馬靜

（新疆天山職業(yè)技術(shù)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830017）

0 引言

課程項(xiàng)目化教學(xué)是近年職業(yè)本科院校積極推行的一種教學(xué)模式，教學(xué)過(guò)程以學(xué)生為中心，項(xiàng)目為載體，多學(xué)科理論知識(shí)為依據(jù)，在項(xiàng)目推進(jìn)的同時(shí)輸出理論知識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和成就感[1]。職教改革實(shí)施方案中指出自2022 年起實(shí)踐課程原則上不少于課程量的50%[2]。職業(yè)教育“手腦并用，做學(xué)合一”的理念早期由教育家黃炎培等人提出，目的是培養(yǎng)符合國(guó)家需要的實(shí)用型技能人才[3]。項(xiàng)目化教學(xué)應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域，通常以“任務(wù)驅(qū)動(dòng)、目標(biāo)主導(dǎo)、理論輔助”[4]，理論與實(shí)踐研究已趨于成熟并不斷延伸，在工業(yè)領(lǐng)域培養(yǎng)出一批職場(chǎng)“大國(guó)工匠”[5]。不少職業(yè)院校對(duì)項(xiàng)目化教學(xué)進(jìn)行了實(shí)踐，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院就高職《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)踐，以校企合作模式進(jìn)行，項(xiàng)目難度隨年級(jí)升高逐漸提高，將課程知識(shí)按項(xiàng)目化教學(xué)分解、重構(gòu)并實(shí)施教學(xué)，效果明顯[6]。邵陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院向浩對(duì)電氣控制線路裝配與調(diào)試課程進(jìn)行了項(xiàng)目化實(shí)施，分析了教學(xué)法和教學(xué)模式等，展示了創(chuàng)新性教學(xué)方法及教學(xué)成果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[7]。

對(duì)于智能禽舍的研究，Raden[8]等人通過(guò)嵌入式技術(shù)利用傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)禽舍NH3含量及舍內(nèi)溫度。黃佳[9]對(duì)家禽生長(zhǎng)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行了包括環(huán)境信息檢測(cè)和檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建設(shè)，可將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。劉洽[10]對(duì)散養(yǎng)家禽舍的環(huán)境監(jiān)控以PLC為基礎(chǔ)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以多種傳感器、執(zhí)行構(gòu)件和遠(yuǎn)程終端等模塊設(shè)計(jì)了禽舍控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)端對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制處理及自動(dòng)化養(yǎng)殖。

1 項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)施基礎(chǔ)

智能制造專業(yè)群項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)教學(xué)注重學(xué)生編程、三維建模及工程實(shí)操，對(duì)設(shè)計(jì)和工藝分析等均有培養(yǎng)與體現(xiàn)[11]，多學(xué)科交叉，多種加工方式并行。學(xué)校智能制造專業(yè)群實(shí)訓(xùn)設(shè)備完善，有六自由度機(jī)械臂、數(shù)控加工中心、普通車(chē)床、鏜床、走絲電火花切割機(jī)床、激光打印機(jī)、3D 打印機(jī)、電子實(shí)訓(xùn)設(shè)備等輔助工具，可滿足課程項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求。

項(xiàng)目化教學(xué)在我校職業(yè)本科層次學(xué)生中反響強(qiáng)烈，隨著項(xiàng)目的實(shí)施不斷深化理論課程，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決，教學(xué)過(guò)程中師生共同做中學(xué)、學(xué)中做，以考核的形式促進(jìn)學(xué)生積極參與，實(shí)施效果明顯。

2 項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)綜合設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)目的及實(shí)訓(xùn)準(zhǔn)備

小規(guī)模養(yǎng)殖設(shè)備智能化程度較低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)境監(jiān)控存在問(wèn)題。通過(guò)對(duì)內(nèi)環(huán)境控制進(jìn)行建模和改造，可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖智能化。

2.1.1 教學(xué)目標(biāo)

（1）進(jìn)一步熟悉機(jī)械基礎(chǔ)課程中機(jī)械零件的應(yīng)用，掌握三維建模中從零件繪制、裝配體協(xié)調(diào)組合仿真、工程圖導(dǎo)入與基本標(biāo)注內(nèi)容。

（2）熟悉PLC 指令語(yǔ)言使用、子程序邏輯組合協(xié)調(diào)運(yùn)行。

（3）掌握傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算應(yīng)用，熟練操作3D 打印機(jī)實(shí)現(xiàn)制定模型打印。

（4）了解基本數(shù)控加工方式等教學(xué)內(nèi)容，以最終實(shí)現(xiàn)裝配試驗(yàn)臺(tái)架運(yùn)行為任務(wù)導(dǎo)向。

實(shí)訓(xùn)過(guò)程中3D 打印利用PLA 材料等可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜異變零件的塑性成形[12]，數(shù)控等機(jī)加工根據(jù)指令完成切、鉆、銑等操作。

