程卫东 鹿芳媛 郑元坤

摘  要 以工程教育认证相关标准要求为课程教学改革目标，对工厂电气控制课程进行理实一体化综合教学实验改革。从工程教育通用标准课程体系中对工程实践的相关要求，支持条件中对教室、实验室及设备的要求两个方面，对基础实验进行拓展性综合设计论证。通过相关教学实践活动，获得预期的改革效果。

关键词 理实一体化教学法;拓展实验;工程教育认证;工厂电气控制;实验室;实验设备;OBE

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）22-0124-04

Based on OBE Concept Extended Experimental Exploration of Industrial Electrical Control Technology//CHENG Weidong， LU Fangyuan， ZHENG Yuankun

Abstract The teaching reform aims at the related standards of engi-neering education certification. The course of Electric Control Tech-nology in Industry has been reformed by integrative teaching and experiment. Based on the relevant requirements of engineering prac-tice in the general standard curriculum system of engineering edu-cation and the requirements of classroom， laboratory and equipment in the supporting conditions， this paper demonstrates the extensive comprehensive design of basic experiments. Through the relevant teaching practice， the expected reform effect has been obtained.

Key words integration of theory and practice teaching method; ex-panding experiment; engineering education certification; electric con-trol technology in industry; laboratory; experimental equipment; out-comes-based education

1 前言

OBE（Outcomes-Based Education）是指教學设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后取得学习成果[1]。理实一体化教学法即理论实践一体化教学法。理实一体化实验室（教室）教学环节相对集中，任课教师同时是实验教学执行人和负责人，将理论知识融于实验教学中，理论教学与实验验证反复交叉、融为一体，让学生在学习和实验（实践）过程中理解理论知识、掌握技能、增强学习的主动性、提高学习兴趣，在理论和实践连续交互螺旋上升过程中完成学习积累。这样就最大限度地契合了学习规律，突出学生的主体地位，激发学生探究式学习潜力，让学生在不断巩固知识、积累工程能力的过程中达到事半功倍的效果。

机电课程群以传感器及检测技术、工厂电气控制、机电系统设计课程为主，兼顾电工、电子技术基础理论，扩大涵盖液压与气压传动、控制电机等课程的相关技术应用。在机电课程群理实一体化实验室（教室）中，各课程间可共享实验资源，相关课程实验设备按台套分区布置、40卡座（1或2人组）。本文以普通高等学校机械类专业工厂电气控制课程为对象，进行理实一体化教学模式下的拓展性实验项目的综合改革探索。

拓展性综合实验项目是在机电课程群理实一体化实验室（教室）的基础上，挖掘实验设备潜力，通过学生自主拓展性实验设计（实施），从项目设计、工程应用两方面着手培养学生工程应用的基础能力。拓展性实验属于综合设计性实验项目。

2 相关基本术语及拓展性实验设计原则

开展拓展性综合实验的一般术语  为清楚表达综合性实验设计及实施过程，将对应的基础实验和拓展性实验的基本术语进行定义。

基础实验：常规验证性实验。

前导基础实验：拟在基础实验项目上进行拓展实验的基础实验。

拓展实验项目：在相关的基础实验基础上拟进行的拓展性实验设计、实施的实验项目。

最小系统：拓展实验以PLC为核心的实操步进式进阶过程中，设计调试只接通满足本阶段实操及调试所接入（通电）的电气设备。

拓展性综合实验题目设计原则  在充分论证相关实验设备的可行性条件下，给出拓展性综合实验的题目，题目来源从以下几个方面考虑。

1）拓展性综合实验题目设计与实验包含的技术应用的密集度、通用度。

2）现有机电课程群理实一体化实验室（教室）条件下的拓展性综合实验题目设计难度和可执行度。

3）综合性实验项目设计及实验验证对一般性工程应用是否具有指导意义？

4）拓展性实验设计和开展过程中，节点和进程控制的技术进阶式、过程性的工程经验积累。

5）必要的保护装置以保证人身及实验设备安全。

3 前导基础实验设备及项目

基础实验共用设备  三相异步电机（JW6314）+旋转编码器（E6B2-CWZ5C，NPN型），以下简称“三相异步电机模块”;3位按钮盒，1只;3色信号灯（交流220 V），1只;漏电断路器NXBLE-63（4P 6 A），1只;明纬导轨式开关电源NDR-240W-24V，1只;24 V继电器模组模块（4路），1只;电机香蕉插接线一套，控制线路电线若干;必备接线工具、辅料若干。

