電氣控制與PLC實驗課程混合式教學模式構建與探討

摘 要 信息技術的不斷發展為課改工作提供了新的研究方向和思路。電氣控制與PLC課程為高校專業基礎課程，該課程的特點是理論知識點多、專業實踐性強等，傳統的授課模式已經無法滿足學生的要求，這給PLC教學工作帶來新的挑戰。如何將理論與實踐更好地結合是教師應該關注的焦點問題。結合該課程特點以及近幾年的PLC教學工作，以電動機星三角形啟動為例，從理實一體化、線上線下教學模式等方面來探討電氣控制與PLC實驗課程混合式教學模式構建，為PLC教學提供借鑒。

關鍵詞 電氣控制與PLC；星三角形啟動；混合式教學；信息技術

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0133-06

0 引言

電氣控制與PLC課程是電氣工程及其自動化、自動化等專業的一門重要專業必修課，主要研究電氣控制系統與PLC控制技術[1-2]。該課程以罐裝生產線工程項目為主線，內容包括PLC控制系統總體設計、硬件設計、軟件設計、HMI界面設計、通信設計等。通過課程學習，學生可以掌握以PLC為控制器的硬件系統設計、軟件系統設計及應用，擴寬視野，更好地把握電氣控制技術發展前沿，從而培養邏輯思維能力、動手能力以及解決實際工程問題的能力[3]。為培養德才兼備的新時代合格人才，在教學中實施社會主義核心價值觀教育，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀和價值觀。

該課程理論與實踐結合緊密，學生不僅要掌握理論知識，還需要非常強的動手實踐能力和解決工程領域實際問題的能力。與其他專業核心課相比較，其實踐性強的特點尤為突出，因此實驗教學質量關系著教學成果。目前該課程理論教學為32課時，實驗為8課時，理論課與實驗課單獨授課。隨著科學技術的不斷發展，原有的理論實驗教學已無法滿足社會對創新人才的需求。結合近幾年的教學實踐，分析目前實踐課程存在的問題，在此基礎上，從學生角度出發，從教學平臺、內容、方法方面進行教學實踐改革，提高教學質量，增強學生的核心競爭力。

1 信息化背景下電氣控制與PLC混合式教學的必要性

信息化背景下，推動信息技術與教學深度融合，借助多媒體教學平臺、云技術、大數據、計算機硬件等設施進行電氣控制與PLC混合式教學[4]。目前國內多數高校都有混合式教學的硬件平臺，但都還在用傳統的教學方法。傳統的教學存在以下幾個問題。

1.1 理論教學與實踐教學融合問題

課堂上理論與實踐教學分開進行會導致學生學完理論知識，不知道如何將理論與實際應用更好地結合。主要體現在：

1）教師上課內容側重理論講解，缺少與理論相對應的實驗任務；

2）由于缺乏一定的工業項目背景，學生只能停留在對PLC簡單原理和指令的掌握上，不能更深入地根據實際工程項目編程應用。

1.2 教學模式創新性問題

在PLC教學過程中，教學手段落后，信息化技術應用過少，理論與實踐教學方法單一。傳統的理論教學過程中，教師以講授為主、學生以聽為主，不能夠現場將所學的內容落實到具體的項目中。傳統的實踐教學模式一般分為三步進行：

第一步，布置實踐教學任務，學生需要預習并根據實驗指導書寫出預習報告；

第二步，把實驗的目的、原理、步驟、注意事項給學生講清楚，并對實驗進行示范，學生在看完演示后便開始動手操作，并記錄現象和實驗過程中的數據；

第三步，學生完成實驗報告撰寫，教師批閱報告。

受條件限制，部分學生可能無法完整地觀察到教師的整個演示過程，這導致實操過程中教師反復解答學生疑問，耗時耗力、效率低下。

1.3 綜合性實驗缺乏

電氣控制與PLC課程實驗為課內實驗，以前開設的實驗項目驗證性實驗多、綜合性實驗少，理論與實驗內容不能很好地銜接，沒有從完整的工業項目角度出發，重要的理論知識很難被學生理解，缺乏對學生創新能力的培養。

