竇新宇

（唐山學(xué)院,河北 唐山 063000）

0 引言

“電氣控制與PLC技術(shù)”是自動化相關(guān)專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，該課程具有很強(qiáng)的實踐性，理論部分相對簡單。該課是“電機(jī)拖動”“自動控制原理”的后續(xù)課程，也是“單片機(jī)原理”的同期課程，更是“過程控制”“嵌入式系統(tǒng)”的前期課程。此外，該課程對于學(xué)生參與各種競賽、進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計、參加就業(yè)面試等環(huán)節(jié)起到至關(guān)重要的支撐作用。目前該課程主要面臨的問題如下。1）課程總學(xué)時數(shù)嚴(yán)重縮水，軌道交通信號與控制專業(yè)該課程已壓縮為32學(xué)時（其中實驗6學(xué)時），26學(xué)時要學(xué)懂弄通電氣控制部分和PLC控制部分的難度可想而知。2）各種教材普遍存在電氣部分和PLC控制聯(lián)系不緊密的現(xiàn)象，雖然教材中兩部分內(nèi)容實例豐富，但不容易使初學(xué)者形成控制系統(tǒng)的概念，缺少電氣控制與PLC控制的前后對比與聯(lián)系；同時也缺少與同類型控制系統(tǒng)課程的對比，比如“電氣控制與PLC技術(shù)”與“集散控制系統(tǒng)”“單片機(jī)原理”等課程的比較與聯(lián)系。3）課程思政處于起步階段，如何保證課程思政既不影響教學(xué)進(jìn)度，又把簡單的說教思政變?yōu)闈撘颇难孕兴颊€有待深入研究。

OBE是成果為導(dǎo)向的英文簡稱，PBL是問題為導(dǎo)向的英文簡稱[1]。教師課程設(shè)計既需要問題導(dǎo)向也需要成果導(dǎo)向，兩者之間的關(guān)系是相互獨立又相互聯(lián)系。教師對成果的追求會引導(dǎo)對問題的發(fā)現(xiàn)、分析和解決，對問題的發(fā)現(xiàn)、分析和解決本身也就會產(chǎn)出成果。教師不能脫離對成果的追求而去鉆研問題，也不能脫離對問題本身的探究而去追求成果，兩者相互促進(jìn)，彼此支持，密不可分[2-3]。

1 OBE和PBL教學(xué)法課程教學(xué)目標(biāo)

本文以自動運(yùn)貨小車為例進(jìn)行OBE和PBL教學(xué)法的課程設(shè)計。如圖1所示運(yùn)貨小車可以左右運(yùn)行，其中小車左行至限位開關(guān)SQ1處停止表示裝貨，20s后小車向右運(yùn)行至限位開關(guān)SQ2處停止表示卸貨，15s后小車?yán)^續(xù)向左運(yùn)行，循環(huán)往復(fù)。

圖1 左右循環(huán)運(yùn)貨小車控制系統(tǒng)

OBE目標(biāo)包括：1）實現(xiàn)運(yùn)貨小車的左右運(yùn)動；2）實現(xiàn)運(yùn)貨小車自動控制；3）限位保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計；4）立德樹人的課程思政目標(biāo)。

PBL目標(biāo)包括：1）小車左行、右行控制的實質(zhì)是以前學(xué)習(xí)過的電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；2）自動運(yùn)行的實質(zhì)是定時器控制（硬件定時器和軟件定時器）；3）限位保護(hù)環(huán)節(jié)實質(zhì)是用限位開關(guān)實現(xiàn)，利用了自鎖和互鎖的知識點；4）分析問題和解決問題的過程中融入家國情懷、科學(xué)精神、工匠精神、團(tuán)隊協(xié)作意識、樹立安全意識、工程倫理等課程思政內(nèi)容。

