電氣控制與PLC實(shí)驗(yàn)課程混合式教學(xué)模式構(gòu)建與探討

摘 要 信息技術(shù)的不斷發(fā)展為課改工作提供了新的研究方向和思路。電氣控制與PLC課程為高校專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程的特點(diǎn)是理論知識(shí)點(diǎn)多、專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)等，傳統(tǒng)的授課模式已經(jīng)無法滿足學(xué)生的要求，這給PLC教學(xué)工作帶來新的挑戰(zhàn)。如何將理論與實(shí)踐更好地結(jié)合是教師應(yīng)該關(guān)注的焦點(diǎn)問題。結(jié)合該課程特點(diǎn)以及近幾年的PLC教學(xué)工作，以電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)為例，從理實(shí)一體化、線上線下教學(xué)模式等方面來探討電氣控制與PLC實(shí)驗(yàn)課程混合式教學(xué)模式構(gòu)建，為PLC教學(xué)提供借鑒。

關(guān)鍵詞 電氣控制與PLC；星三角形啟動(dòng)；混合式教學(xué)；信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）16-0133-06

0 引言

電氣控制與PLC課程是電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化等專業(yè)的一門重要專業(yè)必修課，主要研究電氣控制系統(tǒng)與PLC控制技術(shù)[1-2]。該課程以罐裝生產(chǎn)線工程項(xiàng)目為主線，內(nèi)容包括PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、HMI界面設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)等。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握以PLC為控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用，擴(kuò)寬視野，更好地把握電氣控制技術(shù)發(fā)展前沿，從而培養(yǎng)邏輯思維能力、動(dòng)手能力以及解決實(shí)際工程問題的能力[3]。為培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞男聲r(shí)代合格人才，在教學(xué)中實(shí)施社會(huì)主義核心價(jià)值觀教育，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀。

該課程理論與實(shí)踐結(jié)合緊密，學(xué)生不僅要掌握理論知識(shí)，還需要非常強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力和解決工程領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力。與其他專業(yè)核心課相比較，其實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)尤為突出，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量關(guān)系著教學(xué)成果。目前該課程理論教學(xué)為32課時(shí)，實(shí)驗(yàn)為8課時(shí)，理論課與實(shí)驗(yàn)課單獨(dú)授課。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，原有的理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)已無法滿足社會(huì)對(duì)創(chuàng)新人才的需求。結(jié)合近幾年的教學(xué)實(shí)踐，分析目前實(shí)踐課程存在的問題，在此基礎(chǔ)上，從學(xué)生角度出發(fā)，從教學(xué)平臺(tái)、內(nèi)容、方法方面進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐改革，提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的核心競爭力。

1 信息化背景下電氣控制與PLC混合式教學(xué)的必要性

信息化背景下，推動(dòng)信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，借助多媒體教學(xué)平臺(tái)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)硬件等設(shè)施進(jìn)行電氣控制與PLC混合式教學(xué)[4]。目前國內(nèi)多數(shù)高校都有混合式教學(xué)的硬件平臺(tái)，但都還在用傳統(tǒng)的教學(xué)方法。傳統(tǒng)的教學(xué)存在以下幾個(gè)問題。

1.1 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)融合問題

課堂上理論與實(shí)踐教學(xué)分開進(jìn)行會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)完理論知識(shí)，不知道如何將理論與實(shí)際應(yīng)用更好地結(jié)合。主要體現(xiàn)在：

1）教師上課內(nèi)容側(cè)重理論講解，缺少與理論相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)；

2）由于缺乏一定的工業(yè)項(xiàng)目背景，學(xué)生只能停留在對(duì)PLC簡單原理和指令的掌握上，不能更深入地根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目編程應(yīng)用。

