朱鐵環(huán),李常平,歐文初

(湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201)

0 引言

智能控制是自動(dòng)控制發(fā)展的新階段,隨著新時(shí)代智能控制技術(shù)在工業(yè)體系中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,相應(yīng)的本科人才培養(yǎng)模式也應(yīng)該進(jìn)行改進(jìn)?！皺C(jī)電傳動(dòng)控制”課程是本科院校機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)所開設(shè)的一門必修課。為了順應(yīng)時(shí)代發(fā)展,不僅應(yīng)該增加自動(dòng)控制、智能控制相關(guān)的理論授課內(nèi)容,還應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié),以提高學(xué)生在控制技術(shù)方面的實(shí)踐應(yīng)用能力。如何有針對(duì)性地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué),提高學(xué)生的動(dòng)手能力、綜合運(yùn)用能力與創(chuàng)新能力,是值得思考的問(wèn)題。

1 “機(jī)電傳動(dòng)控制”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

湖南科技大學(xué)開設(shè)的“機(jī)電傳動(dòng)控制”課程共安排了40個(gè)學(xué)時(shí),其中,理論課時(shí)32個(gè)學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn)課時(shí)8個(gè)學(xué)時(shí)。受實(shí)驗(yàn)課時(shí)所限,一共開設(shè)了4個(gè)實(shí)驗(yàn),分別為變頻器無(wú)極調(diào)速實(shí)驗(yàn)、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、PLC控制的時(shí)間繼電器實(shí)驗(yàn)、基于PLC的三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課主要存在以下問(wèn)題:

(1)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課不夠重視,積極性不高。

(2)能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生占比不高,有一部分學(xué)生不愿意動(dòng)手,依賴其他同學(xué)。

(3)PLC程序編寫不夠熟練。

(4)實(shí)驗(yàn)接線存在錯(cuò)接或漏接情況。

(5)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力不夠。

2 “機(jī)電傳動(dòng)控制”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題的原因分析

通過(guò)仔細(xì)觀察學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上的表現(xiàn)情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況,通過(guò)與學(xué)生們交流探討,分析“機(jī)電傳動(dòng)控制”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在問(wèn)題的原因主要有以下幾點(diǎn)。

(1)一部分學(xué)生不清楚做實(shí)驗(yàn)的目的,甚至不清楚學(xué)習(xí)這門專業(yè)課的意義及作用,導(dǎo)致對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性不高;另外,實(shí)驗(yàn)考核方式不夠嚴(yán)格,導(dǎo)致一部分同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程重視不足。

(2)近些年來(lái)的擴(kuò)招導(dǎo)致學(xué)生人數(shù)增多,但實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)有限。每個(gè)班人數(shù)約為36人,只能3人一組使用一臺(tái)(套)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,這種情況導(dǎo)致有的學(xué)生只會(huì)接線,有的學(xué)生只會(huì)編寫程序,能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生不多。另外,每組人數(shù)一多,有的學(xué)生不動(dòng)手做實(shí)驗(yàn),依賴其他組員取得實(shí)驗(yàn)成果。

(3)為了給學(xué)生留出更多的自主學(xué)習(xí)時(shí)間,近些年來(lái)各門課程的課時(shí)都進(jìn)行了縮減,反映到“機(jī)電傳動(dòng)控制”課程中,導(dǎo)致理論課堂上對(duì)PLC相關(guān)知識(shí)的講解時(shí)間有限,對(duì)學(xué)生PLC編程訓(xùn)練有限;受實(shí)驗(yàn)課時(shí)所限,PLC部分只開設(shè)了簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),沒(méi)有開設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的成就感不高,學(xué)習(xí)積極性難以提高,加上PLC程序邏輯性強(qiáng),導(dǎo)致學(xué)生的PLC編程能力不高。

(4)很多學(xué)生對(duì)電氣控制部分的接線原理沒(méi)有清晰的邏輯關(guān)系認(rèn)識(shí),有一部分學(xué)生則把PLC存儲(chǔ)邏輯混淆入接線關(guān)系中,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)接線存在錯(cuò)接情況。尤其是在基于PLC的三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制實(shí)驗(yàn)中,由于既有主回路接線又有控制回路接線,接線比較復(fù)雜,學(xué)生在這個(gè)實(shí)驗(yàn)接線時(shí)最容易出問(wèn)題。

(5)基于實(shí)驗(yàn)課時(shí)的限制,大部分實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)難度不高,不能有效鍛煉學(xué)生的綜合應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力。