由此可見OBE和PBL目標(biāo)彼此一一呼應(yīng)，每個小問題的解決就是一個小成果的實現(xiàn)，每個小成果都離不開相關(guān)難題的解決。

2 OBE和PBL教學(xué)法課程教學(xué)設(shè)計

本文以自動運(yùn)貨小車為例分別設(shè)計了電氣控制部分的教學(xué)環(huán)節(jié)和PLC控制部分的教學(xué)環(huán)節(jié)，這有利于研究對象的一致性，有利于學(xué)生前后知識的銜接，也有利于學(xué)生總結(jié)不同類型控制器的特點，更有利于對復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計的參考。

2.1 電氣控制部分設(shè)計

根據(jù)OBE和PBL目標(biāo)可知該項目的3個關(guān)鍵：1）電機(jī)正反轉(zhuǎn)；2）定時環(huán)節(jié)；3）電氣保護(hù)環(huán)節(jié)。

電氣控制設(shè)計的一般程序可知，先設(shè)計主電路再設(shè)計控制電路，主電路和控制電路設(shè)計如圖2所示。主電路包括刀開關(guān)QS，正轉(zhuǎn)（右行）接觸器KM1常開主觸點和反轉(zhuǎn)（左行）接觸器KM2常開主觸點，熱繼電器FR驅(qū)動器件，三相籠型異步電動機(jī)M?？刂齐娐钒ò粹o，接觸器和定時器的線圈，行程開關(guān)的觸點，接觸器的輔助觸點和定時器的觸點等形成自鎖與互鎖等保護(hù)電路[4-5]。

課題中所蘊(yùn)含的課程思政內(nèi)容包括以下方面。

1）工業(yè)用電安全，電路設(shè)計中均遵守安全用電操作原則，學(xué)生在不帶電工況下檢查主電路和控制電路設(shè)計是否符合設(shè)計規(guī)范，檢查合格后才可以閉合主電路刀開關(guān)QS，然后實現(xiàn)帶電試車操作；學(xué)生應(yīng)該履行實驗室相關(guān)規(guī)定做好個人防護(hù)，例如長發(fā)學(xué)生需將頭發(fā)盤起，而且在操作時必須佩戴工作帽，防止頭發(fā)卷入電機(jī)造成安全事故，學(xué)生需穿絕緣安全鞋防止發(fā)生觸電事故等。

2）“起保?！彪娐吩O(shè)計是經(jīng)典的穩(wěn)定性控制電路，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提條件，從而引申到社會穩(wěn)定的重要意義。國家統(tǒng)一、社會穩(wěn)定是個人發(fā)展的先決條件，縱觀新冠疫情世界各國“抄中國防疫作業(yè)”可以激發(fā)學(xué)生的愛國熱情，堅定社會主義制度的優(yōu)越性，提升科技報國的決心。

3）自鎖與互鎖環(huán)節(jié)所蘊(yùn)含自我監(jiān)督和相互監(jiān)督的內(nèi)涵，系統(tǒng)設(shè)計中只有實現(xiàn)自我監(jiān)督和相互監(jiān)督才能保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，提高系統(tǒng)整體的可靠性，由此引出工匠精神和團(tuán)隊協(xié)作意識。

圖2 電氣設(shè)計原理圖

2.2 PLC控制部分設(shè)計

2.2.1 經(jīng)驗設(shè)計法

經(jīng)驗設(shè)計法具體執(zhí)行過程為：第一步，根據(jù)教材內(nèi)容本例子選用S7-200PLC作為主控制器。第二步，按照前述要求進(jìn)行I/O地址分配如表1所示。第三步，設(shè)計I/O連線圖，如圖3所示。第四步，設(shè)計梯形圖，這步的核心是充分掌握電氣控制相關(guān)知識和PLC編程知識，只有兩者有機(jī)融合才能設(shè)計出符合預(yù)期目標(biāo)的程序。筆者根據(jù)前述電氣原理設(shè)計經(jīng)驗，按照“起保?！彪娐吩O(shè)計原則設(shè)計出如圖4所示PLC梯形圖程序。

