STEM教育在PLC控制的路灯项目中的应用

肖志红　袁有志　黄壮弟

摘要：STEM教育不同于传统学科的知识教育，它是一种综合性的探究教育。本项目是基于某个小区路灯控制的真实问题，教学组织包括“问题驱动、知识应用和科学探究、作品设计和制作”等环节;体现了教师主导、学生中心、理实一体、工学结合的职教理念，也实践了STEM教育的跨学科理念。

关键词：STEM教育;问题;探究

STEM教育不同于传统学科的知识教育，它是一种综合性的探究教育。不能仅仅把SETM理解为一种课程模式，还必须把它理解为与STEM课程相匹配的教学策略及设置这种课程的目的，完整地把握和理解STEM教育的内涵与要求，以提升学生的STEM综合性素养为主旨，科学、合理地实施STEM教育。

本项目是基于某个小区路灯控制的真实问题，从提出假设、认真求证，科学验证，最终获得成功;增强了学习者的自主性和创造性。教学组织包括“问题驱动、知识应用和科学探究、作品设计和制作”等基本活动;过程体现了教师主导、学生中心、理实一体、工学结合的职教理念，也实践了STEM教育的跨学科理念;取得了良好的教学效果。

一、問题提出

STEM学习是探究性学习，探究必须从问题开始，发现问题是STEM的开端。PLC控制的路灯电路的设计与调试是基于生活情景的真实问题，在锦秀世家小区路灯控制每天都需要保安操作，影响物业管理的效益，现物业公司决定对路灯控制电路用PLC进行改造，作为一名学生你可以做到吗？

二、任务与要求

根据路灯控制的任务要求对项目所需器材进行选型，接线;列出I/O分配，画出接线图，编写程序;安装路灯电路并配合程序进行调试;正确使用工具，规范操作，安全用电。

三、知识运用与科学探究

科学假设是科学理论的一种可能表达。PLC控制的路灯电路的教学设计先运用定时器实现路灯的自动控制，经过研究不太科学。老师引导学生再提出了用步进指令和计数器定时的方式来实现路灯自动控制的假设，学生通过编程、仿真、调试等过程进行科学求证。

路灯每天要智能开关灯，如何实现自动控制呢？定时指令T的学，如T0 K32767，常数范围K不能大于32767。定时系数为0.1s，若选K30000，定时时间为3000S，可换算为50分钟。1天为1440分钟;如果用定时器实现，需要30个48分钟的定时器，编写的程序冗长，占用PLC存储空间。可否用其它方式实现定时昵？

科学探究：用脉冲指令和计数器定时。M8012、M8013、M8014分别是对应0.1s、1s、1m的脉冲，如果用1分钟的脉冲控制计数指令CI00 K720，可计时720m（分钟），即12h，如图1所示。如果路灯接通12h，断开12h，用两组计数器就可以实现1天的控制。

四、作品设计与制作

STEM是一种基于证据的学习。标准是行动的指南，在PLC控制的路灯电路的实施过程中，教师提供了工程验收标准，保证了作品的质量，学生经过综合调试硬件和程序，在下午6：30分开灯，在第二天早上6：30分灯熄灭，连续观察，每天都能准时开关灯，验证了方案的可行性，小区路灯改造后，启动一次，一劳永逸，解决了小区保安每天要重复开关灯的工作。为了节约时间，在教学过程中可用14.4S仿真代替24H。在验证过程中，有个别小组完成不太顺利，主要是软件编程或接线上出现了一些问题，经过反复调试，最终都获得了成功，STEM教学生成度高、有效。产品设计与制作过程如下。

（一）I/O分配表

PLC的I/O分配见表1，可参考接线。

（二）程序编写与仿真调试

打开GX Developer软件，画梯形图，如图2所示，可实现14.4S循环，24S控制如何实现？24h控制如何实现？要求学生迁移解决问题。

（三）作品制作

准备项目器材，按图纸要求定件元件，正确使用工具接线，下载程序，调试，按下启动按钮SB1，HL1路灯能按要求自动运行，按下SB2停止。

五、收获与努力方向

从提出问题到得出结论，是科学研究的完整过程。对于工程问题而言，要根据方案的实施情况对方案进行评估，验证其效果，进行修正和完善，稳定可靠运行。STEM作为一个教学策略，在作品设计制作、反思分享过程中，每个小组对路灯电路的设计与调试过程的问题、验证和结论等进行了实践，提升学习迁移能力;分享交流与评价过程中，产生新了新的观点，发现了新的问题，如学生提出了一个小区有多条街要控制、冬夏白昼的时间差异、自动传感感光等创造性的问题。在新的问题驱动下，学生反复经历完整的科学探究过程。部分小组程序编写过程中实现了从验证到创新的突破。通过PLC控制的路灯电路的设计与调试，培养了学生利用科学知识解决工程间题的能力。在STEM实践与探索过程中，下一步要努力做到课程内容与职业标准对接，教学过程与生产过程对接;融合STEM理念，深化职业教育人才培养模式改革。

参考文献：

[1]李艳燕.STEM创新教学模式与实践[M].电子工业出版社，2019.

[2]美罗伯特.M.卡普罗拉.基于项目的STEM学习[M].上海科技教育出版社，2016.

[3]陈如平.美国STEM课例设计[M].教育科学出版社，2018.