基于工程案例的電氣控制與PLC課程教學改革與探索

沈偉

摘要：為提高學生的工程實踐水平，在深入調研昆山巨林科教實業(yè)有限公司的基礎上，引入企業(yè)的實際工程案例，能夠有效提高學生學習的能動性，提高學生分析問題和解決問題的能力。案例教學方法表明，將企業(yè)的工程案例引入到電氣控制與PLC課程教學，對學生工程意識的培養(yǎng)和提升具有重要作用。

Abstract： in order to improve the engineering practice level of students， on the basis of in-depth investigation of Kunshanjulin Machinery Co.， Ltd.， the introduction of enterprise engineering cases can effectively improve the initiative of students' learning， improve the ability to analyze and solve problems. The case teaching method shows that the introduction of enterprise engineering cases into electrical control and PLC teaching plays an important role in the cultivation and promotion of students' engineering awareness.

關鍵詞：工程案例;電氣控制與PLC;教學改革

Key words： engineering case;electrical control and PLC;teaching reform

0 ?引言

隨著國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略的提出，以“中國制造2025”、“互聯(lián)網+”、“人工智能”等為代表的國家戰(zhàn)略性需求，帶動了我國新一輪科技革命和產業(yè)變革，同時也助力我國高等教育教學的改革。教育部2014年度工作要點明確提出，要引導一批本科高校向應用技術型高校轉型發(fā)展。機械電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)緊密圍繞《中國制造2025》和天津市特色對接文件的實施方案，積極適應行業(yè)和區(qū)域發(fā)展需求，以培養(yǎng)具有機械設計制造和電氣控制技術等方面的基礎知識，具有從事機電一體化為基礎的機電設備的設計開發(fā)、研究及應用的技能和能力，能在行業(yè)工作現(xiàn)場從事技術應用、技術服務和技術管理的高素質應用型專門人才為目標，為社會培養(yǎng)急需的機電一體化方向的技術人才，為我國應用技術型人才的培養(yǎng)和區(qū)域經濟發(fā)展貢獻一份力量[1]。

1 ?電氣控制與PLC課程教學改革背景

《電氣控制與PLC》課程是一門涉及內容多、更新速度快、知識面廣、理論和實踐相結合的課程，能實現(xiàn)對學生綜合運用知識能力的培養(yǎng)，有必要對課程進行改革與探索[2]。PLC控制技術是在原有的順序控制器基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一種新型工業(yè)控制裝置。目前用人單位對PLC人才的需求為，熟練掌握PLC工作原理，熟練編寫PLC梯形圖等。很多院校的PLC課程依然采用理論課程配合驗證性實驗的傳統(tǒng)模式，在這種傳統(tǒng)教學模式下，學生的創(chuàng)新能力及實踐能力較弱，創(chuàng)新精神不夠，社會競爭力不足，難以適應企業(yè)對人才的要求。

2 ?電氣控制與PLC課程教學改革方法

《電氣控制與PLC》課程內容分為電氣控制和PLC兩部分，電氣控制是基礎，PLC是對電氣控制的補充，將電氣控制與PLC教學內容分別進行整合。

2.1 電氣控制的整合。

電氣控制部分主要介紹低壓電器和基本控制電路等。低壓電器部分涉及以接觸器、繼電器為代表等低壓電器元件。典型控制電路主要介紹電動機的啟動、制動、調速及車床等機械設備電氣控制等，這部分內容存在問題：部分內容過于陳舊。教學內容偏重于原理知識，而對于企業(yè)實際需要的器件選型、電路的識圖、制圖標準等內容介紹較少。這部分內容以典型案例作為出發(fā)點，分別介紹元器件、回路計算、設備選型、讀圖、畫圖、配電柜接線和線路調試等，以理論夠用為原則進行整合[3]。

2.2 PLC控制的整合。

PLC控制部分主要介紹PLC硬件及工作原理、PLC指令及程序設計、順序控制梯形圖設計、PLC功能指令、PLC模擬量檢測、通信及網絡等，這部分內容存在以下問題：教學內容固化，知識點單一;教學案例陳舊，發(fā)散性較差。教學案例幾乎都是以搶答器、信號燈等為主，與工程實際連接不夠緊密。教學改革以巨林開發(fā)的實際案例出發(fā)，融合先進智能制造案例，結合企業(yè)需求，提高學生綜合應用能力[4]。

