關,由學生主導完成實驗,主要步驟如下:

(1)提倡學生組建團隊開展項目實驗。

(2)給定學生項目任務,學生查閱相關的實驗原理,如三相異步電動機工作原理、電氣控制接線原理等。

(3)針對項目任務,團隊內的學生通力合作,畫出電氣控制接線圖和PLC程序梯形圖。

(4)學生先對PLC程序控制部分在實驗臺上進行調試,特別注意互鎖與自鎖程序的編寫,調試程序時強電部分先不要接線。

(5)PLC程序調試無誤后,根據電氣控制接線圖對主回路和控制回路分別接線,接線后團隊成員先進行自查,自查無誤后再請教師幫忙檢查接線,教師檢查接線無誤后方可啟動強電運行。

(6)學生主導完成實驗,將實驗成果提交教師審核。學生在完成項目任務式實驗的過程中,會遇到一些難題,只有綜合應用相關知識才能解決這些難題,這就有效地培養了學生的實踐動手能力、綜合應用能力與創新能力。

但實驗課時畢竟有限,建議學生利用實驗室資源,一方面積極參與教師的相關科研課題,了解當代工業控制中最新的需求;另一方面積極參加相關的技能創新大賽,進一步提高自己的綜合應用能力和創新能力。

4 結語

為了培養機電相關專業本科生的控制技術應用能力,“機電傳動控制”課程應對實驗教學環節進行改進。建議的實驗教學改進措施主要有:開設專業導論課以提高學生開展實驗的積極性;改進實驗環節的考核方式,促使學生重視實驗過程;提倡小班制實驗教學,促使每個學生必須親自動手完成實驗;啟發引導學生設計小程序;合理增加設計性實驗模塊;使用實驗仿真軟件提高學生的程序編寫能力;強化訓練學生的實驗接線能力,以確保實驗安全;采用項目任務式實驗教學方式,鼓勵學生積極參加教師的科研項目與相關的技能創新大賽。這些改進措施可以提高學生在實踐中的動手能力、綜合應用能力與創新能力,以期畢業后能夠在控制技術領域做出更大的貢獻。