程衛(wèi)東 鹿芳媛 鄭元坤

摘? 要 以工程教育認(rèn)證相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求為課程教學(xué)改革目標(biāo)，對工廠電氣控制課程進(jìn)行理實(shí)一體化綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革。從工程教育通用標(biāo)準(zhǔn)課程體系中對工程實(shí)踐的相關(guān)要求，支持條件中對教室、實(shí)驗(yàn)室及設(shè)備的要求兩個方面，對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展性綜合設(shè)計論證。通過相關(guān)教學(xué)實(shí)踐活動，獲得預(yù)期的改革效果。

關(guān)鍵詞 理實(shí)一體化教學(xué)法;拓展實(shí)驗(yàn);工程教育認(rèn)證;工廠電氣控制;實(shí)驗(yàn)室;實(shí)驗(yàn)設(shè)備;OBE

中圖分類號：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）22-0124-04

Based on OBE Concept Extended Experimental Exploration of Industrial Electrical Control Technology//CHENG Weidong， LU Fangyuan， ZHENG Yuankun

Abstract The teaching reform aims at the related standards of engi-neering education certification. The course of Electric Control Tech-nology in Industry has been reformed by integrative teaching and experiment. Based on the relevant requirements of engineering prac-tice in the general standard curriculum system of engineering edu-cation and the requirements of classroom， laboratory and equipment in the supporting conditions， this paper demonstrates the extensive comprehensive design of basic experiments. Through the relevant teaching practice， the expected reform effect has been obtained.

Key words integration of theory and practice teaching method; ex-panding experiment; engineering education certification; electric con-trol technology in industry; laboratory; experimental equipment; out-comes-based education

1 前言

OBE（Outcomes-Based Education）是指教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生通過教育過程最后取得學(xué)習(xí)成果[1]。理實(shí)一體化教學(xué)法即理論實(shí)踐一體化教學(xué)法。理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)室（教室）教學(xué)環(huán)節(jié)相對集中，任課教師同時是實(shí)驗(yàn)教學(xué)執(zhí)行人和負(fù)責(zé)人，將理論知識融于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證反復(fù)交叉、融為一體，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）過程中理解理論知識、掌握技能、增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動性、提高學(xué)習(xí)興趣，在理論和實(shí)踐連續(xù)交互螺旋上升過程中完成學(xué)習(xí)積累。這樣就最大限度地契合了學(xué)習(xí)規(guī)律，突出學(xué)生的主體地位，激發(fā)學(xué)生探究式學(xué)習(xí)潛力，讓學(xué)生在不斷鞏固知識、積累工程能力的過程中達(dá)到事半功倍的效果。

機(jī)電課程群以傳感器及檢測技術(shù)、工廠電氣控制、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計課程為主，兼顧電工、電子技術(shù)基礎(chǔ)理論，擴(kuò)大涵蓋液壓與氣壓傳動、控制電機(jī)等課程的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用。在機(jī)電課程群理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)室（教室）中，各課程間可共享實(shí)驗(yàn)資源，相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備按臺套分區(qū)布置、40卡座（1或2人組）。本文以普通高等學(xué)校機(jī)械類專業(yè)工廠電氣控制課程為對象，進(jìn)行理實(shí)一體化教學(xué)模式下的拓展性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的綜合改革探索。

拓展性綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是在機(jī)電課程群理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)室（教室）的基礎(chǔ)上，挖掘?qū)嶒?yàn)設(shè)備潛力，通過學(xué)生自主拓展性實(shí)驗(yàn)設(shè)計（實(shí)施），從項(xiàng)目設(shè)計、工程應(yīng)用兩方面著手培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用的基礎(chǔ)能力。拓展性實(shí)驗(yàn)屬于綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2 相關(guān)基本術(shù)語及拓展性實(shí)驗(yàn)設(shè)計原則

開展拓展性綜合實(shí)驗(yàn)的一般術(shù)語? 為清楚表達(dá)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計及實(shí)施過程，將對應(yīng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和拓展性實(shí)驗(yàn)的基本術(shù)語進(jìn)行定義。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)：常規(guī)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

前導(dǎo)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)：擬在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：在相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上擬進(jìn)行的拓展性實(shí)驗(yàn)設(shè)計、實(shí)施的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

最小系統(tǒng)：拓展實(shí)驗(yàn)以PLC為核心的實(shí)操步進(jìn)式進(jìn)階過程中，設(shè)計調(diào)試只接通滿足本階段實(shí)操及調(diào)試所接入（通電）的電氣設(shè)備。

