新时代“机电传动控制”课程实验教学的改进措施

朱铁环,李常平,欧文初

(湖南科技大学 机电工程学院,湖南 湘潭 411201)

0 引言

智能控制是自动控制发展的新阶段,随着新时代智能控制技术在工业体系中的应用越来越广泛,相应的本科人才培养模式也应该进行改进。“机电传动控制”课程是本科院校机械设计及其自动化专业所开设的一门必修课。为了顺应时代发展,不仅应该增加自动控制、智能控制相关的理论授课内容,还应加强相应的实验教学环节,以提高学生在控制技术方面的实践应用能力。如何有针对性地开展实验教学,提高学生的动手能力、综合运用能力与创新能力,是值得思考的问题。

1 “机电传动控制”课程实验教学存在的问题

湖南科技大学开设的“机电传动控制”课程共安排了40个学时,其中,理论课时32个学时,实验课时8个学时。受实验课时所限,一共开设了4个实验,分别为变频器无极调速实验、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)认知实验、PLC控制的时间继电器实验、基于PLC的三相异步电动机正反转控制实验。实验课主要存在以下问题:

(1)学生对实验课不够重视,积极性不高。

(2)能独立完成实验的学生占比不高,有一部分学生不愿意动手,依赖其他同学。

(3)PLC程序编写不够熟练。

(4)实验接线存在错接或漏接情况。

(5)学生对知识的综合应用能力和创新能力不够。

2 “机电传动控制”课程实验教学问题的原因分析

通过仔细观察学生在实验课堂上的表现情况、实验报告完成情况,通过与学生们交流探讨,分析“机电传动控制”课程实验教学中存在问题的原因主要有以下几点。

(1)一部分学生不清楚做实验的目的,甚至不清楚学习这门专业课的意义及作用,导致对实验的积极性不高;另外,实验考核方式不够严格,导致一部分同学对实验过程重视不足。

(2)近些年来的扩招导致学生人数增多,但实验设备台套数有限。每个班人数约为36人,只能3人一组使用一台(套)实验设备,这种情况导致有的学生只会接线,有的学生只会编写程序,能独立完成实验的学生不多。另外,每组人数一多,有的学生不动手做实验,依赖其他组员取得实验成果。

(3)为了给学生留出更多的自主学习时间,近些年来各门课程的课时都进行了缩减,反映到“机电传动控制”课程中,导致理论课堂上对PLC相关知识的讲解时间有限,对学生PLC编程训练有限;受实验课时所限,PLC部分只开设了简单的验证性实验,没有开设设计性实验,学生在实验过程中的成就感不高,学习积极性难以提高,加上PLC程序逻辑性强,导致学生的PLC编程能力不高。

(4)很多学生对电气控制部分的接线原理没有清晰的逻辑关系认识,有一部分学生则把PLC存储逻辑混淆入接线关系中,导致实验接线存在错接情况。尤其是在基于PLC的三相异步电动机正反转控制实验中,由于既有主回路接线又有控制回路接线,接线比较复杂,学生在这个实验接线时最容易出问题。

(5)基于实验课时的限制,大部分实验为验证性实验,实验难度不高,不能有效锻炼学生的综合应用能力与创新能力。

3 “机电传动控制”课程实验教学的改进措施

3.1 开设专业导论课以提高实验学习的积极性

对大一新生开设专业导论课,包括理论部分和实验部分。理论部分由专业任课教师介绍本专业的发展方向、学习本专业的目的以及学习本专业的基本要求等,帮助新生正确认识所学专业以及将来毕业的工作方向。组织新生参观专业实验室,由实验教师介绍专业实验设备,初步演示相关实验,让学生直观地感受到实验环节的重要性,激发学生学习实验知识的热情。

3.2 改进实验环节的考核方式

以往的实验环节考核仅以最终的实验报告作为评价依据,对实验的过程考核缺乏足够的重视。本文拟定实验考核成绩比例为:课堂实验情况50%+实验报告50%,教师上课时需对学生完成实验的过程情况做好记录。采用这样的考核方式,能促进学生认真对待实验过程,在实验课上达到学习要求。

3.3 提倡小班制实验教学

为了提高学生的实验学习效果,改变以往以行政班为单位做实验,对一个行政班再细分为3个小班,每一次实验课只上一个小班,确保每人一台(套)实验设备,达到人人有机会动手且必须动手实验。小班制教学能培养学生独立思考问题与独立动手解决问题的能力,达到每个实验每一步都能独立完成,而且独立操作过程中让每位同学都具有安全意识,如强电禁止带电操作等。

3.4 启发引导学生设计小程序

把原来开设的验证性实验改为一部分验证,另一部分教师启发引导学生自己进行设计。如对于PLC控制的时间继电器实验,教师给出延时断开的示例程序,学生理解完成验证;然后教师提出设计延时断开程序的要求,学生思考并完成设计。延时接通与延时断开,实验原理相同,差异在于延时到了最后到底是接通还是断开输出部分,学生只要理解线圈通电与它对应触点的关系就能完成设计。对于理解能力与动手能力强的同学,教师可以另行安排设计性的小程序,做到因材施教。如:用计数器做长时间的定时器,教师提示计数器与时间继电器用法的异同,启发学生思考并设计完成实验。通过设计完成一个个实验小程序,学生获得成就感,从而激发学习欲望。