1.2 教學(xué)模式創(chuàng)新性問題

在PLC教學(xué)過程中，教學(xué)手段落后，信息化技術(shù)應(yīng)用過少，理論與實(shí)踐教學(xué)方法單一。傳統(tǒng)的理論教學(xué)過程中，教師以講授為主、學(xué)生以聽為主，不能夠現(xiàn)場將所學(xué)的內(nèi)容落實(shí)到具體的項(xiàng)目中。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式一般分為三步進(jìn)行：

第一步，布置實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，學(xué)生需要預(yù)習(xí)并根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書寫出預(yù)習(xí)報(bào)告；

第二步，把實(shí)驗(yàn)的目的、原理、步驟、注意事項(xiàng)給學(xué)生講清楚，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行示范，學(xué)生在看完演示后便開始動(dòng)手操作，并記錄現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)；

第三步，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫，教師批閱報(bào)告。

受條件限制，部分學(xué)生可能無法完整地觀察到教師的整個(gè)演示過程，這導(dǎo)致實(shí)操過程中教師反復(fù)解答學(xué)生疑問，耗時(shí)耗力、效率低下。

1.3 綜合性實(shí)驗(yàn)缺乏

電氣控制與PLC課程實(shí)驗(yàn)為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，以前開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多、綜合性實(shí)驗(yàn)少，理論與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不能很好地銜接，沒有從完整的工業(yè)項(xiàng)目角度出發(fā)，重要的理論知識(shí)很難被學(xué)生理解，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置問題

隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用的設(shè)備已逐漸不能滿足現(xiàn)代教育的需求，也難以與當(dāng)前產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求相匹配。此外，陳舊的教學(xué)設(shè)備還導(dǎo)致了一些復(fù)雜實(shí)驗(yàn)任務(wù)難以順利進(jìn)行。

2 信息化背景下電氣控制與PLC混合式教學(xué)

改革：以電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)為例著信息技術(shù)的不斷成熟，在PLC教學(xué)過程中，針對(duì)其存在的問題，采用線上、線下混合式教學(xué)模式。電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)控制被應(yīng)用到各種場合，具有教學(xué)研究價(jià)值[5-8]。

PLC混合式教學(xué)構(gòu)建主要涉及三個(gè)方面：

1）理論與實(shí)驗(yàn)融合進(jìn)行，一邊講解理論，一邊進(jìn)行實(shí)操，從而使學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫乩斫饫碚撝R(shí)點(diǎn)，做到融會(huì)貫通；

2）線上與線下混合式進(jìn)行，在線上將課件、視頻、作業(yè)等材料上傳到泛雅網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，在線下一邊講解理論，一邊做實(shí)驗(yàn)；

3）利用線上資源，學(xué)生自學(xué)與線下教師授課相結(jié)合，使學(xué)生在課堂上有重點(diǎn)地學(xué)習(xí)。

電氣控制與PLC課程理論內(nèi)容主要分為電氣控制系統(tǒng)與PLC控制技術(shù)兩個(gè)方面，以下從這兩方面以電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)為例研究混合式教學(xué)。

2.1 電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)電氣控制系統(tǒng)仿真教學(xué)

2.1.1 電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)仿真教學(xué)

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)控制大部分都是由電機(jī)完成的，通過電機(jī)的啟停、調(diào)速等要求實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的自動(dòng)控制。通常電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)硬件部分都是由常見的低壓電器組成，即典型的繼電器—接觸器控制系統(tǒng)。以電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)為例，電路分為主電路和控制回路，由接觸器、熔斷器、熱繼電器、時(shí)間繼電器等常用低壓電器元件組成。電路涉及按鈕自鎖、電機(jī)延時(shí)啟動(dòng)、星三角形降壓啟動(dòng)、熱繼電器過載保護(hù)、斷路器短路保護(hù)、接觸器欠壓保護(hù)環(huán)節(jié)。為了使教學(xué)環(huán)節(jié)更加生動(dòng)形象，學(xué)生容易理解電機(jī)控制原理，采用CADe_SIMU 4.2軟件進(jìn)行仿真教學(xué)。圖1為在仿真軟件中搭建的星三角形啟動(dòng)控制電路。

