淺談思維導(dǎo)圖在“機床電氣與PLC控制”課程教學(xué)中的應(yīng)用

孟 佳

(包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

隨著工業(yè)自動化的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制系統(tǒng)逐步被智能化的PLC控制系統(tǒng)代替，或在原有系統(tǒng)上進行PLC改造。高職院校中的機械制造專業(yè)也順應(yīng)技術(shù)發(fā)展的腳步，將電氣與PLC控制課程納入專業(yè)人才培養(yǎng)方案當(dāng)中，以期培養(yǎng)出具有機床操作、設(shè)備檢修、智能控制等綜合型技能人才。“機床電氣與PLC控制”作為高職院校機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)的專業(yè)核心課之一，承擔(dān)了向?qū)W生傳授繼電器—接觸器控制系統(tǒng)與PLC控制基本知識和理論、幫助其建立自動化邏輯控制思想的重任，其知識點的廣泛性、深入性、內(nèi)在聯(lián)系與邏輯性成為學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的主要難點，并且不易讓學(xué)生在短時間內(nèi)記憶、理解和掌握。而思維導(dǎo)圖恰好能將看似獨立的知識點串聯(lián)起來，經(jīng)過系統(tǒng)梳理，體現(xiàn)出知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)成一張可用于發(fā)散思維、強化記憶的大知識網(wǎng)絡(luò)，幫助學(xué)生建立思維框架，讓知識脈絡(luò)和教學(xué)思路變得更加清晰，并將思路完整地呈現(xiàn)給學(xué)生，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。可以說，思維導(dǎo)圖在本課程教學(xué)中的有效應(yīng)用是構(gòu)建高效課堂的有效途徑之一。

一、運用思維導(dǎo)圖，體現(xiàn)出課程的總體知識框架

教師在本課程的第一堂課中，可以運用思維導(dǎo)圖，為學(xué)生對本課程內(nèi)容進行簡要介紹：本課程包括兩大部分，一部分為機床電氣控制，主要講解電氣控制基礎(chǔ)和機床電氣的控制應(yīng)用；另一部分為機床PLC控制，主要講解PLC控制基礎(chǔ)和機床的PLC控制應(yīng)用。本課程內(nèi)容的總體框架如圖1，通過該圖學(xué)生可以很清晰地了解本課程的內(nèi)容安排，并在后續(xù)學(xué)習(xí)中，始終把握住大框架，將每堂課學(xué)到的各知識點放在框架圖中進行梳理，便于記憶和總結(jié)。

圖1 機床電氣與PLC控制課程內(nèi)容框架圖

二、運用思維導(dǎo)圖，體現(xiàn)出前后知識點編排的邏輯關(guān)系

在電氣控制基礎(chǔ)中，想要完成控制，必須要明確：

(一)控制對象

電氣控制基礎(chǔ)研究的控制對象是電動機。因此，我們要了解電動機的分類和工作原理，正所謂“師夷長技以制夷”。

(二)控制元件

在電氣控制基礎(chǔ)中，完成控制的電器元件是低壓電器。因此，我們要學(xué)習(xí)很多低壓電器的結(jié)構(gòu)和工作原理，把他們正確地運用到控制電路中。

(三)控制方法

在電氣控制基礎(chǔ)中，邏輯線路可以完成基本的電氣控制。因此，我們要學(xué)習(xí)電氣控制的基本環(huán)節(jié)，并進一步將其運用到三相電機和直流電機的啟、停、調(diào)速控制中。

三、運用思維導(dǎo)圖，印證理論與實踐的一致性

思維導(dǎo)圖體現(xiàn)出理論對實踐的指導(dǎo)意義，印證了理論與實踐的一致性。通過以下兩個教學(xué)案例說明：

(一)電機調(diào)速方法與機械特性曲線

在講授直流電動機的機械特性時(見圖2)，可分為固有機械特性和人為機械特性兩部分。固有機械特性是學(xué)習(xí)電機機械特性的出發(fā)點，人為機械特性則是后期對電機做調(diào)速而采用的不同方法，那么調(diào)速的方法從電機的機械特性公式中獲得——若將常量固定不變，只對公式中的變量實施控制，就可改變電機特性，實現(xiàn)電機調(diào)速。

圖2 直流電動機的機械特性教學(xué)思維導(dǎo)圖

固有機械特性是直流電動機在穩(wěn)定運行情況下，電動機的轉(zhuǎn)速n與機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即n=f(TL)，由于電動機電磁轉(zhuǎn)矩T近似等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，故常寫成n=f(T)，即

(1)

可以看到，該公式中有兩個常量：和，以及三個變量：U、R、φ。因此，我們在為學(xué)生講解直流電動機的人為機械特性時，可以分別從每個變量入手：

R：電樞回路串電阻，通過電樞回路串電阻Rpa，即在原有Ra的基礎(chǔ)上增加Rpa，可實現(xiàn)直流電動機的調(diào)速，如式2。

(2)

