混合式案例教学法在电气控制与PLC技术课程中的应用

韦颖，凌六一

混合式案例教学法在电气控制与PLC技术课程中的应用

韦颖，凌六一2，3

（1. 安徽三联学院 电子电气工程学院，安徽 合肥 230601；安徽理工大学 2. 人工智能学院，3. 电气与信息学院，安徽 淮南 232001）

针对传统教学方法不能有效激发学生学习兴趣导致教学效果不理想的难点问题，提出混合式案例教学法驱动PLC课程教学改革，即结合线上平台开展案例式教学．以线缆收卷装置控制系统为例，开展混合式案例教学，内容不仅涉及PLC编程中I/O基本指令，而且包含了电压电气控制回路的设计内容．经过学习效果对比，混合式案例教学法的应用提高了课程的教学效率，而且提高了学生学习的主动性和PLC工程项目的综合开发能力．

电气控制与PLC课程；案例教学；混合式教学

PLC（Programmable Logic Controller），又称可编程逻辑控制器，广泛应用于石油、化工、电力、汽车、机械制造、交通娱乐等领域．电气控制与PLC技术是自动化专业、电气工程及其自动化等专业开设的一门重要专业课，其工程实践性很强．由于该课程包含的内容较多而课时非常有限，如果课堂教学只是一味地灌输书本知识，让学生死记编程指令等内容，那么既不能让学生真正掌握电气控制电路设计的知识内涵，也无法提高学生对PLC系统的综合开发和实践创新能力．

案例教学法是以案例为基础，培养应用型人才的教学方法，案例来源有具体的应用背景，对教学具有一定的启发性．近年来很多工科高校也开展了基于案例教学的教学方法研究，并取得一定的成效[1-4]．在一流本科课程建设的背景下，如何借助网络学习平台实施混合式案例教学，是应用型本科高校需要深入思考和认真探索的问题[5-7]．同时，在实践教学改革和学生培养方面与当前现状相结合，更加注重创新能力和实践能力的提升[6-10]．对于电气控制与PLC技术课程来说，通过真实案例让学生亲自参与控制电路的设计、低压电器的选型、PLC的选型和电路设计、程序调试及仿真等一整套环节，在此过程中可以有效培养学生动手能力和PLC应用开发能力．

1 案例选择与教学内容

案例选择时需要考虑将电气控制与PLC技术教学大纲要求的教学内容、教学目标融入到所选案例的讨论与讲解之中．该课程前一部分内容为低压电气和控制，后一部分内容为PLC编程．考虑到此前这些专业学生已学习过传感器与检测技术、电机与拖动基础和电力拖动自动控制系统的课程内容，因此选择常用线缆收卷装置控制系统（设计一个控制系统，以PLC为控制核心，配有按钮站进行本地操作，使用文本显示器显示收卷速度和收卷长度）为教学案例．根据线缆收卷装置的工作原理，绘制收卷装置电气原理组成框图（见图1）．案例内容与知识点之间的对应关系及教学内容见表1．

图1 收卷装置电气原理组成

表1 案例内容分解与教学内容安排

2 案例实施

2.1 线上开展课前研读和案例讨论

首先，教师在学习通平台上发布教学案例和相关章节的课件PPT作为预习材料，需要对线缆收卷装置控制系统的工艺过程以及PLC在其中的控制作简要说明，并发布预习通知．学生收到通知后，按要求完成预习内容，对线缆收卷设备的功能、外形、基本技术指标、工作原理、主要电机的功率等有所了解，并在群内开展讨论．经讨论后，需要分组给出每组的初步控制方案，并用300字左右描述基本功能，在学习通平台提交作为项目成果1．

2.2 课堂引导

教师将案例内容进行分解，介绍每个内容所对应的课程知识点，然后对照图1逐一进行硬件讲解，具体讲解时按照内容由易到难循序渐进．在电气控制电路中，包括收卷装置的控制电路、收卷驱动器控制电路和排线驱动控制电路等．在立柱升/降电机的控制电路中，如何实现电机的正反转；在收线风机启动控制中，如何进行低压断路器的选型；在收卷驱动器控制电路中，为5.5 kW的变频电机如何选择变频器参数和外围保护电路等．通过讲解，学生了解了理论知识在具体工程案例中的应用，可以激发学生学习的兴趣和求知欲．

2.3 学习通平台提交控制系统电路图

学生对控制系统有了全面的认识后，就可以利用课下时间进行控制系统的设计，按照分组设计的思路，小组成员共同完成图纸的设计过程，即收卷装置控制系统的电路图，包括电机类控制电路、PLC接线图和辅助电路设计，电机类控制电路主要是收线电机、排线电机和直接启动的电机/风机类负载的电路图设计．小组成员完成后，提交项目成果2至学习通平台．

2.4 课堂解析

课堂解析主要是PLC控制单元的设计，包括数字量输入/输出单元设计、模拟量输入/输出单元的设计和本地操作按钮站的设计．在按钮站解析过程中，介绍常用的指令电气：按钮、转换开关、指示灯、急停按钮等，还有作为限位保护使用的光电式接近开关、红外放卷装置、机械式行程开关、门限开关、万向开关等低压电器．编程过程解析涉及到PLC技术中基本逻辑指令、定时器指令及计数器指令、传送、比较、数学及逻辑运算、转换、模拟量的运算、中断、高速计数等大部分知识点，课程解析需要4课时完成．