拓展性綜合實(shí)驗(yàn)題目設(shè)計原則? 在充分論證相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的可行性條件下，給出拓展性綜合實(shí)驗(yàn)的題目，題目來源從以下幾個方面考慮。

1）拓展性綜合實(shí)驗(yàn)題目設(shè)計與實(shí)驗(yàn)包含的技術(shù)應(yīng)用的密集度、通用度。

2）現(xiàn)有機(jī)電課程群理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)室（教室）條件下的拓展性綜合實(shí)驗(yàn)題目設(shè)計難度和可執(zhí)行度。

3）綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對一般性工程應(yīng)用是否具有指導(dǎo)意義？

4）拓展性實(shí)驗(yàn)設(shè)計和開展過程中，節(jié)點(diǎn)和進(jìn)程控制的技術(shù)進(jìn)階式、過程性的工程經(jīng)驗(yàn)積累。

5）必要的保護(hù)裝置以保證人身及實(shí)驗(yàn)設(shè)備安全。

3 前導(dǎo)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備及項(xiàng)目

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)共用設(shè)備? 三相異步電機(jī)（JW6314）+旋轉(zhuǎn)編碼器（E6B2-CWZ5C，NPN型），以下簡稱“三相異步電機(jī)模塊”;3位按鈕盒，1只;3色信號燈（交流220 V），1只;漏電斷路器NXBLE-63（4P 6 A），1只;明緯導(dǎo)軌式開關(guān)電源NDR-240W-24V，1只;24 V繼電器模組模塊（4路），1只;電機(jī)香蕉插接線一套，控制線路電線若干;必備接線工具、輔料若干。

理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)室（教室）實(shí)驗(yàn)1區(qū)設(shè)備? 本區(qū)設(shè)備主要用于常規(guī)電氣的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？紤]到前導(dǎo)課程電工學(xué)課程三相異步電機(jī)部分的實(shí)驗(yàn)安排，本理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)室（教室）從電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)開始切入。

1）實(shí)驗(yàn)1區(qū)正反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：斷路器NXB-63（3P D6），

1只;熔斷器RT28N-32X 2P，1只;交流接觸器CJX1-12/22

三相380 V，2只;熱過載繼電器JR36-20（0.32～0.5 A），1只;3位接線端子，1只。

2）實(shí)驗(yàn)1區(qū)星—三角實(shí)驗(yàn)設(shè)備：斷路器NXB-63（3P、D6），1只;交流接觸器CJX2-1210三相380 V，1只;交流接觸器CJX2-1201三相380 V，1只;熱過載繼電器NR2-12（0.63～1 A），1只;時間繼電器JSZ3C-E 5-60S 380 V，

1只;交流接觸器輔助觸頭組F4-11，1只;交流接觸器輔助觸頭組F4-22，2只;6位接線端子，1只。

3）實(shí)驗(yàn)1區(qū)變頻調(diào)速控制設(shè)備：斷路器NXB-63（3P D6），1只;英威騰GD200A-0R7G-4變頻器，1只。

學(xué)生開展拓展性實(shí)驗(yàn)設(shè)計的基本條件? 堅(jiān)持前導(dǎo)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)相關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)任務(wù)及實(shí)驗(yàn)效果評價與拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目申請相結(jié)合的拓展性實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)入原則。拓展實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的組織實(shí)施流程：以項(xiàng)目方式實(shí)施，填寫擬進(jìn)行的拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目申請表（2人/組）;任課教師或?qū)嶒?yàn)輔導(dǎo)教師根據(jù)申請人相應(yīng)拓展實(shí)驗(yàn)任務(wù)前導(dǎo)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)綜合評價（包括相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及報告的質(zhì)量;實(shí)驗(yàn)操作過程是否存在瑕疵，是否已糾正），允許合格者方可著手進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)方案（已分配課程群機(jī)電理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)室固定實(shí)驗(yàn)臺號）的準(zhǔn)備。

拓展實(shí)驗(yàn)用設(shè)備：實(shí)驗(yàn)2區(qū)PLC（S7-200 SMART SR20），

1只;HMI（SMART LINE 700IE V3）7寸彩色，1只。

拓展實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及流程? 拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)置是在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上衍生而來的技術(shù)綜合及工程融合。