1.4 實驗教學資源配置問題

隨著產業技術的持續進步，傳統實驗教學中使用的設備已逐漸不能滿足現代教育的需求，也難以與當前產業的發展需求相匹配。此外，陳舊的教學設備還導致了一些復雜實驗任務難以順利進行。

2 信息化背景下電氣控制與PLC混合式教學

改革：以電動機星三角形啟動為例著信息技術的不斷成熟，在PLC教學過程中，針對其存在的問題，采用線上、線下混合式教學模式。電動機星三角形啟動控制被應用到各種場合，具有教學研究價值[5-8]。

PLC混合式教學構建主要涉及三個方面：

1）理論與實驗融合進行，一邊講解理論，一邊進行實操，從而使學生做完實驗能夠更好地理解理論知識點，做到融會貫通；

2）線上與線下混合式進行，在線上將課件、視頻、作業等材料上傳到泛雅網絡教學平臺，在線下一邊講解理論，一邊做實驗；

3）利用線上資源，學生自學與線下教師授課相結合，使學生在課堂上有重點地學習。

電氣控制與PLC課程理論內容主要分為電氣控制系統與PLC控制技術兩個方面，以下從這兩方面以電動機星三角形啟動為例研究混合式教學。

2.1 電動機星三角形啟動電氣控制系統仿真教學

2.1.1 電動機星三角形啟動仿真教學

在現代化工業生產中，機械部件的運動控制大部分都是由電機完成的，通過電機的啟停、調速等要求實現對生產機械的自動控制。通常電動機的控制系統硬件部分都是由常見的低壓電器組成，即典型的繼電器—接觸器控制系統。以電動機星三角形啟動為例，電路分為主電路和控制回路，由接觸器、熔斷器、熱繼電器、時間繼電器等常用低壓電器元件組成。電路涉及按鈕自鎖、電機延時啟動、星三角形降壓啟動、熱繼電器過載保護、斷路器短路保護、接觸器欠壓保護環節。為了使教學環節更加生動形象，學生容易理解電機控制原理，采用CADe_SIMU 4.2軟件進行仿真教學。圖1為在仿真軟件中搭建的星三角形啟動控制電路。

電機直接啟動瞬間電流過大，為了避免對電機產生影響，定子采用星三角連接方式。當電機啟動時，定子采用星形接法，電流為三角形啟動時的三分之一，實現降壓啟動，仿真演示結果如圖1a所示。延遲一定時間之后，切換為三角形接法，此時為全壓啟動，仿真演示結果如圖1b所示。具體原理分析過程如下。

啟動運行：閉合QS斷路器，按下SB1啟動按鈕，交流接觸器KM、KM1以及時間繼電器KT1得電，啟動按鈕自鎖，主電路接觸器KM主觸頭閉合，主電路電源接入，主電路接觸器KM1主觸頭閉合，定子采用星形接法，實現降壓啟動；延遲一定時間后，時間繼電器KT1延時斷開的常閉觸點斷開，KM1線圈失電主電路對應主觸頭釋放，同時KT1延時閉合的常開觸點閉合，KM2線圈得電，電動機全壓啟動。

停止運行：按下停止按鈕SB2，KM2、KM線圈失電，主電路電機失電，停止運行。

軟件仿真演示與實際搭建的電路工作過程一致，通過動態直觀的演示，學生更容易理解整個電路原理。

2.1.2 電動機星三角形啟動PLC控制技術仿真教學

PLC控制技術已經被應用到各種領域，其中PLC程序的編寫是核心。PLC程序編寫的課程目標是掌握程序編寫調試方法，培養解決實際工程問題的能力。學生在學習PLC編程調試過程中需要大量的硬件支持，由于價格高，無法做到每人一份，而利用虛擬仿真技術可以很好地解決這一問題。

