STEM教育在PLC控制的路燈項目中的應用

肖志紅　袁有志　黃壯弟

摘要：STEM教育不同于傳統學科的知識教育，它是一種綜合性的探究教育。本項目是基于某個小區路燈控制的真實問題，教學組織包括“問題驅動、知識應用和科學探究、作品設計和制作”等環節;體現了教師主導、學生中心、理實一體、工學結合的職教理念，也實踐了STEM教育的跨學科理念。

關鍵詞：STEM教育;問題;探究

STEM教育不同于傳統學科的知識教育，它是一種綜合性的探究教育。不能僅僅把SETM理解為一種課程模式，還必須把它理解為與STEM課程相匹配的教學策略及設置這種課程的目的，完整地把握和理解STEM教育的內涵與要求，以提升學生的STEM綜合性素養為主旨，科學、合理地實施STEM教育。

本項目是基于某個小區路燈控制的真實問題，從提出假設、認真求證，科學驗證，最終獲得成功;增強了學習者的自主性和創造性。教學組織包括“問題驅動、知識應用和科學探究、作品設計和制作”等基本活動;過程體現了教師主導、學生中心、理實一體、工學結合的職教理念，也實踐了STEM教育的跨學科理念;取得了良好的教學效果。

一、問題提出

STEM學習是探究性學習，探究必須從問題開始，發現問題是STEM的開端。PLC控制的路燈電路的設計與調試是基于生活情景的真實問題，在錦秀世家小區路燈控制每天都需要保安操作，影響物業管理的效益，現物業公司決定對路燈控制電路用PLC進行改造，作為一名學生你可以做到嗎？

二、任務與要求

根據路燈控制的任務要求對項目所需器材進行選型，接線;列出I/O分配，畫出接線圖，編寫程序;安裝路燈電路并配合程序進行調試;正確使用工具，規范操作，安全用電。

三、知識運用與科學探究

科學假設是科學理論的一種可能表達。PLC控制的路燈電路的教學設計先運用定時器實現路燈的自動控制，經過研究不太科學。老師引導學生再提出了用步進指令和計數器定時的方式來實現路燈自動控制的假設，學生通過編程、仿真、調試等過程進行科學求證。

路燈每天要智能開關燈，如何實現自動控制呢？定時指令T的學，如T0 K32767，常數范圍K不能大于32767。定時系數為0.1s，若選K30000，定時時間為3000S，可換算為50分鐘。1天為1440分鐘;如果用定時器實現，需要30個48分鐘的定時器，編寫的程序冗長，占用PLC存儲空間。可否用其它方式實現定時昵？

科學探究：用脈沖指令和計數器定時。M8012、M8013、M8014分別是對應0.1s、1s、1m的脈沖，如果用1分鐘的脈沖控制計數指令CI00 K720，可計時720m（分鐘），即12h，如圖1所示。如果路燈接通12h，斷開12h，用兩組計數器就可以實現1天的控制。

四、作品設計與制作

STEM是一種基于證據的學習。標準是行動的指南，在PLC控制的路燈電路的實施過程中，教師提供了工程驗收標準，保證了作品的質量，學生經過綜合調試硬件和程序，在下午6：30分開燈，在第二天早上6：30分燈熄滅，連續觀察，每天都能準時開關燈，驗證了方案的可行性，小區路燈改造后，啟動一次，一勞永逸，解決了小區保安每天要重復開關燈的工作。為了節約時間，在教學過程中可用14.4S仿真代替24H。在驗證過程中，有個別小組完成不太順利，主要是軟件編程或接線上出現了一些問題，經過反復調試，最終都獲得了成功，STEM教學生成度高、有效。產品設計與制作過程如下。

（一）I/O分配表

PLC的I/O分配見表1，可參考接線。

（二）程序編寫與仿真調試

打開GX Developer軟件，畫梯形圖，如圖2所示，可實現14.4S循環，24S控制如何實現？24h控制如何實現？要求學生遷移解決問題。

（三）作品制作

準備項目器材，按圖紙要求定件元件，正確使用工具接線，下載程序，調試，按下啟動按鈕SB1，HL1路燈能按要求自動運行，按下SB2停止。

五、收獲與努力方向

從提出問題到得出結論，是科學研究的完整過程。對于工程問題而言，要根據方案的實施情況對方案進行評估，驗證其效果，進行修正和完善，穩定可靠運行。STEM作為一個教學策略，在作品設計制作、反思分享過程中，每個小組對路燈電路的設計與調試過程的問題、驗證和結論等進行了實踐，提升學習遷移能力;分享交流與評價過程中，產生新了新的觀點，發現了新的問題，如學生提出了一個小區有多條街要控制、冬夏白晝的時間差異、自動傳感感光等創造性的問題。在新的問題驅動下，學生反復經歷完整的科學探究過程。部分小組程序編寫過程中實現了從驗證到創新的突破。通過PLC控制的路燈電路的設計與調試，培養了學生利用科學知識解決工程間題的能力。在STEM實踐與探索過程中，下一步要努力做到課程內容與職業標準對接，教學過程與生產過程對接;融合STEM理念，深化職業教育人才培養模式改革。

參考文獻：

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