3 “機(jī)電傳動(dòng)控制”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)措施

3.1 開設(shè)專業(yè)導(dǎo)論課以提高實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的積極性

對(duì)大一新生開設(shè)專業(yè)導(dǎo)論課,包括理論部分和實(shí)驗(yàn)部分。理論部分由專業(yè)任課教師介紹本專業(yè)的發(fā)展方向、學(xué)習(xí)本專業(yè)的目的以及學(xué)習(xí)本專業(yè)的基本要求等,幫助新生正確認(rèn)識(shí)所學(xué)專業(yè)以及將來(lái)畢業(yè)的工作方向。組織新生參觀專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,由實(shí)驗(yàn)教師介紹專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,初步演示相關(guān)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生直觀地感受到實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要性,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的熱情。

3.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的考核方式

以往的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考核僅以最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為評(píng)價(jià)依據(jù),對(duì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程考核缺乏足夠的重視。本文擬定實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)比例為:課堂實(shí)驗(yàn)情況50%+實(shí)驗(yàn)報(bào)告50%,教師上課時(shí)需對(duì)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程情況做好記錄。采用這樣的考核方式,能促進(jìn)學(xué)生認(rèn)真對(duì)待實(shí)驗(yàn)過(guò)程,在實(shí)驗(yàn)課上達(dá)到學(xué)習(xí)要求。

3.3 提倡小班制實(shí)驗(yàn)教學(xué)

為了提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果,改變以往以行政班為單位做實(shí)驗(yàn),對(duì)一個(gè)行政班再細(xì)分為3個(gè)小班,每一次實(shí)驗(yàn)課只上一個(gè)小班,確保每人一臺(tái)(套)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,達(dá)到人人有機(jī)會(huì)動(dòng)手且必須動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。小班制教學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題與獨(dú)立動(dòng)手解決問(wèn)題的能力,達(dá)到每個(gè)實(shí)驗(yàn)每一步都能獨(dú)立完成,而且獨(dú)立操作過(guò)程中讓每位同學(xué)都具有安全意識(shí),如強(qiáng)電禁止帶電操作等。

3.4 啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)小程序

把原來(lái)開設(shè)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為一部分驗(yàn)證,另一部分教師啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生自己進(jìn)行設(shè)計(jì)。如對(duì)于PLC控制的時(shí)間繼電器實(shí)驗(yàn),教師給出延時(shí)斷開的示例程序,學(xué)生理解完成驗(yàn)證;然后教師提出設(shè)計(jì)延時(shí)斷開程序的要求,學(xué)生思考并完成設(shè)計(jì)。延時(shí)接通與延時(shí)斷開,實(shí)驗(yàn)原理相同,差異在于延時(shí)到了最后到底是接通還是斷開輸出部分,學(xué)生只要理解線圈通電與它對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)的關(guān)系就能完成設(shè)計(jì)。對(duì)于理解能力與動(dòng)手能力強(qiáng)的同學(xué),教師可以另行安排設(shè)計(jì)性的小程序,做到因材施教。如:用計(jì)數(shù)器做長(zhǎng)時(shí)間的定時(shí)器,教師提示計(jì)數(shù)器與時(shí)間繼電器用法的異同,啟發(fā)學(xué)生思考并設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)完成一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)小程序,學(xué)生獲得成就感,從而激發(fā)學(xué)習(xí)欲望。

3.5 合理增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K

為了提高學(xué)生的PLC程序編寫能力,建議合理增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K,如增加PLC順序控制實(shí)驗(yàn),在此實(shí)驗(yàn)中學(xué)生學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)調(diào)試程序,完成該實(shí)驗(yàn)的過(guò)程如下。

(1)教師講解順序控制指令的相關(guān)知識(shí),如指令中各參數(shù)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(xué)生理解該程序并完成該示例實(shí)驗(yàn)。

(4)教師再提出要求完成相應(yīng)的小程序設(shè)計(jì)。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(fù)地進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試,提高學(xué)生的PLC程序設(shè)計(jì)編寫能力,使學(xué)生在調(diào)試過(guò)程中不斷收獲成就感,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的主觀能動(dòng)性。

3.6 使用實(shí)驗(yàn)仿真軟件提高程序編寫能力

課堂上的學(xué)習(xí)時(shí)間有限,想要學(xué)好PLC編程并運(yùn)用于工程實(shí)踐,僅靠課堂上的練習(xí)是不夠的。教師可以指定學(xué)生下載相應(yīng)的編程軟件以及模擬器,如到三菱官網(wǎng)下載GX Developer編程軟件或者Works Two,同時(shí)下載相應(yīng)的模擬器,這樣學(xué)生就可以自己進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)了,模擬仿真后學(xué)生編程能力也將得到相應(yīng)提高。