電機(jī)直接啟動(dòng)瞬間電流過大，為了避免對(duì)電機(jī)產(chǎn)生影響，定子采用星三角連接方式。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，定子采用星形接法，電流為三角形啟動(dòng)時(shí)的三分之一，實(shí)現(xiàn)降壓啟動(dòng)，仿真演示結(jié)果如圖1a所示。延遲一定時(shí)間之后，切換為三角形接法，此時(shí)為全壓啟動(dòng)，仿真演示結(jié)果如圖1b所示。具體原理分析過程如下。

啟動(dòng)運(yùn)行：閉合QS斷路器，按下SB1啟動(dòng)按鈕，交流接觸器KM、KM1以及時(shí)間繼電器KT1得電，啟動(dòng)按鈕自鎖，主電路接觸器KM主觸頭閉合，主電路電源接入，主電路接觸器KM1主觸頭閉合，定子采用星形接法，實(shí)現(xiàn)降壓啟動(dòng)；延遲一定時(shí)間后，時(shí)間繼電器KT1延時(shí)斷開的常閉觸點(diǎn)斷開，KM1線圈失電主電路對(duì)應(yīng)主觸頭釋放，同時(shí)KT1延時(shí)閉合的常開觸點(diǎn)閉合，KM2線圈得電，電動(dòng)機(jī)全壓啟動(dòng)。

停止運(yùn)行：按下停止按鈕SB2，KM2、KM線圈失電，主電路電機(jī)失電，停止運(yùn)行。

軟件仿真演示與實(shí)際搭建的電路工作過程一致，通過動(dòng)態(tài)直觀的演示，學(xué)生更容易理解整個(gè)電路原理。

2.1.2 電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)PLC控制技術(shù)仿真教學(xué)

PLC控制技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到各種領(lǐng)域，其中PLC程序的編寫是核心。PLC程序編寫的課程目標(biāo)是掌握程序編寫調(diào)試方法，培養(yǎng)解決實(shí)際工程問題的能力。學(xué)生在學(xué)習(xí)PLC編程調(diào)試過程中需要大量的硬件支持，由于價(jià)格高，無法做到每人一份，而利用虛擬仿真技術(shù)可以很好地解決這一問題。

PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)步驟為：首先，指導(dǎo)學(xué)生弄清楚控制要求后，了解被控對(duì)象的整個(gè)生產(chǎn)工藝流程并計(jì)算輸入輸出設(shè)備，確定I/O資源分配；其次，使用Auto CAE軟件繪制硬件原理圖，并厘清硬件之間的連接關(guān)系；再次，用博圖軟件編寫程序并仿真；最后，在Wincc中繪制上位機(jī)監(jiān)控界面。運(yùn)用到的虛擬仿真軟件有CADe_SIMU 4.2和TIA Portal V15.1。在CADe_SIMU 4.2軟件中仿真的結(jié)果如圖2與圖3所示，滿足電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)控制要求。

2.2 電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)電氣控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，課前教師通過學(xué)習(xí)通布置星三角形啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，要求學(xué)生根據(jù)線上視頻學(xué)習(xí)資源學(xué)習(xí)，并自行設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)電路的主電路與控制電路，對(duì)電路中涉及的硬件進(jìn)行選型、I/O資源分配，同時(shí)繪制程序思維導(dǎo)圖，用電腦編寫梯形圖程序，并驗(yàn)證其功能；課上先講解原理、用電安全和操作過程中的注意事項(xiàng)；教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行硬件接線、軟件編譯，之后軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試，直至達(dá)到電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)設(shè)計(jì)要求。電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)實(shí)物搭建及驗(yàn)證如圖4所示。電動(dòng)機(jī)星三角形啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，編寫的程序如圖5所示。

通過星三角形啟動(dòng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試，學(xué)生可以掌握軟件編程、仿真調(diào)試、硬件接線，對(duì)后期自行設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)起到了很好的輔助作用。