分析工艺，确定数字量输入32点，数字量输出15点，模拟量输入2路（生产线速度和张力舞蹈论的反馈），从而确定系统的PLC选型．小组成员完成后，作为项目成果3提交学习通平台．

2.5 PLC模块电路图的设计

PLC控制单元的设计课堂解析后，学生即可完成PLC硬件连线图，需要分组在学习通平台提交设计图纸作为项目成果4．部分PLC连线图见图2．

图2 PLC接线图电路设计

2.6 软件编程

在编程解析后，学生开始进行软件编程．需要在Step7编程环境下完成PLC编程，编写软件时，按照表1中的内容分解及相应知识点，将系统程序也分解成若干子程序进行设计并进行相应内容讲解．每个子程序对应1个或多个知识点，如启动/停止模块、初始化子程序、排线给定计算子程序、定时器中断子程序、高速中断子程序、收卷盘径计算等，PLC编程截图见图3．这里收线和排线电机的速度反馈不是通过模拟量来反馈到PLC，而是通过收线驱动器的编码器和排线驱动器的编码器进行反馈，不仅提高了收卷控制精度，也增加了系统的抗干扰能力．编程时，还用到了PLC的高速计数器．

图3 PLC编程截图

各小组完成编程任务后，进行仿真（见图4），并作为项目成果5提交程序至学习通平台．

图4 PLC仿真过程截图

3 考核与效果

采用混合案例教学法的电气控制与PLC技术课程考核成绩由3部分组成，分别为考试卷面成绩、平时成绩和阶段检查（类似实验）成绩，占比分别为50%，20%，30%．卷面考试以期末考试的卷面分数为主；平时成绩主要考核学生上课出勤情况和课堂表现；阶段检查成绩主要以学生线上教学平台提交的项目成果情况而定，具体认定时任课教师可以在学习通上直接评分，然后导出阶段检查成绩的分数，进行学生总成绩的评定．通过与前几届学生的纵向比较，发现采用案例教学法的授课学生在线上平台交流群里主动交流和发言，课下主动去实验室、参加学科竞赛和创新创业活动的人数都在增加，学生综合实践能力和创新能力得到了提高和锻炼．

综上所述，本文以线缆收卷装置控制系统结合电气控制与PLC技术课程开展混合式案例教学，这种教学方法克服了传统PLC课程教学方法的不足，提高了教学效率，极大地调动了学生的学习积极性与主动性．结合SIM仿真软件的应用可以使每个拥有计算机的学生都可以利用课余时间进行PLC程序开发与调试，有利于创新型、复合型、应用型人才的培养．

[1] 陈东旭，张冬，张敏．面向应用型人才培养的案例教学：约束与策略[J]．重庆科技学院学报（社会科学版），2020（5）： 112-115．

[2] 王静，张慧，崔雪．基于翻转课堂“信号与系统”案例教学探讨[J]．电气电子教学学报，2019，41（1）：87-89．

[3] 赵洋，胡亚伟．工程案例教学法在“PLC原理及应用”的教学实践[J]．实验技术与管理，2017，34（12）：222．

[4] 冯冬梅．分解的案例教学法在 PLC 课程中的探索与应用[J]．内燃机与配件，2022（2）：236-238．

[5] 凌六一，韦颖，周孟然，等．结合Protues虚拟仿真“单片机”课程的案例教学方法研究[J]．兰州教育学院学报，2019， 35（9）：222-225．

[6] 陈灵敏，万频，陈安，等．基于能力培养的电子信息类实践教学探索[J]．电气电子教学学报，2019，41（1）： 144-147．

[7] 万爱莲．“以学生为中心”的大学课程结构调整：关系与误区[J]．现代大学教育，2019（2）：101-109．

[8] 黎琼锋．唤醒主体：高校智慧教学的实现路径[J]．高等工程教育研究，2019（6）：149-154．

[9] 何秋生．面向实践能力培养的实践教学模式探索与实践[J]．山西高等学校社会科学学报，2016，28（2）：67-69．

[10] 于海霞，许少娟，刁立强．校企合作背景下电类基础课程案例教学探索与实践[J]．中国现代教育装备，2020（3）： 103-105．

Application of hybrid case teaching method in the course of electrical control and PLC technology

WEI Ying1，LING Liuyi2，3

（1. School of Electrical and Electronic Engineering，Anhui Sanlian University，Hefei 230601，China；2. School of Artificial Intelligence，3. School of Electrical and Information Technology，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

In view of the problem that the traditional teaching method is difficult tocultivate students′ interest effectively and leads to unsatisfactory teaching effect，it is proposed the teaching reform of hybrid case method of PLC course，which means combining with online platform to carry out case teaching．It is taken as the teaching case the control system of cable winding device，which not only involving the PLC programming I/O basic instructions，but also including the voltage electrical control loop design content．Through the design of cases，which can not only improves the teaching efficiency of the course，but also improves the initiative of the students and the comprehensive development ability of the PLC project．

electrical control and PLC course；case teaching；hybrid method

1007-9831（2022）08-0101-05

TM92∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.08.020

2022-03-09

安徽省教育厅质量工程项目（2021fwxxcy016，2020sjjxzz01，2020sjjd043）；安徽省教育厅省级重点教学研究项目（2019jyxm1165）；安徽省线上线下混合式和社会实践课程（2020xsxxkc152）

韦颖（1978-），女，安徽临泉人，副教授，硕士，从事智能信息处理研究．E-mail：1563227363＠qq.com