以问题为导向的混合式教学模式在“变频器应用与维护”课程中的应用

孙莉莉

青岛港湾职业技术学院信息与电气工程学院 山东青岛 266404

混合式教学模式将传统线下教学和线上教学的优势结合起来，拓展了教与学的时间和空间。以问题为导向的混合式教学是以学生为中心，发挥问题对学习过程的指导作用，调动学习的积极性、主动性、参与性、协作性及竞争意识。本文探索以问题为导向的混合式教学模式，并用于“变频器应用与维护”课程中，大大提高了教学效果。

一、以问题为导向的混合式教学在“变频器应用与维护”课程中应用的必要性

“变频器应用与维护”课程是机电专业和电气自动化技术专业的一门专业核心课。课程目标是培养学生掌握变频器应用技术的相关知识和综合实践能力，使学生能够对变频器控制系统进行接线、参数设定、安装、调试和维护，以适应生产现场变频调速系统的应用。

“变频器应用与维护”课程教学内容繁多，知识面广。在变频器的面板控制、端子控制、启动控制、制动控制、同步控制、比例控制、通信控制等基本项目和基于PLC的车床主轴变频器的调速控制、基于PLC的带式输送机的变频器调速控制、基于PLC的起重机械变频调速控制、基于PLC和变频器实现恒压供水的闭环控制、基于触摸屏和PLC的变频器网络控制等典型项目中涉及了PLC程序设计基础、触摸屏组态等内容，只利用课堂线下学习的时间是有限的。所以，利用线上线下学习的混合式教学显得尤为重要。

为了满足线上线下混合式教学的需求，以学生为主体，以任务为驱动，对教学内容进行项目化改革和教学实施，如表1所示。开设“变频器应用与维护”课程之前，学生已经学习了电机与电气控制课程和PLC控制系统的应用与维护等课程，掌握了电机控制的相关理论和S7-200 PLC应用技术，所以，电机控制部分和变频器控制的编程部分，适合学生课前线上学习。围绕六个项目主要知识点的相关任务录制微课视频，将每个任务的微课上传到学习通平台。学生可以利用课余时间在学习通平台上自行学习，并应用仿真软件进行仿真实验。

表1 “变频器应用与维护”课程项目化教学实施表

教师在任务设计中选用与工作现场贴近的实例进行，以问题为导向，在任务实施中利用混合式教学、情境教学、角色扮演、分层次教学、分组教学等教学手段突破时间和空间限制，增强学生的代入感和投入感，提高学生学习主动性、积极性、解决问题的能力和实践能力。

二、以问题为导向的混合式教学在变频器通信控制中的应用实例

(一)任务设计与实际生产结合，任务单课前线上发放

为了增加学生的学习兴趣，提高学生的综合实践能力，以港口大型机械的工作现场为载体设计任务，并将任务单线上发布到学习通平台。

设计任务要求：利用触摸屏控制S7-200 PLC，PLC与MM420变频器之间通信，通过站号为3的变频器控制电机，从而实现桥吊大车行走机构的正反转运行。

(二)任务分析与实训设备结合，模拟实际工作现场

可以选用Smart 700IE触摸屏，通过以太网控制S7-200 PLC，选用USS协议通信作为现场监控和调试协议，采用两线制的RS485接口控制站号为3的MM420变频器，变频器控制三相异步电动机，电动机带动滑块移动模拟桥吊大车行走。

(三)任务实施运用多种教学手段，激发学生的学习兴趣和综合实践能力

1.分层次教学使不同层次的学生团结协作，共同进步

根据学生的知识基础层次不同，进行分组教学和分层次教学。让每个层次的学生在动手能力和专业知识方面都得到提高。根据每个班学生的知识素质基础不同可以分成三个层次，知识基础较好且动手能力强的学生分为第一组，适合进行触摸屏组态。知识基础较好且动手能力不强的学生分为第二组，适合进行PLC编程。知识基础较差、动手能力较弱的学生为第三组，适合进行变频器参数查找和设置。学生可以根据自身知识水平课前在学习通平台调查问卷中选择自己自愿参加的小组。三个层次的学生可以团结协作，在共同完成任务的同时，互相学习，互相促进，互相鼓励，形成良性循环。

2.情景教学和角色扮演，帮助学生熟悉职业性质和未来职业环境

根据学生知识基础不同进行分工，扮演不同角色，配合完成任务。结合分层次教学的三个组，将每个实训台的学生分成三类人员：中控室负责人、程序员和现场操作员。中控室负责人负责传达任务和触摸屏组态，程序员负责S7-200编程，现场操作员负责变频器参数的查找和设置，三人合作完成任务。具体实施步骤：