這種設(shè)計的優(yōu)點是程序設(shè)計簡單，不需要畫出程序流程圖，適合PLC初學(xué)者使用。這種設(shè)計的缺點是程序的設(shè)計質(zhì)量和耗費的時間與設(shè)計者的經(jīng)驗有很大關(guān)系，同時梯形圖的可讀性較差。

表1 I/O地址分配表

圖3 I/O接線圖

圖4 經(jīng)驗法梯形圖

2.2.2 順序控制設(shè)計法

根據(jù)上述分析可知，經(jīng)驗設(shè)計法設(shè)計梯形圖沒有一套固定的方法和步驟可以遵循，這就導(dǎo)致該方法具有很大的試探性和隨意性；這也會影響程序設(shè)計的可移植性，造成不同的控制系統(tǒng)缺少一種通用的、容易復(fù)制的設(shè)計方法。因此，在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中一般采用順序控制設(shè)計法。首先，程序員使用順序控制設(shè)計法時根據(jù)系統(tǒng)工藝過程畫出順序功能圖（如圖5所示）。然后，程序員根據(jù)順序功能圖畫出梯形圖（如圖6所示），由Q0.0~Q0.3狀態(tài)的變化歸納出一個工作周期可以劃分為左行、左行停止、右行、右行停止4步，另外程序還應(yīng)該設(shè)置等待起動的初始步，這5步分別用M0.0~M0.4來表示。最后，起動按鈕I0.1和限位開關(guān)的常開觸點、T37和T38延時接通的常開觸點是“步與步”之間的轉(zhuǎn)換條件[5]。

2.2.3 課程思政融入教學(xué)

課程思政元素可以從教師、學(xué)生和教學(xué)過程三個方面進(jìn)行融合。教師通過對國外及國內(nèi)工業(yè)控制的發(fā)展情況分析，進(jìn)而深入解讀工業(yè)4.0與中國制造2025的核心和意義，最終使學(xué)生達(dá)到了解歷史、展望未來、報效國家的目標(biāo)。教師通過研究先進(jìn)制造技術(shù)概念與本課程的關(guān)系，使學(xué)生掌握國內(nèi)外PLC生產(chǎn)企業(yè)市場占有率的情況，了解先進(jìn)技術(shù)，尋找國內(nèi)PLC技術(shù)的差距，提升社會責(zé)任感和使命感。教師通過對學(xué)生進(jìn)行遵紀(jì)守法教育、工程倫理教育、安全教育、操作規(guī)范教育、規(guī)章意識教育，使學(xué)生達(dá)到深植安全觀念，遵紀(jì)守法，按章辦事，形成工匠精神。教師通過3種設(shè)計方法的講授，使學(xué)生懂得事物之間存在普遍的聯(lián)系，進(jìn)一步引申到不同課程之間的知識點和技能存在聯(lián)系；教師將不同課程內(nèi)容聯(lián)系起來，使學(xué)生拓展視野，開闊思維布局，建立系統(tǒng)觀念，樹立大局意識。學(xué)生通過集體協(xié)作分工完成復(fù)雜的應(yīng)用設(shè)計任務(wù)，不僅鍛煉專業(yè)能力，還增強(qiáng)集體精神，以及刻苦鉆研、勤奮務(wù)實的工作態(tài)度。教學(xué)過程通過認(rèn)識論和方法論的應(yīng)用，學(xué)生鍛煉邏輯推導(dǎo)，擴(kuò)充發(fā)散思維，提升從事物發(fā)展過程中總結(jié)規(guī)律、應(yīng)用規(guī)律、拓展規(guī)律的能力。