3 結(jié)束語

在教學(xué)過程中，學(xué)生在線上利用平臺(tái)資源結(jié)合軟件仿真，可以提前搭建項(xiàng)目硬件仿真電路，驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的合理性；也可以編寫程序，驗(yàn)證程序的健壯性。教師線下利用實(shí)驗(yàn)室硬件資源，與學(xué)生一起對(duì)項(xiàng)目控制系統(tǒng)進(jìn)行I/O資源分配、梯形圖程序編寫、人機(jī)界面設(shè)置和虛擬仿真調(diào)試等。在整個(gè)混合式教學(xué)過程中，通過線上虛擬仿真調(diào)試將PLC知識(shí)點(diǎn)層層遞進(jìn)地灌輸給學(xué)生，同時(shí)在線下利用實(shí)物直觀地演示，讓學(xué)生通過教師的引導(dǎo)自主學(xué)習(xí)，對(duì)PLC產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 冮明穎，吳靜，于常武.基于MOOC平臺(tái)的PLC課程混合式教學(xué)模式改革與實(shí)踐[J].中國教育技術(shù)裝備，

2023（18）：81-84.

[2] 趙洋.基于混合式教學(xué)法的數(shù)控機(jī)床電氣控制與PLC編程課程教學(xué)改革[J].高教學(xué)刊，2023，9（24）：145-148.

[3] 曹錦江，陳桂，黃家才.智能制造背景下自動(dòng)化類專業(yè)綜合實(shí)踐平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（3）：278-282.

[4] 李冀紅，萬青青，陸曉靜，等.面向現(xiàn)代化的教育信息化發(fā)展方向與建議：《中國教育現(xiàn)代化2035》引發(fā)的政策思考[J].中國遠(yuǎn)程教育，2021（4）：21-30.

[5] 陽世榮.經(jīng)濟(jì)型船用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器的改進(jìn)與應(yīng)用研究[J].艦船電子工程，2022，42（10）：151-154，209.

[6] 王正甲，王寶明.閉式星三角啟動(dòng)方式在船用大電機(jī)上的應(yīng)用研究[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2018，

41（2）：55-58.

[7] 馬燕.抽油機(jī)星三角轉(zhuǎn)換的應(yīng)用研究[J].石油石化節(jié)能，2020，10（4）：5-6，52.

[8] 陳愛文，黃鳳良.消防水泵電機(jī)星三角啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（8）：147-150，155.

*項(xiàng)目來源：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“基于電力電子實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的微電網(wǎng)技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)”（基金編號(hào)：220600245211949）；省級(jí)研究生聯(lián)合培養(yǎng)示范基地“安徽建筑大學(xué)—安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司研究生聯(lián)合培養(yǎng)示范基地”

（基金編號(hào)：2022lhpysfjd056）；安徽建筑大學(xué)校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目“工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下電類專業(yè)電子實(shí)習(xí)模式探索與實(shí)踐”（基金編號(hào)：2023jy47）；安徽建筑大學(xué)校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目“智能制造背景下電類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)”（基金編號(hào)：2022jy15）；安徽建筑大學(xué)校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目“以賽促學(xué)基于PLC的高層建筑電梯群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究”（基金編號(hào)：LJ22074）；安徽建筑大學(xué)校級(jí)線上線下課程“模擬電子技術(shù)”（基金編號(hào)：2022xsxx01）；安徽建筑大學(xué)校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目“工程教育背景下模擬電子技術(shù)實(shí)踐課程教學(xué)”（基金編號(hào)：2021jy64）；安徽建筑大學(xué)校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程“基于PLC的立體倉庫虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”（基金編號(hào)：2023xnfz01）；省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目“面向產(chǎn)出的機(jī)電類專業(yè)建設(shè)及持續(xù)改進(jìn)機(jī)制研究”（基金編號(hào)：2022jyxm299）。

作者簡介：鄧從龍，助理實(shí)驗(yàn)師；陳中，高級(jí)工程師；欒慶磊，副教授；趙靜，講師。