(1)现场操作员首先接线和设置参数，并告诉程序员设置的P2010参数的波特率和P2011的变频器站号。

(2)程序员对通信功能块编程，中控室负责人控制功能块设置的RUN输入变量为M1.0，Speed输入变量为VD20。编程结束后，用PLC对变频器进行编译操作调试。

(3)中控室负责人组态调试完毕。操作启动和停止按钮，实现桥吊大车电机的正转运行；操作频率按钮，输入负频率，实现桥吊大车电机的反转运行。

3.以问题为导向，线上线下混合式教学，将理论与实践有机结合

线上利用学习通平台进行资料发放、微课学习和课后检测。课前，利用学习通平台发布课堂学习任务单、需要掌握的技能和知识点的相关微课。课中，利用学习通“变频器应用与维护”课程发布任务点，利用讨论环节和抢答环节考查学生对知识的掌握程度。课后，每堂课布置作业检测题，考查学生对知识的掌握程度和学习状态，教师进行答疑、批阅作业和问题交流等工作。每个项目结束时进行线上阶段性项目考核。每个任务完成时，上传作品，完成线上自我评价、小组互评和教师评价。

线下利用实训室实验设备对线上线下的理论知识进行实践。进行硬件连接和软件仿真，并实现用触摸屏控制变频器，具体操作步骤如下。

(1)硬件连接(实训室线下讲解并实训接线，如图1所示)。使用标准Profibus电缆接在S7-200CPU通信口的1、3、8端子上，电缆另一头无插头，对应的两根线分别接到变频器的14、15端子上。

图1 变频器通信控制接线原理图

(2)确立通信方案。(学习通线上微课学习，并进行软件仿真)。MM420与S7-200之间的通信采用USS协议。S7-200作为主站，用户使用指令可以实现对变频器的控制。包括变频器的起停、频率设定、参数修改等操作。S7-200PLC提供的USS协议指令为USS-INIT和DRV-CTRL。

(3)参数组态与编程。步骤1：设置变频器的参数(实训室线下分组，查找参数手册)。P0700=5(对应来自USS的控制字)，P1000=5(对应来自USS的设定值)，P2010=6(对应波特率为9600)，P1120=5(斜坡上升时间为5秒)，P1121=5(斜坡下降时间为5秒)。

步骤2：定义USS内部变量(学习通线上微课学习，并进行软件仿真)。启动SETP7-Micro/WIN32编程软件，初始化功能块USS-INIT的Paud引脚和Active引脚与变频器参数P2010和P2011设置对应。控制功能块USS-CTRL的Drive对应变频器站号与参数P2011对应。

步骤3：编写程序(学习通线上微课学习与课堂线下实训结合)。编写程序并装到S7-200PLC的PLC中，初始化USS参数，激活协议，设置波特率为19200，与站号为3(23=8)的变频器进行通信，所以ACTIVE为8。如图2，功能块USS-INIT的程序梯形图所示。

图2 功能块USS-INIT的程序梯形图

变频器驱动控制：当M1.0=1时，启动变频器；当M1.1=1时，为自由停车；当M1.2=1时，为快速停车；当M1.3=1时，为故障应答信号；M1.4控制方向，0为逆时针转动，1为顺时针转动，对站号为3的变频器进行通信控制。MD20设置控制速度，用百分数表示。如图3，功能块USS-CTRL的程序梯形图所示。

图3 功能块USS-CTRL的程序梯形图

(4)触摸屏组态(学习通线上微课学习与课堂线下实训结合)。触摸屏运行变量与控制功能块USS-CTRL的RUN运行引脚变量对应，频率变量与控制功能块的USS-CTRL的输入引脚Speed对应。

(四)任务评价由自我评价、小组评价和教师评价完成

学生进行作品展示可以让学生感受成功的幸福感，从合作中找出问题并解决问题，提高团结协作能力，这是学生自我肯定和正向激励的过程。学生可以将完成任务的成果上传到学习通平台，供小组互评。小组互评能够取长补短，互相鼓励和借鉴。整个任务实施，教师是引导者，学生是任务的主体，教师的引导和拓展给学生带来动力，激发学生的创新能力。

(五)考核机制多元化

任务考核由线上和线下考核两大部分组成，注重每个任务的过程考核和每个项目的阶段性考核。最终的综合考核包括平时线上课程+平时作业检测成绩占10%；线上项目检测成绩占20%；线上任务完成情况包括自评、学生评价和老师评价，按3∶3∶4比例评定，占20%；线下项目阶段性实训考核占20%；线下期末考试占30%。

结语

以问题为导向的混合式教学在“变频器应用与维护”课程中的应用，大大提高了课堂效率，增强了学生的学习主动性和综合实践能力。结合变频器的实际应用场合，对课程中每个项目任务进行设计，将枯燥的理论与实践相结合，运用多种教学方法，能够激发学生的学习积极性，增强学生学习的投入度和代入感，提高学生的学习效率和教学质量。