3.7 強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)接線能力

對(duì)于PLC這一部分的接線,提醒學(xué)生理清PLC的邏輯關(guān)系已存儲(chǔ)在PLC內(nèi)部,不需要接線來(lái)體現(xiàn),只需對(duì)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(lái)接,從正極出發(fā)回到負(fù)極,同時(shí)開設(shè)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)反復(fù)訓(xùn)練學(xué)生的PLC接線能力,如開設(shè)“與”“或”“非”“與非”“或非”等邏輯小實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于電氣控制這一部分的接線,建議學(xué)生先畫出接線原理圖以理清思路,再根據(jù)接線原理圖依次接線。例如:基于PLC的三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制,先畫出接線原理圖。圖2為三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的主回路接線,圖3為三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)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(fā)回到負(fù)極,一個(gè)回路一個(gè)回路依次接線避免混亂,提醒學(xué)生要冷靜仔細(xì),從而保證接線正確。

圖2 三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的主回路接線

圖3 三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制回路接線

3.8 采用項(xiàng)目任務(wù)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

基于現(xiàn)代工業(yè)控制設(shè)計(jì)中的相關(guān)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,篩選出適合本科生的若干實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,以便采用項(xiàng)目任務(wù)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。如基于PLC的三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,不再由教師主導(dǎo)來(lái)完成,教師主要對(duì)學(xué)生啟發(fā)引導(dǎo)、強(qiáng)調(diào)用電安全以及最后把關(guān),由學(xué)生主導(dǎo)完成實(shí)驗(yàn),主要步驟如下:

(1)提倡學(xué)生組建團(tuán)隊(duì)開展項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。

(2)給定學(xué)生項(xiàng)目任務(wù),學(xué)生查閱相關(guān)的實(shí)驗(yàn)原理,如三相異步電動(dòng)機(jī)工作原理、電氣控制接線原理等。

(3)針對(duì)項(xiàng)目任務(wù),團(tuán)隊(duì)內(nèi)的學(xué)生通力合作,畫出電氣控制接線圖和PLC程序梯形圖。

(4)學(xué)生先對(duì)PLC程序控制部分在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行調(diào)試,特別注意互鎖與自鎖程序的編寫,調(diào)試程序時(shí)強(qiáng)電部分先不要接線。

(5)PLC程序調(diào)試無(wú)誤后,根據(jù)電氣控制接線圖對(duì)主回路和控制回路分別接線,接線后團(tuán)隊(duì)成員先進(jìn)行自查,自查無(wú)誤后再請(qǐng)教師幫忙檢查接線,教師檢查接線無(wú)誤后方可啟動(dòng)強(qiáng)電運(yùn)行。

(6)學(xué)生主導(dǎo)完成實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)成果提交教師審核。學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)式實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,會(huì)遇到一些難題,只有綜合應(yīng)用相關(guān)知識(shí)才能解決這些難題,這就有效地培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、綜合應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力。

但實(shí)驗(yàn)課時(shí)畢竟有限,建議學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室資源,一方面積極參與教師的相關(guān)科研課題,了解當(dāng)代工業(yè)控制中最新的需求;另一方面積極參加相關(guān)的技能創(chuàng)新大賽,進(jìn)一步提高自己的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語(yǔ)

為了培養(yǎng)機(jī)電相關(guān)專業(yè)本科生的控制技術(shù)應(yīng)用能力,“機(jī)電傳動(dòng)控制”課程應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。建議的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)措施主要有:開設(shè)專業(yè)導(dǎo)論課以提高學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)的積極性;改進(jìn)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的考核方式,促使學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)過(guò)程;提倡小班制實(shí)驗(yàn)教學(xué),促使每個(gè)學(xué)生必須親自動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn);啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)小程序;合理增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K;使用實(shí)驗(yàn)仿真軟件提高學(xué)生的程序編寫能力;強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)接線能力,以確保實(shí)驗(yàn)安全;采用項(xiàng)目任務(wù)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式,鼓勵(lì)學(xué)生積極參加教師的科研項(xiàng)目與相關(guān)的技能創(chuàng)新大賽。這些改進(jìn)措施可以提高學(xué)生在實(shí)踐中的動(dòng)手能力、綜合應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力,以期畢業(yè)后能夠在控制技術(shù)領(lǐng)域做出更大的貢獻(xiàn)。