以問題為導向的混合式教學模式在“變頻器應用與維護”課程中的應用

孫莉莉

青島港灣職業技術學院信息與電氣工程學院 山東青島 266404

混合式教學模式將傳統線下教學和線上教學的優勢結合起來，拓展了教與學的時間和空間。以問題為導向的混合式教學是以學生為中心，發揮問題對學習過程的指導作用，調動學習的積極性、主動性、參與性、協作性及競爭意識。本文探索以問題為導向的混合式教學模式，并用于“變頻器應用與維護”課程中，大大提高了教學效果。

一、以問題為導向的混合式教學在“變頻器應用與維護”課程中應用的必要性

“變頻器應用與維護”課程是機電專業和電氣自動化技術專業的一門專業核心課。課程目標是培養學生掌握變頻器應用技術的相關知識和綜合實踐能力，使學生能夠對變頻器控制系統進行接線、參數設定、安裝、調試和維護，以適應生產現場變頻調速系統的應用。

“變頻器應用與維護”課程教學內容繁多，知識面廣。在變頻器的面板控制、端子控制、啟動控制、制動控制、同步控制、比例控制、通信控制等基本項目和基于PLC的車床主軸變頻器的調速控制、基于PLC的帶式輸送機的變頻器調速控制、基于PLC的起重機械變頻調速控制、基于PLC和變頻器實現恒壓供水的閉環控制、基于觸摸屏和PLC的變頻器網絡控制等典型項目中涉及了PLC程序設計基礎、觸摸屏組態等內容，只利用課堂線下學習的時間是有限的。所以，利用線上線下學習的混合式教學顯得尤為重要。

為了滿足線上線下混合式教學的需求，以學生為主體，以任務為驅動，對教學內容進行項目化改革和教學實施，如表1所示。開設“變頻器應用與維護”課程之前，學生已經學習了電機與電氣控制課程和PLC控制系統的應用與維護等課程，掌握了電機控制的相關理論和S7-200 PLC應用技術，所以，電機控制部分和變頻器控制的編程部分，適合學生課前線上學習。圍繞六個項目主要知識點的相關任務錄制微課視頻，將每個任務的微課上傳到學習通平臺。學生可以利用課余時間在學習通平臺上自行學習，并應用仿真軟件進行仿真實驗。

表1 “變頻器應用與維護”課程項目化教學實施表

教師在任務設計中選用與工作現場貼近的實例進行，以問題為導向，在任務實施中利用混合式教學、情境教學、角色扮演、分層次教學、分組教學等教學手段突破時間和空間限制，增強學生的代入感和投入感，提高學生學習主動性、積極性、解決問題的能力和實踐能力。

二、以問題為導向的混合式教學在變頻器通信控制中的應用實例

(一)任務設計與實際生產結合，任務單課前線上發放

為了增加學生的學習興趣，提高學生的綜合實踐能力，以港口大型機械的工作現場為載體設計任務，并將任務單線上發布到學習通平臺。

設計任務要求：利用觸摸屏控制S7-200 PLC，PLC與MM420變頻器之間通信，通過站號為3的變頻器控制電機，從而實現橋吊大車行走機構的正反轉運行。

(二)任務分析與實訓設備結合，模擬實際工作現場

可以選用Smart 700IE觸摸屏，通過以太網控制S7-200 PLC，選用USS協議通信作為現場監控和調試協議，采用兩線制的RS485接口控制站號為3的MM420變頻器，變頻器控制三相異步電動機，電動機帶動滑塊移動模擬橋吊大車行走。

(三)任務實施運用多種教學手段，激發學生的學習興趣和綜合實踐能力

1.分層次教學使不同層次的學生團結協作，共同進步

根據學生的知識基礎層次不同，進行分組教學和分層次教學。讓每個層次的學生在動手能力和專業知識方面都得到提高。根據每個班學生的知識素質基礎不同可以分成三個層次，知識基礎較好且動手能力強的學生分為第一組，適合進行觸摸屏組態。知識基礎較好且動手能力不強的學生分為第二組，適合進行PLC編程。知識基礎較差、動手能力較弱的學生為第三組，適合進行變頻器參數查找和設置。學生可以根據自身知識水平課前在學習通平臺調查問卷中選擇自己自愿參加的小組。三個層次的學生可以團結協作，在共同完成任務的同時，互相學習，互相促進，互相鼓勵，形成良性循環。

2.情景教學和角色扮演，幫助學生熟悉職業性質和未來職業環境

根據學生知識基礎不同進行分工，扮演不同角色，配合完成任務。結合分層次教學的三個組，將每個實訓臺的學生分成三類人員：中控室負責人、程序員和現場操作員。中控室負責人負責傳達任務和觸摸屏組態，程序員負責S7-200編程，現場操作員負責變頻器參數的查找和設置，三人合作完成任務。具體實施步驟：