理实一体化实验室（教室）实验1区设备  本区设备主要用于常规电气的基础性实验验证。考虑到前导课程电工学课程三相异步电机部分的实验安排，本理实一体化实验室（教室）从电机正反转实验开始切入。

1）实验1区正反转实验设备：断路器NXB-63（3P D6），

1只;熔断器RT28N-32X 2P，1只;交流接触器CJX1-12/22

三相380 V，2只;热过载继电器JR36-20（0.32～0.5 A），1只;3位接線端子，1只。

2）实验1区星—三角实验设备：断路器NXB-63（3P、D6），1只;交流接触器CJX2-1210三相380 V，1只;交流接触器CJX2-1201三相380 V，1只;热过载继电器NR2-12（0.63～1 A），1只;时间继电器JSZ3C-E 5-60S 380 V，

1只;交流接触器辅助触头组F4-11，1只;交流接触器辅助触头组F4-22，2只;6位接线端子，1只。

3）实验1区变频调速控制设备：断路器NXB-63（3P D6），1只;英威腾GD200A-0R7G-4变频器，1只。

学生开展拓展性实验设计的基本条件  坚持前导基础实验相关节点实验任务及实验效果评价与拓展实验项目申请相结合的拓展性实验准入原则。拓展实验在教学中的组织实施流程：以项目方式实施，填写拟进行的拓展实验项目申请表（2人/组）;任课教师或实验辅导教师根据申请人相应拓展实验任务前导基础实验节点实验综合评价（包括相关基础实验及报告的质量;实验操作过程是否存在瑕疵，是否已纠正），允许合格者方可着手进行拓展实验项目相关实验材料、实验方案（已分配课程群机电理实一体化实验室固定实验台号）的准备。

拓展实验用设备：实验2区PLC（S7-200 SMART SR20），

1只;HMI（SMART LINE 700IE V3）7寸彩色，1只。

拓展实验准备及流程  拓展实验设置是在基础实验基础上衍生而来的技术综合及工程融合。

1）实验设备技术资料准备、电路设计、相关程序、关键技术、解决方案及步进硬件最小单元搭建等相关技术文档撰写。

2）相关技术文档提交任课教师审核并签字。

3）最小单元硬件条件搭建完毕，需参照撰写的相关技术文档自查，同时提交软件联机调试程序，并经实验室任课教师（或相关实验人员）审核通过，在程序清单审核处签字后进入分步最小系统硬件搭建和联机调试实验及验证。

4）获得有效调试结果，整理提交相关技术文档。

拓展实验结束后处理  培养标准规范的实验室管理和实验文档成果的备案制，为综合性实验持续改进提供可评估的技术文档库。

1）拓展实验取得预期效果无瑕疵，结束拓展实验。

2）设备搭建全部恢复为基础实验状态。

3）整理合格技术文档，形成实验报告并上交备案。

4）根据提交的技术材料质量和基础实验过程中展现的实操能力进行综合考核，评定拓展实验环节成绩。

4 支持拓展实验设计的常规基础实验

1）前导基础实验1：三相异步电机正反转实验。实验内容原理：具有机械、电气互锁的正反转控制线路。

2）前导基础实验2：三相异步电机星—三角起动实验[2]（非国家标准推荐图纸）。原理图见图1。

3）前导基础实验3：变频器面板操控、接线端子、简易可编程多段速控制。

4）基础性综合实验：PLC硬件及编程软件认知综合性验证（最小系统）实验。其中包括前导标准实验1的PLC软件实现及硬件调试、按前导标准实验2原理图完全仿制的PLC程序关于能流反向及其处理、前导标准实验3的PLC—旋转编码器测试电机速度的相关编程及实验验证。本实验是综合拓展性实验的设备、技术基础。

5 PLC为核心的基础实验拓展设计

拓展性实验以基础实验为前导任务，融入PLC控制与变频器通信、云端远程、本地触摸屏及组态软件等自动化控制系统元素。

拓展性实验设计原则：选取适当技术密集度，采用技术递进、逐渐接轨工程应用，充分满足“学生中心、目标导向、持续改进”的工程教育认证要求。

必备基本相关原理图包括PLC硬件接线图、I/O表、PLC程序。采用梯形图全仿制编程。遇到能流反向问题，在保持全部逻辑控制关系的条件下，进行梯形图变形和优化。

拓展实验1：三相异步电机反接制动实验  在前导基础实验1的基础上进行拓展。PLC控制三相异步电机正反转起动，并采用速度原则反接制动停车，每步实验验证均采用最小系统进行。