2.1.2 教學(xué)過(guò)程

整個(gè)教學(xué)過(guò)程如下：成員組合--項(xiàng)目實(shí)施對(duì)象討論--任務(wù)分工--文獻(xiàn)資料查閱--項(xiàng)目具體開(kāi)展執(zhí)行--中間環(huán)節(jié)疑問(wèn)解決--成果展示。以最終實(shí)現(xiàn)裝配試驗(yàn)臺(tái)架運(yùn)行為任務(wù)導(dǎo)向，將課本中大量理論知識(shí)融入項(xiàng)目教學(xué)活動(dòng)，盡可能地減少學(xué)時(shí)。

2.2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目機(jī)械結(jié)構(gòu)原理

項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)成果為智能化禽舍試驗(yàn)臺(tái)架（圖1），其體積為0.125 m3，基于Solidworks 建模、S7-200 SMART PLC 編程控制，由太陽(yáng)能電池供電實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)使用PLC 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控，將理論課程應(yīng)用于實(shí)踐設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)約智能化、自動(dòng)化改造。

圖1 家禽舍整體結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)架主要由電氣控制系統(tǒng)機(jī)架，主體機(jī)械結(jié)構(gòu)包括清糞輸送帶，食槽內(nèi)有輸送飼料無(wú)軸螺旋攪輪和內(nèi)部底網(wǎng)設(shè)計(jì)清糞集蛋系統(tǒng)組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 中家禽舍門(mén)前側(cè)儲(chǔ)食桶定點(diǎn)定時(shí)排下飼料至食槽內(nèi)，無(wú)軸螺旋輸送實(shí)現(xiàn)飼料輸送。其中攪輪、食槽和儲(chǔ)食桶由學(xué)生通過(guò)CAM 模式三維建模并進(jìn)行3D 打印。

2.3 整體電氣布控

電氣控制部分配合機(jī)械框架設(shè)計(jì)，試驗(yàn)臺(tái)架以STEP7-MicroWIN 編程軟件編寫(xiě)PLC 程序，明確系統(tǒng)的控制順序，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制主程序包括計(jì)數(shù)指令、定時(shí)器控制燈光啟停、溫度調(diào)節(jié)等；食槽飼料均勻輸送帶定時(shí)輸送糞便采取聯(lián)動(dòng)定時(shí)控制，以及由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的清糞集蛋系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)如圖2，PLC 主程序如圖3。在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中學(xué)生了解了具體要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作指令，布置任務(wù)自行查閱相關(guān)資料，借助設(shè)備實(shí)現(xiàn)子程序功能，再綜合連串。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 PLC 主控制程序

整體系統(tǒng)包括清糞集蛋系統(tǒng)、實(shí)時(shí)家禽數(shù)量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)。根據(jù)基于LED 光照環(huán)境中光照強(qiáng)度對(duì)肉家禽生理行為影響的相關(guān)研究，設(shè)計(jì)禽舍光源補(bǔ)色為橘黃光[13]，之后設(shè)計(jì)飼料均勻輸送機(jī)構(gòu)等部件。

2.4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.1 清糞集蛋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

清糞集蛋系統(tǒng)如圖4，推桿在伺服驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)下沿底網(wǎng)平面做往返運(yùn)動(dòng)，初始狀態(tài)推蛋桿在禽舍門(mén)口下方，工作時(shí)伺服電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°沿底網(wǎng)斜面前進(jìn)，推蛋桿與底網(wǎng)無(wú)間隙，將家禽蛋推至集蛋槽內(nèi)，返程時(shí)伺服電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，清糞刷向下與底網(wǎng)接觸將底網(wǎng)上的雜物清除。

圖4 清糞集蛋系統(tǒng)

以上動(dòng)作完成底網(wǎng)清掃和底網(wǎng)上推桿推蛋動(dòng)作，經(jīng)學(xué)生多次試驗(yàn)，為保證家禽蛋完好無(wú)損傷，調(diào)整推桿前進(jìn)運(yùn)動(dòng)速度為0.02 m/s，電氣系統(tǒng)順序動(dòng)作，底網(wǎng)下方清糞布隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)將排泄物傾倒在一側(cè)，方便集中收集。集蛋槽內(nèi)裝柔性攪輪，攪輪一側(cè)軸端與帆布同步帶連接，清糞同時(shí)通過(guò)攪輪將槽內(nèi)家禽蛋從另一側(cè)排下。為保證攪輪工作穩(wěn)定性，電機(jī)線速度調(diào)整為0.05 m/s[14]。推桿、攪輪均由學(xué)生通過(guò)三維建模操作數(shù)控加工設(shè)備或3D 打印設(shè)備完成。

2.4.2 數(shù)量統(tǒng)計(jì)