U：改變電源電壓U，原來的額定電壓是UN，如果降低電源電壓，就可以實現(xiàn)直流電動機的調(diào)速，如式3。

(3)

φ：改變磁通φ，磁通越小，電機的轉(zhuǎn)速越高，如式4。

(4)

(二)三相電機的調(diào)速方法與轉(zhuǎn)速公式

在講授三相異步電動機的調(diào)速控制時，也可以根據(jù)以上方法，在理論公式中找到全部變量，針對每個變量進行分析和調(diào)整，得到三相電機調(diào)速的不同方法，如圖3。

圖3 三相異步電動機的調(diào)速控制教學(xué)思維導(dǎo)圖

通過在思維導(dǎo)圖中構(gòu)建關(guān)聯(lián)線條，可以很好地幫助學(xué)生理解我們?yōu)楹我眠@些方法才能實現(xiàn)電機調(diào)速，老師講的這些方法從哪來，也能讓學(xué)生對知識點不再存有疑惑，確實認(rèn)可和接受書本內(nèi)容。反過來，也能更好地理解理論公式，體會到理論與實踐的一致性。

四、運用思維導(dǎo)圖，培養(yǎng)思維邏輯的嚴(yán)謹(jǐn)性

運用思維導(dǎo)圖，理清解決問題的思路，便于總結(jié)規(guī)律、培養(yǎng)思維邏輯的嚴(yán)謹(jǐn)性。比如在學(xué)習(xí)三相籠型電動機的控制時(見圖4)，需明確以下內(nèi)容：(一)控制思路

圖4 三相籠型異步電動機電氣控制教學(xué)思維導(dǎo)圖

因電氣控制系統(tǒng)包括主電路和控制電路兩部分，故要分析或完成電氣控制時，必須對主電路和控制電路分別加以控制，兩者缺一不可。

(二)在主電路中如何實施控制

因主電路中有控制對象——電動機，而電動機受接觸器的控制，他們是最終展現(xiàn)控制結(jié)果的部分。因此，無論后續(xù)如何完成控制邏輯，都需要首先在主電路的接線方面完成正確的電路連接，或?qū)嵤┍匾碾娐犯脑欤瑫r需要明確各接觸器的主觸點的動作順序。最終，將控制要求轉(zhuǎn)化為主電路中各接觸器的主觸點按序動作，并把它作為主電路控制的落腳點。

(三)主電路與控制電路之間的聯(lián)系

接觸器由線圈、主觸點和輔助觸點構(gòu)成。主觸點在主電路中控制電機，線圈和輔助觸點在控制電路中，是被控對象，而接觸器的主觸點與輔助觸點又是同步動作的。因此，接觸器才是連接主電路與控制電路的橋梁和紐帶，也是整個電氣控制的核心。

(四)在控制電路中如何實施控制

在控制電路中，要解決如何控制接觸器的主觸點按序動作這個問題。因此，需要用到之前學(xué)過的電氣控制的基本環(huán)節(jié)等內(nèi)容加以分析和運用，并按照手動控制和自動控制的不同方式，引導(dǎo)學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)，加強了對基礎(chǔ)控制環(huán)節(jié)知識的鞏固和應(yīng)用。

(五)控制要點

在實施控制前，要明確主電路的改造和控制按先后順序分為哪幾步，并將每一步控制落實到具體控制哪個接觸器的主觸點上，再通過控制電路來實現(xiàn)主觸點的按序動作。運用這個思路，把控制任務(wù)細(xì)分，并落實到點，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的電氣控制。

了解了以上幾點，再學(xué)習(xí)三相電機的降壓啟動控制、制動控制和調(diào)速控制時，即相當(dāng)于把已知規(guī)律套用到具體的案例中分析。

以三相異步電動機的降壓啟動控制為例，如圖5。首先明確降壓啟動的起動過程分為兩步：先降壓啟動，再全壓運行。兩者缺一不可。因此，無論講到哪種降壓啟動的方法(定子串電阻、自耦變壓器降壓啟動、Y-△減壓起動、繞線型電機轉(zhuǎn)子串電阻)，都要牢牢把握住起動過程的這兩步，從主電路和控制電路兩方面分別加以實施，并最終落實到控制接觸器主觸點的動作上來。

圖5 三相籠型異步電動機降壓啟動電氣控制教學(xué)思維導(dǎo)圖

本文以“機床電氣與PLC控制”課程為例，簡要介紹了思維導(dǎo)圖在課程教學(xué)中的應(yīng)用。其實，思維導(dǎo)圖作為一種工具和方法，適用于很多課程的教學(xué)應(yīng)用，尤其對于知識點龐雜、信息量大、融合度高、綜合性強的課程來說，思維導(dǎo)圖的教學(xué)優(yōu)勢將更加突顯。