1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)資料準(zhǔn)備、電路設(shè)計、相關(guān)程序、關(guān)鍵技術(shù)、解決方案及步進(jìn)硬件最小單元搭建等相關(guān)技術(shù)文檔撰寫。

2）相關(guān)技術(shù)文檔提交任課教師審核并簽字。

3）最小單元硬件條件搭建完畢，需參照撰寫的相關(guān)技術(shù)文檔自查，同時提交軟件聯(lián)機(jī)調(diào)試程序，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)室任課教師（或相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員）審核通過，在程序清單審核處簽字后進(jìn)入分步最小系統(tǒng)硬件搭建和聯(lián)機(jī)調(diào)試實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證。

4）獲得有效調(diào)試結(jié)果，整理提交相關(guān)技術(shù)文檔。

拓展實(shí)驗(yàn)結(jié)束后處理? 培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的實(shí)驗(yàn)室管理和實(shí)驗(yàn)文檔成果的備案制，為綜合性實(shí)驗(yàn)持續(xù)改進(jìn)提供可評估的技術(shù)文檔庫。

1）拓展實(shí)驗(yàn)取得預(yù)期效果無瑕疵，結(jié)束拓展實(shí)驗(yàn)。

2）設(shè)備搭建全部恢復(fù)為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。

3）整理合格技術(shù)文檔，形成實(shí)驗(yàn)報告并上交備案。

4）根據(jù)提交的技術(shù)材料質(zhì)量和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)過程中展現(xiàn)的實(shí)操能力進(jìn)行綜合考核，評定拓展實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)成績。

4 支持拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計的常規(guī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

1）前導(dǎo)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)1：三相異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容原理：具有機(jī)械、電氣互鎖的正反轉(zhuǎn)控制線路。

2）前導(dǎo)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)2：三相異步電機(jī)星—三角起動實(shí)驗(yàn)[2]（非國家標(biāo)準(zhǔn)推薦圖紙）。原理圖見圖1。

3）前導(dǎo)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)3：變頻器面板操控、接線端子、簡易可編程多段速控制。

4）基礎(chǔ)性綜合實(shí)驗(yàn)：PLC硬件及編程軟件認(rèn)知綜合性驗(yàn)證（最小系統(tǒng)）實(shí)驗(yàn)。其中包括前導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)1的PLC軟件實(shí)現(xiàn)及硬件調(diào)試、按前導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)2原理圖完全仿制的PLC程序關(guān)于能流反向及其處理、前導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)3的PLC—旋轉(zhuǎn)編碼器測試電機(jī)速度的相關(guān)編程及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本實(shí)驗(yàn)是綜合拓展性實(shí)驗(yàn)的設(shè)備、技術(shù)基礎(chǔ)。

5 PLC為核心的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)拓展設(shè)計

拓展性實(shí)驗(yàn)以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為前導(dǎo)任務(wù)，融入PLC控制與變頻器通信、云端遠(yuǎn)程、本地觸摸屏及組態(tài)軟件等自動化控制系統(tǒng)元素。

拓展性實(shí)驗(yàn)設(shè)計原則：選取適當(dāng)技術(shù)密集度，采用技術(shù)遞進(jìn)、逐漸接軌工程應(yīng)用，充分滿足“學(xué)生中心、目標(biāo)導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的工程教育認(rèn)證要求。

必備基本相關(guān)原理圖包括PLC硬件接線圖、I/O表、PLC程序。采用梯形圖全仿制編程。遇到能流反向問題，在保持全部邏輯控制關(guān)系的條件下，進(jìn)行梯形圖變形和優(yōu)化。

拓展實(shí)驗(yàn)1：三相異步電機(jī)反接制動實(shí)驗(yàn)? 在前導(dǎo)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)1的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展。PLC控制三相異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)起動，并采用速度原則反接制動停車，每步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證均采用最小系統(tǒng)進(jìn)行。

1）S7-200 SMART軟件編程及聯(lián)機(jī)調(diào)試（PLC輸入、輸出均不外接設(shè)備——最小單元硬件接線）。

2）輸出接直流24 V電源，驅(qū)動中間繼電器工作。

3）中間繼電器觸點(diǎn)接交流380 V外部控制電源驅(qū)動接觸器工作。

4）程序操控正、反轉(zhuǎn)接觸器動作，驗(yàn)證程序互鎖。

5）旋轉(zhuǎn)編碼器測速程序引入后的制動特征信號。

6）速度原則的制動程序環(huán)節(jié)軟、硬件環(huán)節(jié)程序調(diào)試。

7）接通正反轉(zhuǎn)主回路斷路器，進(jìn)行完全通電實(shí)驗(yàn)。

拓展實(shí)驗(yàn)2：可逆星—三角起動制動實(shí)驗(yàn)? 在前導(dǎo)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)2的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展。PLC控制三相異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)減壓起動，并采用速度原則星形反接制動停車，每步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證均采用最小系統(tǒng)進(jìn)行。