2.3 優(yōu)化教學手段，提高學習興趣

在課程教學過程中，涉及到低壓電器元件的內容，借助實物、圖片、動態(tài)圖等教學手段;對主電路和控制電路部分，借助于主流電氣軟件、動畫、視頻等教學手段;在PLC教學過程中，對涉及工作原理等方面的內容，采用多媒體PPT等教學手段;對編程調試的內容，采用軟件仿真、組態(tài)動畫驗證等方式組織教學;對安裝接線的內容，采用視頻演示、動畫等教學手段。綜合運用以上教學手段，將抽象內容具體化，有助于學生理解，提高學習興趣[5]。

3 ?工程案例在電氣控制與PLC課程中的應用

基于PLC實踐性強的特點，教師在授課的同時，逐步引入工程案例，將學生帶入到特定的環(huán)境中，通過真實案例讓學生體會到PLC在實際生產中的作用[6]。在《電氣控制與PLC》課程教學過程中，采用教師為主導、學生為主體的教學理念，多種教學模式相混合，將引入案例功能進行分解，提取知識點，對應到課程相關章節(jié)中[7]。通過任務驅動等教學方法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提高學生對PLC知識點的理解，將“巨林制造”的教育理念貫穿到每個環(huán)節(jié)，達到學以致用的目的，滿足企業(yè)的需求[8]。

3.1 工業(yè)機械手控制系統(tǒng)的設計

天津是我國北方重要的工業(yè)城市，機械手裝置作為自動化生產線重要的組成部分，具有很強的企業(yè)應用背景，符合天津市地方產業(yè)的發(fā)展。巨林研發(fā)的機械手實訓裝置包括電機驅動、氣動控制、PLC控制、傳感器等多種技術，可以對學生進行從編程、調試以及維護等一系列不同層次的教學訓練[9]。

機械手實訓平臺分別對X、Y、Z三軸進行控制。上電時，按下啟動按鈕，三個軸快速復位，復位完成后進入準備狀態(tài)，電機驅動機械手抓取物料。抓取動作完成后，進行放料動作。機械手在投放物料時，需靠X、Y、Z三軸精確定位，從而確保物料能精確的放入到放料臺中。放料動作完成后，三軸同時快速復位到初始位置等待下一次命令。如圖1為三自由度機械手的外形圖。

3.2 倉庫立體裝置控制系統(tǒng)的設計

如圖2所示為小型立體倉庫實訓裝置，涉及機械技術、電工電子技術、傳感器技術、PLC控制技術等多種技術為一體的實訓裝置。立體倉庫實訓裝置元器件主要由步進電機、出入庫平臺、電磁閥、傳感器等組成。裝置控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC，通過PLC控制步進電機來實現(xiàn)左右X軸、上下Z軸的高精度定位，結合氣動機構實現(xiàn)工件的出庫和入庫;設備整體可以完成垂直平面內復雜運動軌跡的控制，使教學內容更加貼近于生產實際。通過本案例，學生可以充分掌握PLC編程的基本原理和規(guī)則，為以后的就業(yè)提供了支撐。

4 ?工程案例教學實施總結

案例式教學法鼓勵學生在課堂上積極思考、分小組討論，生動形象，同時實際案例的引入也讓學生把理論知識與實踐生產更好的銜接。通過工程案例教學，能夠有效提高學生學習的能動性，教師通過布置任務點，讓學生學會分析問題和解決問題的能力，通過小組討論活躍課堂氛圍，使學生學習由被動轉向主動，激發(fā)了學生對專業(yè)知識的興趣[10]。工程案例教學在我國高等教育教學中，還處于剛剛起步階段。隨著工程案例教學的不斷深入開展，將會極大的改變現(xiàn)有的教學模式，在整個教學過程中，學生主導地位逐步加強。

參考文獻：

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