PLC控制系統軟件設計步驟為：首先，指導學生弄清楚控制要求后，了解被控對象的整個生產工藝流程并計算輸入輸出設備，確定I/O資源分配；其次，使用Auto CAE軟件繪制硬件原理圖，并厘清硬件之間的連接關系；再次，用博圖軟件編寫程序并仿真；最后，在Wincc中繪制上位機監控界面。運用到的虛擬仿真軟件有CADe_SIMU 4.2和TIA Portal V15.1。在CADe_SIMU 4.2軟件中仿真的結果如圖2與圖3所示，滿足電動機星三角形啟動控制要求。

2.2 電動機星三角形啟動電氣控制系統實驗教學

在電動機星三角形啟動實驗教學中，課前教師通過學習通布置星三角形啟動實驗任務，要求學生根據線上視頻學習資源學習，并自行設計電動機星三角形啟動電路的主電路與控制電路，對電路中涉及的硬件進行選型、I/O資源分配，同時繪制程序思維導圖，用電腦編寫梯形圖程序，并驗證其功能；課上先講解原理、用電安全和操作過程中的注意事項；教師指導學生進行硬件接線、軟件編譯，之后軟硬件聯機調試，直至達到電動機星三角形啟動設計要求。電動機星三角形啟動實物搭建及驗證如圖4所示。電動機星三角形啟動實驗項目中，編寫的程序如圖5所示。

通過星三角形啟動項目的設計與仿真調試，學生可以掌握軟件編程、仿真調試、硬件接線，對后期自行設計PLC控制系統起到了很好的輔助作用。

3 結束語

在教學過程中，學生在線上利用平臺資源結合軟件仿真，可以提前搭建項目硬件仿真電路，驗證設計電路的合理性；也可以編寫程序，驗證程序的健壯性。教師線下利用實驗室硬件資源，與學生一起對項目控制系統進行I/O資源分配、梯形圖程序編寫、人機界面設置和虛擬仿真調試等。在整個混合式教學過程中，通過線上虛擬仿真調試將PLC知識點層層遞進地灌輸給學生，同時在線下利用實物直觀地演示，讓學生通過教師的引導自主學習，對PLC產生強烈的興趣。

4 參考文獻

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2023（18）：81-84.

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[3] 曹錦江，陳桂，黃家才.智能制造背景下自動化類專業綜合實踐平臺的設計與實踐[J].實驗技術與管理，2021，38（3）：278-282.

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41（2）：55-58.

[7] 馬燕.抽油機星三角轉換的應用研究[J].石油石化節能，2020，10（4）：5-6，52.

[8] 陳愛文，黃鳳良.消防水泵電機星三角啟動系統設計[J].電子設計工程，2019，27（8）：147-150，155.

*項目來源：教育部產學合作協同育人項目“基于電力電子實訓系統的微電網技術課程實驗教學”（基金編號：220600245211949）；省級研究生聯合培養示范基地“安徽建筑大學—安徽省城建設計研究總院股份有限公司研究生聯合培養示范基地”

（基金編號：2022lhpysfjd056）；安徽建筑大學校級教學研究項目“工程教育專業認證背景下電類專業電子實習模式探索與實踐”（基金編號：2023jy47）；安徽建筑大學校級教學研究項目“智能制造背景下電類基礎實驗教學改革與學生創新能力培養”（基金編號：2022jy15）；安徽建筑大學校級教學研究項目“以賽促學基于PLC的高層建筑電梯群控系統設計研究”（基金編號：LJ22074）；安徽建筑大學校級線上線下課程“模擬電子技術”（基金編號：2022xsxx01）；安徽建筑大學校級教學研究項目“工程教育背景下模擬電子技術實踐課程教學”（基金編號：2021jy64）；安徽建筑大學校級虛擬仿真實驗教學課程“基于PLC的立體倉庫虛擬仿真實驗項目”（基金編號：2023xnfz01）；省級教學研究項目“面向產出的機電類專業建設及持續改進機制研究”（基金編號：2022jyxm299）。

作者簡介：鄧從龍，助理實驗師；陳中，高級工程師；欒慶磊，副教授；趙靜，講師。