1）S7-200 SMART软件编程及联机调试（PLC输入、输出均不外接设备——最小单元硬件接线）。

2）输出接直流24 V电源，驱动中间继电器工作。

3）中间继电器触点接交流380 V外部控制电源驱动接触器工作。

4）程序操控正、反转接触器动作，验证程序互锁。

5）旋转编码器测速程序引入后的制动特征信号。

6）速度原则的制动程序环节软、硬件环节程序调试。

7）接通正反转主回路断路器，进行完全通电实验。

拓展实验2：可逆星—三角起动制动实验  在前导基础实验2的基础上进行拓展。PLC控制三相异步电机正反转减压起动，并采用速度原则星形反接制动停车，每步实验验证均采用最小系统进行。

1）S7-200 SMART软件编程及联机调试（PLC输入、输出最小单元接线）;仿制给定的可逆星—三角起动制动原理图如图2所示（或独立采用PLC编程），编制梯形图程序[3];采用最小系统联机调试。

2）输出接直流24 V电源，驱动中间继电器工作。

3）中间继电器触点接交流380 V外部控制电源驱动接触器工作线圈。

4）程序操控星—三角接触器线圈，验证互锁、联锁。

5）速度原则的制动程序。拓展实验1的测速环节工程應用加强。

6）接通星—三角主回路断路器，进行该拓展实验的完全通电实验验证。

拓展实验3：PLC与变频器MODBUS RTU通信  在前导基础实验3、4的基础上进行拓展。PLC、变频器采用主从MODBUS RTU通信协议，HMI与PLC通过TCP/IP协议通信。完成人机交互对变频器的起停、调速控制。进一步HMI编程可进行运行参数的显示组态。

1）PLC采用MODBUS RTU通信协议的软件编程，PLC与变频器的RS-485硬件接线。

2）PLC通信初始化及通信程序编制。

3）变频器通信相关参数的面板设置。

4）MODBUS RTU主从通信联机调试。

5）网线连接工业交换机、S7-200 SMART、HMI。

6）HMI组态开发、设计，完成与PLC通信。

7）全部系统完全联机调试。

6 拓展性综合实验对应的学习业绩考核

基础性实验在理实一体化课程中进行，拓展性实验三选一。为加强实验环节学生自主设计的积极性，拓展性综合实验可作为项目驱动教学、课程设计实践环节的加强性考核指标，以期达到拓展性实验的设置目标。同时，学生的业绩考评可延伸到相关的企业实习综合考评中，使得学生每一阶段的学习和工程认知在基础工程能力培养上连续加强。拓展性综合实验可合并，连续计入后续各学习环节业绩：

1）本课程教学环节综合考核优秀的必备条件;

2）在本课程实践环节工厂电气控制课程设计中考核评定优秀课程设计的基本条件之一;

3）作为相关企业实习成绩评定的综合成绩按权重合并考核。

7 结语

以机电课程群中工厂电气控制课程为例，基于OBE理念对课程基础实验环节进行拓展性综合实验项目的设计。通过基础实验和拓展性综合实验，学生在理实一体化实验室（教室）可完八个以上的实验验证和综合性设计实验环节，在课程主动学习过程中加强实验环节独立设计、安装、调试、撰写技术文档等工程应用能力锻炼，为培养解决复杂工程问题的能力奠定技术基础[4]。采用理实一体化教学手段，对机电课程群相关课程的教学实验方法进行整合和综合改革探索，充分满足以学生为中心、以学习产出为导向的工程教育要求。■

参考文献

[1]李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念[J].中国高等教育，2014（17）：7-10.

[2]方承远，张振国.工厂电气控制技术[M].3版.北京：机械工业出版社，2006：1-425

[3]王阿根.可逆星三角起动反接制动控制电路的设计[J].江苏电器，1998（3）：15-16，33.

[4]工程教育认证标准（2017年11月修订）[S/OL].http：//

www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/rzcxjbz/gcjyrzbz/tybz/

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