圖5 順序功能圖

3 OBE和PBL教學(xué)效果

3.1 學(xué)生學(xué)習(xí)效果

課堂隨機(jī)閉卷對2019級軌道交通信號與控制專業(yè)83位同學(xué)進(jìn)行階段性測試。測試成績平均分為83.1分，最高分為96分，最低分為58分，具體分布為90分及以上18人，80~89分之間32人，70~79分之間22人，60~69分之間10人，60分以下1人。試卷的完成率達(dá)到100%，學(xué)生成績符合正態(tài)分布，高分和低分學(xué)生完全符合其上課表現(xiàn)、課后作業(yè)完成情況以及課程參與度等諸多因素。

圖6 順序控制梯形圖

在課后作業(yè)環(huán)節(jié)采用學(xué)習(xí)通平臺發(fā)表，該課共布置10次作業(yè)，每次作業(yè)按照學(xué)生實際水平設(shè)計必做題和選做開放性題目，其中10次作業(yè)必做題目的完成率達(dá)到100%，準(zhǔn)確率在90%~95%之間；選做題目以設(shè)計類題目為主，10次作業(yè)中平均參與率約為81%，平均每次作業(yè)解答過程的雷同率約為5%。由此可以看出：絕大多數(shù)學(xué)生已經(jīng)掌握課堂知識，對“電氣控制與PLC技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)興趣濃厚，愿意參與更高難度的設(shè)計題目，逐步把被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程中逐步形成獨立完成占絕對優(yōu)勢的良好學(xué)習(xí)氛圍，基本已達(dá)到OBE和PBL課程目標(biāo)。

教師對83名同學(xué)進(jìn)行學(xué)習(xí)問卷調(diào)查結(jié)果顯示（設(shè)置問題為“本課程采用OBE和PBL教學(xué)，對同一研究對象利用不同控制方法進(jìn)控制設(shè)計，你認(rèn)為學(xué)習(xí)效果如何？”）：約9 %的學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)效果明顯提高；約85%的學(xué)生認(rèn)為條理清楚，這種方法有利于形成知識系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，有利于課程間的相互聯(lián)系，有利于為各種競賽奠定知識基礎(chǔ)；約6%的學(xué)生認(rèn)為不清楚自己是否提高。由此可知，學(xué)生對這門課程采用這種教學(xué)方法接納程度很高，也有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)興趣，認(rèn)為通過這門課的學(xué)習(xí)自己的理論知識和動手能力有了較大提升。

學(xué)生參加“互聯(lián)網(wǎng)+”“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽”和校級電子競賽等情況顯示，19級軌道交通信號與控制專業(yè)共申報參賽PLC控制類課題10項，共有43人參與各種比賽，占全專業(yè)人數(shù)的51%。由此可見，本文所提教學(xué)模式不僅能夠提高課堂教學(xué)效果，更能提升學(xué)生科技創(chuàng)新的熱情，通過比賽鍛煉學(xué)生團(tuán)隊精神，增強(qiáng)學(xué)生協(xié)作意識，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的工匠精神。

3.2 教師教學(xué)效果

通過該課程的課程改革，筆者主持立項河北省教育廳教研課題1項，參與校級教研課題1項；建立學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)課程1門；發(fā)表教研論文3篇；指導(dǎo)學(xué)生競賽2項，指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計10人次；同時獲得2021年唐山學(xué)院教師教學(xué)競賽一等獎。

4 總結(jié)

本文分別從課程目標(biāo)設(shè)計，課程教學(xué)設(shè)計和課程教學(xué)效果等角度進(jìn)行分析研究。研究顯示：1）該方法能讓學(xué)生在壓縮學(xué)時狀態(tài)下快速掌握知識，有利于形成知識系統(tǒng)的概念，有利于建立課程對照學(xué)習(xí)的觀念，有利于競賽和畢業(yè)設(shè)計的順利進(jìn)行奠定理論知識基礎(chǔ)。2）該方法能讓教師在課程設(shè)計的過程中不斷提升自身知識水平，有利于教學(xué)改革的深入，有利于課程思政的展開，有利于競賽和科研的相互支撐。3）該方法能夠為相關(guān)課程的教學(xué)改革提供一種有益的嘗試。