许观华

【摘要】在PLC技术应用课堂中，通过项目实施培养学生项目分析、项目实施、项目拓展和项目评价的能力，使学生在做中学，让学生真正成为学习的主体。基于STEM教育理念的中职PLC技术应用课程，是以SETM教育理念下课程改革为切入点，对PLC技术应用课堂教学模式提出创新的设计方法。并以“物料传送检测系统PLC控制”为具体的设计案例结合教学模式阐述利用STEM理念下进行的教学创新设计。

【关键词】STEM教育理念;中职PLC技术;案例设计

一、中职PLC技术应用教学中存在的问题

中职PLC技术应用教学的现状，中职PLC技术应用课堂已进行了教学改革，但在PLC教学实践中仍存在学生对PLC新的知识迁移和创新能力不强，在课堂上参与性不足等问题。新的课程改革在落实立德树人根本任务、加强创新型人才培养的大背景下，切实以落实中职学生发展核心素养为导向，积极变革教学模式与评价方式，加强推动STEM教育的PLC技术应用的课程研究与实践。目前，大多数课堂仍只重视理论知识的讲解，忽视了全面深入落实改革目标，实现PLC技术应用课程的三维目标。在PLC技术应用课程中需要创设工程应用的情境来拓宽学生思维，才能实现强化学生的知识迁移力和创新能力;需要注意在课堂设计中明确学生的主体地位，充分调动学生的主观能动性和参与性，才能实现培养学生的科学观念、职业素质与人文素养。

二、STEM教育理念

STEM教育强调课堂设计的参与性和拓展延申性，意在开发学生潜在的迁移能力、创新思维能力。在课堂上，以学生为本，教师为辅，意在培养未来能够主导电气设备运行控制等行业发展的综合性人才。将STEM中四个学科融合到PLC学科中是学生学习PLC技术应用的基础，是培养高素质创新性人才必备的关键所在。因此，STEM教育理念下PLC技术应用课程，STEM就像助力器，加速中职专业课程改革的进程。

三、基于STEM教育理念的PLC技术应用课程改革

为培养学生的创新科技素养，落实课程改革的有效途径，设计具有学科特色的STEM课程是践行STEM教育理念的关键。2014年，美国国际技术与工程教育学会提出的落实STEM教育的活动模式的6E设计型学习模式。其六个阶段分别为： 参与、探索、解释、工程、深化、评价。6E设计型学习模式结合了科学炭疽活动和工程应用的实践，重视学生在分析和解决真实情境的问题中，运用跨学科的知识，主动完成学习和自主设计的循环过程，解决项目任务中的问题。结合PLC技术应用课程的实际，提出了学生通过项目分析、探究、设计、安装与调试、优化、评价的课堂活动模式，使学生掌握开展STEM活动下PLC相关知识的理性认知和有效方法，并能将PLC的理性认识、科学的方法、技术设计和工程思维向PLC学科中进行知识迁移和拓展。

四、基于STEM教育理念的中职PLC技术应用

为加深学生对变频、传感器与PLC综合技术应用的认知，以STEM教育模式设计出“物料传送检测系统”的教学案例。

（一）课前

1.准备教学资源与器材

多媒体平台、物料传送系统在快递产业分拣快递的应用视频、物料传送检测系统项目演示微视频、WORK2编程软件、YL235A机电一体化实训设备、三相异步电动机、万用表、E740变频器、光电和光纤传感器、导线和任务指导书等。

2.设计项目任务

物料传送检测系统用于检测金属物料和非金属物料。按下启动按钮SB1，物料传送皮带在15Hz的频率控制下运行;当传送带入料口的光电传感器检测到物料后，物料传送皮带在35Hz的频率控制下运行。如果是金属物料则运行到检测位置I传送皮带停止运行，如果是非金属物料则运行到检测位置II传送带停止运行。传送带上的物料被取走后，再以15Hz的频率控制继续运行，准备进行下一物料的检测。按下停止按钮SB2，在物料检测系统完成当前物料后系统停止工作。

3.设计活动目标

在PLC相关知识层面上，以PLC技术应用学科的变频器和PLC为主体知识。通过物料传送检测系统典型案例——分拣金属和非金属物料，促进学生对检测与分拣的进一步认识，利用不同传感器进行检测不同属性的物料，提高知识的理解和运用。同时又整合了检测学科的知识，要求学生了解传感器检测原理。

在技术层面上主要是通过变频器技术实现物料传送检测系统中控制皮带运行速度中的速度变化;传感器检测技术实现对金属物料和非金属物料的检测;气动控制技术实现对物料分拣到相应的料槽中;PLC控制技術实现对变频器、传感器和气动控制的自动化控制。要求学生掌握四种技术的技术要领。学生操作完成综合技术的操作基础上分析技术在项目实施中所起动的重要作用。