1）S7-200 SMART軟件編程及聯(lián)機(jī)調(diào)試（PLC輸入、輸出最小單元接線）;仿制給定的可逆星—三角起動制動原理圖如圖2所示（或獨(dú)立采用PLC編程），編制梯形圖程序[3];采用最小系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試。

2）輸出接直流24 V電源，驅(qū)動中間繼電器工作。

3）中間繼電器觸點(diǎn)接交流380 V外部控制電源驅(qū)動接觸器工作線圈。

4）程序操控星—三角接觸器線圈，驗(yàn)證互鎖、聯(lián)鎖。

5）速度原則的制動程序。拓展實(shí)驗(yàn)1的測速環(huán)節(jié)工程應(yīng)用加強(qiáng)。

6）接通星—三角主回路斷路器，進(jìn)行該拓展實(shí)驗(yàn)的完全通電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

拓展實(shí)驗(yàn)3：PLC與變頻器MODBUS RTU通信? 在前導(dǎo)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)3、4的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展。PLC、變頻器采用主從MODBUS RTU通信協(xié)議，HMI與PLC通過TCP/IP協(xié)議通信。完成人機(jī)交互對變頻器的起停、調(diào)速控制。進(jìn)一步HMI編程可進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的顯示組態(tài)。

1）PLC采用MODBUS RTU通信協(xié)議的軟件編程，PLC與變頻器的RS-485硬件接線。

2）PLC通信初始化及通信程序編制。

3）變頻器通信相關(guān)參數(shù)的面板設(shè)置。

4）MODBUS RTU主從通信聯(lián)機(jī)調(diào)試。

5）網(wǎng)線連接工業(yè)交換機(jī)、S7-200 SMART、HMI。

6）HMI組態(tài)開發(fā)、設(shè)計，完成與PLC通信。

7）全部系統(tǒng)完全聯(lián)機(jī)調(diào)試。

6 拓展性綜合實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的學(xué)習(xí)業(yè)績考核

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)在理實(shí)一體化課程中進(jìn)行，拓展性實(shí)驗(yàn)三選一。為加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)學(xué)生自主設(shè)計的積極性，拓展性綜合實(shí)驗(yàn)可作為項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)、課程設(shè)計實(shí)踐環(huán)節(jié)的加強(qiáng)性考核指標(biāo)，以期達(dá)到拓展性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置目標(biāo)。同時，學(xué)生的業(yè)績考評可延伸到相關(guān)的企業(yè)實(shí)習(xí)綜合考評中，使得學(xué)生每一階段的學(xué)習(xí)和工程認(rèn)知在基礎(chǔ)工程能力培養(yǎng)上連續(xù)加強(qiáng)。拓展性綜合實(shí)驗(yàn)可合并，連續(xù)計入后續(xù)各學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)業(yè)績：

1）本課程教學(xué)環(huán)節(jié)綜合考核優(yōu)秀的必備條件;

2）在本課程實(shí)踐環(huán)節(jié)工廠電氣控制課程設(shè)計中考核評定優(yōu)秀課程設(shè)計的基本條件之一;

3）作為相關(guān)企業(yè)實(shí)習(xí)成績評定的綜合成績按權(quán)重合并考核。

7 結(jié)語

以機(jī)電課程群中工廠電氣控制課程為例，基于OBE理念對課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行拓展性綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計。通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和拓展性綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)室（教室）可完八個以上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和綜合性設(shè)計實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，在課程主動學(xué)習(xí)過程中加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)獨(dú)立設(shè)計、安裝、調(diào)試、撰寫技術(shù)文檔等工程應(yīng)用能力鍛煉，為培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力奠定技術(shù)基礎(chǔ)[4]。采用理實(shí)一體化教學(xué)手段，對機(jī)電課程群相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行整合和綜合改革探索，充分滿足以學(xué)生為中心、以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向的工程教育要求?！?/p>

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