(1)現場操作員首先接線和設置參數，并告訴程序員設置的P2010參數的波特率和P2011的變頻器站號。

(2)程序員對通信功能塊編程，中控室負責人控制功能塊設置的RUN輸入變量為M1.0，Speed輸入變量為VD20。編程結束后，用PLC對變頻器進行編譯操作調試。

(3)中控室負責人組態調試完畢。操作啟動和停止按鈕，實現橋吊大車電機的正轉運行；操作頻率按鈕，輸入負頻率，實現橋吊大車電機的反轉運行。

3.以問題為導向，線上線下混合式教學，將理論與實踐有機結合

線上利用學習通平臺進行資料發放、微課學習和課后檢測。課前，利用學習通平臺發布課堂學習任務單、需要掌握的技能和知識點的相關微課。課中，利用學習通“變頻器應用與維護”課程發布任務點，利用討論環節和搶答環節考查學生對知識的掌握程度。課后，每堂課布置作業檢測題，考查學生對知識的掌握程度和學習狀態，教師進行答疑、批閱作業和問題交流等工作。每個項目結束時進行線上階段性項目考核。每個任務完成時，上傳作品，完成線上自我評價、小組互評和教師評價。

線下利用實訓室實驗設備對線上線下的理論知識進行實踐。進行硬件連接和軟件仿真，并實現用觸摸屏控制變頻器，具體操作步驟如下。

(1)硬件連接(實訓室線下講解并實訓接線，如圖1所示)。使用標準Profibus電纜接在S7-200CPU通信口的1、3、8端子上，電纜另一頭無插頭，對應的兩根線分別接到變頻器的14、15端子上。

圖1 變頻器通信控制接線原理圖

(2)確立通信方案。(學習通線上微課學習，并進行軟件仿真)。MM420與S7-200之間的通信采用USS協議。S7-200作為主站，用戶使用指令可以實現對變頻器的控制。包括變頻器的起停、頻率設定、參數修改等操作。S7-200PLC提供的USS協議指令為USS-INIT和DRV-CTRL。

(3)參數組態與編程。步驟1：設置變頻器的參數(實訓室線下分組，查找參數手冊)。P0700=5(對應來自USS的控制字)，P1000=5(對應來自USS的設定值)，P2010=6(對應波特率為9600)，P1120=5(斜坡上升時間為5秒)，P1121=5(斜坡下降時間為5秒)。

步驟2：定義USS內部變量(學習通線上微課學習，并進行軟件仿真)。啟動SETP7-Micro/WIN32編程軟件，初始化功能塊USS-INIT的Paud引腳和Active引腳與變頻器參數P2010和P2011設置對應。控制功能塊USS-CTRL的Drive對應變頻器站號與參數P2011對應。

步驟3：編寫程序(學習通線上微課學習與課堂線下實訓結合)。編寫程序并裝到S7-200PLC的PLC中，初始化USS參數，激活協議，設置波特率為19200，與站號為3(23=8)的變頻器進行通信，所以ACTIVE為8。如圖2，功能塊USS-INIT的程序梯形圖所示。

圖2 功能塊USS-INIT的程序梯形圖

變頻器驅動控制：當M1.0=1時，啟動變頻器；當M1.1=1時，為自由停車；當M1.2=1時，為快速停車；當M1.3=1時，為故障應答信號；M1.4控制方向，0為逆時針轉動，1為順時針轉動，對站號為3的變頻器進行通信控制。MD20設置控制速度，用百分數表示。如圖3，功能塊USS-CTRL的程序梯形圖所示。

圖3 功能塊USS-CTRL的程序梯形圖

(4)觸摸屏組態(學習通線上微課學習與課堂線下實訓結合)。觸摸屏運行變量與控制功能塊USS-CTRL的RUN運行引腳變量對應，頻率變量與控制功能塊的USS-CTRL的輸入引腳Speed對應。

(四)任務評價由自我評價、小組評價和教師評價完成

學生進行作品展示可以讓學生感受成功的幸福感，從合作中找出問題并解決問題，提高團結協作能力，這是學生自我肯定和正向激勵的過程。學生可以將完成任務的成果上傳到學習通平臺，供小組互評。小組互評能夠取長補短，互相鼓勵和借鑒。整個任務實施，教師是引導者，學生是任務的主體，教師的引導和拓展給學生帶來動力，激發學生的創新能力。

(五)考核機制多元化

任務考核由線上和線下考核兩大部分組成，注重每個任務的過程考核和每個項目的階段性考核。最終的綜合考核包括平時線上課程+平時作業檢測成績占10%；線上項目檢測成績占20%；線上任務完成情況包括自評、學生評價和老師評價，按3∶3∶4比例評定，占20%；線下項目階段性實訓考核占20%；線下期末考試占30%。

結語

以問題為導向的混合式教學在“變頻器應用與維護”課程中的應用，大大提高了課堂效率，增強了學生的學習主動性和綜合實踐能力。結合變頻器的實際應用場合，對課程中每個項目任務進行設計，將枯燥的理論與實踐相結合，運用多種教學方法，能夠激發學生的學習積極性，增強學生學習的投入度和代入感，提高學生的學習效率和教學質量。