家禽數(shù)量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的原理如圖5，利用光電傳感器反應(yīng)次數(shù)檢測(cè)禽舍家禽數(shù)量。具體為將兩個(gè)光電傳感器分別安裝在舍門(mén)外側(cè)和內(nèi)側(cè)，傳感器接收端對(duì)準(zhǔn)門(mén)口通道并保持水平，相對(duì)距離約300 mm。傳感器型號(hào)為洛施達(dá)M12 微小型紅外激光漫反射光電傳感器（NPN 型），單頭檢測(cè)距離150 mm，穩(wěn)定性強(qiáng)，受日光燈和太陽(yáng)光亮度影響小，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)。

圖5 禽舍家禽數(shù)量統(tǒng)計(jì)

光電傳感器工況時(shí)常開(kāi)，家禽進(jìn)入禽舍時(shí)“，1”“、2”先后接收信號(hào)，家禽外出時(shí)“，2”“、1”順序接收信號(hào)，即：順序1-2 進(jìn)，2-1 出，進(jìn)入數(shù)量總和與出去的數(shù)量總和的差為舍內(nèi)家禽的數(shù)量，如式（1）

式中S—舍內(nèi)家禽數(shù)量，n—進(jìn)入舍內(nèi)家禽數(shù)量之和，m—從禽舍出去的家禽數(shù)量之和。

將上述邏輯計(jì)算進(jìn)行基于STEP 7-MicroWIN 平臺(tái)以Siemens SMART-200 PLC 控制器等硬件基礎(chǔ)編寫(xiě)家禽計(jì)數(shù)梯形程序，1，2 傳感器對(duì)應(yīng)自增計(jì)數(shù)器INC，每次增1，之后減法指令SUB 將通道1 數(shù)據(jù)減去通道2 數(shù)據(jù)，其差值即為舍內(nèi)家禽數(shù)量。最后通過(guò)MOV_DWS 雙字節(jié)指令顯示SUB 結(jié)果。對(duì)于特殊應(yīng)用場(chǎng)景下的處理，采用系統(tǒng)重置措施，計(jì)數(shù)歸零重新開(kāi)始。

2.4.3 保溫與通風(fēng)換氣設(shè)計(jì)

引導(dǎo)學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際，各類環(huán)境參數(shù)設(shè)定要結(jié)合實(shí)際養(yǎng)殖情況。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知禽舍內(nèi)溫度低于13 ℃或高于30 ℃時(shí)都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)蛋率降低、飼料消耗下降[15]。采用合理橫向間歇性通風(fēng)方式可以使室內(nèi)溫度變化差值控制在2 ℃以內(nèi)[16]，安裝通風(fēng)扇，借助PLC 利用有害氣體濃度傳感器閾值設(shè)定控制間歇通風(fēng)，采用機(jī)械式溫控器，使內(nèi)部溫度可在13～30 ℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)[17]，連接風(fēng)機(jī)加熱器，低溫時(shí)鋁殼體加熱擴(kuò)散效率突出。利用PLC 程序定時(shí)器間歇控制加熱器工作實(shí)現(xiàn)供暖，維持內(nèi)部環(huán)境適宜溫度。圖6 為項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)禽舍試驗(yàn)臺(tái)架。

圖6 項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)禽舍試驗(yàn)臺(tái)架

3 實(shí)訓(xùn)效果

課程實(shí)訓(xùn)過(guò)程中學(xué)生任務(wù)分工明確，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，相互配合，是教學(xué)活動(dòng)的“主角”，教師是輔助項(xiàng)目推進(jìn)的“配角”，項(xiàng)目式教學(xué)中學(xué)生邊學(xué)邊做，鼓勵(lì)學(xué)生參加各類競(jìng)賽，隨進(jìn)度推進(jìn)有意識(shí)地提高制作質(zhì)量、增強(qiáng)時(shí)間觀念，培養(yǎng)了學(xué)生綜合思維及合作意識(shí)。

通過(guò)搭建基于PLC 控制的智能化禽舍試驗(yàn)臺(tái)架綜合項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)課程的實(shí)施，培養(yǎng)了智能制造專業(yè)群學(xué)生在數(shù)控加工、3D 打印技術(shù)、CAD 繪圖、Solidworks 建模和PLC 編程等方面的操作與應(yīng)用，對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)、電機(jī)拖動(dòng)和傳感器應(yīng)用等理論課程理解均有加深，提升了專業(yè)認(rèn)知與實(shí)踐能力。

4 結(jié)論

項(xiàng)目化教學(xué)突出了職業(yè)教育的優(yōu)勢(shì)，以項(xiàng)目為載體，學(xué)生為中心，通過(guò)師生合作，讓學(xué)生親身實(shí)踐專業(yè)技能與知識(shí)。同時(shí)項(xiàng)目化教學(xué)可以培養(yǎng)動(dòng)手能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、工程思維全的應(yīng)用型人才。但項(xiàng)目化教學(xué)還存在諸多問(wèn)題，實(shí)施過(guò)程尚需結(jié)合相關(guān)政策、專業(yè)師資及學(xué)科特點(diǎn)等方面進(jìn)行綜合考慮。