3.5 合理增加设计性实验模块

为了提高学生的PLC程序编写能力,建议合理增加设计性实验模块,如增加PLC顺序控制实验,在此实验中学生学会设计调试程序,完成该实验的过程如下。

(1)教师讲解顺序控制指令的相关知识,如指令中各参数的意义。

(2)教师给出示例程序梯形图,如图1所示的 PLC顺序右移1位的梯形图。

图1 PLC顺序右移1位的梯形图

(3)学生理解该程序并完成该示例实验。

(4)教师再提出要求完成相应的小程序设计。如把右移1位改为右移2位或者3位,右移改为左移,定义8位改为定义9位,输出由8位改为9位等,反复地进行设计与调试,提高学生的PLC程序设计编写能力,使学生在调试过程中不断收获成就感,激发学生学习实验的主观能动性。

3.6 使用实验仿真软件提高程序编写能力

课堂上的学习时间有限,想要学好PLC编程并运用于工程实践,仅靠课堂上的练习是不够的。教师可以指定学生下载相应的编程软件以及模拟器,如到三菱官网下载GX Developer编程软件或者Works Two,同时下载相应的模拟器,这样学生就可以自己进行模拟仿真实验了,模拟仿真后学生编程能力也将得到相应提高。

3.7 强化训练学生的实验接线能力

对于PLC这一部分的接线,提醒学生理清PLC的逻辑关系已存储在PLC内部,不需要接线来体现,只需对PLC的电源、输入部分和输出部分接线;输入输出部分按照回路来接,从正极出发回到负极,同时开设简单的小实验反复训练学生的PLC接线能力,如开设“与”“或”“非”“与非”“或非”等逻辑小实验。

对于电气控制这一部分的接线,建议学生先画出接线原理图以理清思路,再根据接线原理图依次接线。例如:基于PLC的三相异步电动机正反转控制,先画出接线原理图。图2为三相异步电动机正反转的主回路接线,图3为三相异步电动机正反转的控制回路接线,主回路按照主回路接线图接线,控制回路按照控制回路接线图接线,从正极出发回到负极,一个回路一个回路依次接线避免混乱,提醒学生要冷静仔细,从而保证接线正确。

图2 三相异步电动机正反转的主回路接线

图3 三相异步电动机正反转的控制回路接线

3.8 采用项目任务式实验教学方式

基于现代工业控制设计中的相关综合性实验项目,筛选出适合本科生的若干实验项目,以便采用项目任务式实验教学方式。如基于PLC的三相异步电动机正反转控制实验项目,不再由教师主导来完成,教师主要对学生启发引导、强调用电安全以及最后把关,由学生主导完成实验,主要步骤如下:

(1)提倡学生组建团队开展项目实验。

(2)给定学生项目任务,学生查阅相关的实验原理,如三相异步电动机工作原理、电气控制接线原理等。

(3)针对项目任务,团队内的学生通力合作,画出电气控制接线图和PLC程序梯形图。

(4)学生先对PLC程序控制部分在实验台上进行调试,特别注意互锁与自锁程序的编写,调试程序时强电部分先不要接线。

(5)PLC程序调试无误后,根据电气控制接线图对主回路和控制回路分别接线,接线后团队成员先进行自查,自查无误后再请教师帮忙检查接线,教师检查接线无误后方可启动强电运行。

(6)学生主导完成实验,将实验成果提交教师审核。学生在完成项目任务式实验的过程中,会遇到一些难题,只有综合应用相关知识才能解决这些难题,这就有效地培养了学生的实践动手能力、综合应用能力与创新能力。

但实验课时毕竟有限,建议学生利用实验室资源,一方面积极参与教师的相关科研课题,了解当代工业控制中最新的需求;另一方面积极参加相关的技能创新大赛,进一步提高自己的综合应用能力和创新能力。

4 结语

为了培养机电相关专业本科生的控制技术应用能力,“机电传动控制”课程应对实验教学环节进行改进。建议的实验教学改进措施主要有:开设专业导论课以提高学生开展实验的积极性;改进实验环节的考核方式,促使学生重视实验过程;提倡小班制实验教学,促使每个学生必须亲自动手完成实验;启发引导学生设计小程序;合理增加设计性实验模块;使用实验仿真软件提高学生的程序编写能力;强化训练学生的实验接线能力,以确保实验安全;采用项目任务式实验教学方式,鼓励学生积极参加教师的科研项目与相关的技能创新大赛。这些改进措施可以提高学生在实践中的动手能力、综合应用能力与创新能力,以期毕业后能够在控制技术领域做出更大的贡献。