在工程层面上主要是通过在小组团队合作的基础上解决工程问题，用所学的PLC的知识和技术来解决实际工程问题。通过小组内部的有效沟通，掌握PLC与变频器技术、传感器技术和气动控制技术的融合，现实物料传送检测系统的控制。

在数学层面上主要涉及变频器参数设置、传送带速度的变化以及基于变频器参数数据及结果的推理分析的能力。主要通过数学的应用提升学生在PLC技术应用中数学知识，培养学生的数学思维以及数学应用的能力。

（二）课中实施

教师通过导入工程用的情景“物料传动系统在快递产业分拣快递的应用”视频作为课堂引入，营造具有工程项目案例化的真实学习情境，从而引出项目任务。

1.项目分析（参与阶段）

学生通过观看物料传送检测系统视频演示理解项目任务的控制要求，明确光纤传感器用来检测非金属物料、电感传感器用来检测金属物料，物料皮带的速度15Hz、35Hz两种不同的速度通过变频器参数设置实现对三相异步电动机的调速方法。PLC编程则采用顺序控制的方法编写梯形图程序。

2.探究（探索阶段）

探究活动1：学生在教师的指导下，拆卸变频器外壳，探究变频器的组成。通过探究活动，学生认识变频器的PU面板操作模式、外部操作模式、组合操作和网络操作模式;掌握面板上的频率、电压和电流指示灯的切换;掌握按键和各种接口功能。

探究活动2：学生在教师的指导下，翻阅E740变频器使用手册探究变频器各个端子的作用，掌握各个端子的功能。在操作规程的指引和教师的指导下，学生进行主回路和控制回路的接线。

探究活动3：小组学生根据项目任务进行变频器参数设置，学会使用变频器PU操作和外部端子手动控制三相异步电动机，从而学会变频器参数设计技术。

3.设计（解释阶段）

学生以小组为单位，合作完成项目实施方案的设计，确定I/0分配表、设置变频器参数、选择任务所需材料及工具，利用WORK2软件编写PLC控制物料传送检测系统的程序。教师结合学生的实际设计的方案，讲解涉及到PLC的相关知识，填补学生PLC相关知识。通过小组讨论引导学生组内讨论、交流找到方案设计的不足，并帮助学生找到问题所在，小组团队完善组内的方案。各学习小组上台解释方案设计的意图，从I/O分配、变频器参数设置、PLC程序功能等方面详细说明，教师对方案的可行性进行评价。

4.安装与调试（工程阶段）

学生小组安装与调试物料传送与检测系统。在学生安装与调试过程中，教师要及时解答学生在安装与调试过程中的疑问，指引学生在方案实施阶段要安装操作流程安全操作，高质量地完成项目安装与调试。在调试的过程中，学生要尝试团队利用所学的知识实施制作方案，运用STEM理念进行学科融合的观点，直至把物料传送检测系统调试成功。

5.优化（深化阶段）

教师提升分拣检测系统制作难度：为提高机械的工作效率，将分拣系统检测金属、白色物料和黑色物料等不同物料。教师提出新的问题，引导学生进行PLC技术应用知识和技能的迁移，以应对在新情境下的三个检测不同物料新问题。学生在新情境下对原系统的基础上进行改进，考虑增加检测机构以应对检测不同颜色的物料，增加检测系统的适用范围。

6.评价（评价阶段）

各小组展示物料传送检测系统检测金属和非金属物料。各小组先进行自我评价，然后小组互评，最后教师点评。教师从学生迁移和创新能力角度结合学生的时间提出改进的方案。各組学生团队根据自评、互评和教师点评结合实际再次优化系统方案。最后各小组把设计系统的视频放到在职教云平台上进行展示。

（三）课后

教师收集教学内容相关的拓展学习资源设置拓展任务，学有余力的学生可以挑战拓展任务，培养学生对PLC技术知识（技能）的迁移和创新能力。

五、结语

为创新开发中职PLC技术应用课程，基于STEM教育理念下与PLC技术应用教育改革深度融合，将工程应用的案例融入到日常教学活动中去，结合现代技术手段给学生创设多学科融合的学习背景，突出工学结合与职业素质的培养，从而提高学生的综合素质。基于STEM理念的PLC技术应用课程非常注重学生在整合跨学科的知识应用中调动思维、主动学习、建构方案、解决问题，促进核心素养发展方面具有更大优势，从而实现立德树人、创新型人才培养的育人目标。

[本文系2018年广东省STEM教育实践研究课题“技能竞赛驱动下中职电气专业STEM课程体系建设研究”（课题编号：2018GDSTEM067）的研究成果]

参考文献：

[1]胡卫平，首新，陈勇刚.中小学STEAM教育体系的建构与实践[J].华东师范大学学报（教育科学版），2017，35（4）.

[2]崔鸿，朱家华，张秀红.基于项目的STEAM学习探析：核心素养的视角[J].华东师范大学学报（教育科学版），2017，35（4）.

责任编辑  胡春华