基于應用型人才培養(yǎng)的自動化實訓教學模式探索

王之堅, 錢曉龍

(東北大學 信息科學與工程學院, 沈陽 110819)

·實習與實訓·

基于應用型人才培養(yǎng)的自動化實訓教學模式探索

王之堅, 錢曉龍

(東北大學 信息科學與工程學院, 沈陽 110819)

為了切實加強學校學院推進的“雙一流”建設(shè)，引導學生創(chuàng)新思維模式，培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才，以開放實驗系統(tǒng)為平臺，采用“教做學研”的綜合教學模式，充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)新性。以實訓系統(tǒng)中常用電器-電機正反轉(zhuǎn)為例，從實驗設(shè)計要求到實驗調(diào)試驗收進行了循序漸進的內(nèi)容安排，使大部分學生能夠從零基礎(chǔ)開始逐漸轉(zhuǎn)入深入的學習，通過對實際應用系統(tǒng)的實驗訓練，鍛煉學生的工程思維模式。此方式經(jīng)過幾年的教學實踐，學生積極性高，教學效果良好。

自動化； 應用型； 實訓； 教學模式

0 引 言

隨著我國作為世界上制造業(yè)[1]大國的興起，企業(yè)對大學生實踐能力的培養(yǎng)提出了更高的期望，要求學生不僅要牢固掌握理論知識，還要增加工程實踐經(jīng)驗。鑒于此，各高校更加重視學生的工程實訓[2]環(huán)節(jié)，學生在校期間通過親自動手完成一系列與實際生活相關(guān)的工程實訓項目[3]，不僅能提高學習興趣，還可以獲得對本專業(yè)相關(guān)技術(shù)的基本認識，提高個人綜合素質(zhì)。

針對我國工程訓練的特點和發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合國際工程教育認證[4]的能力要求，我校信息科學與工程學院對自動化相關(guān)專業(yè)設(shè)置了電工電子實訓環(huán)節(jié)，實訓環(huán)節(jié)設(shè)置了4個實驗內(nèi)容[5]，包括：照明控制[6]系統(tǒng)設(shè)計、計算機組裝實訓、常用電器的應用[7]、數(shù)字萬用表的焊接制作和綜合布線[8]系統(tǒng)內(nèi)容。實訓內(nèi)容來源于實際生活中，因此學生對實驗充滿興趣， 并且能夠很快上手，能自主積極地進行學習。本文以常用電器的應用內(nèi)容為例，介紹工業(yè)實訓的操作規(guī)范和用電安全、系統(tǒng)設(shè)計要求、系統(tǒng)設(shè)計方案和調(diào)試驗收等方面工業(yè)實訓的整體學習過程，讓學生了解工程實訓中應該注意的問題，及復雜工程的解決思路[9]。

1 工程實訓的安全操作規(guī)范

自動化相關(guān)專業(yè)的實訓項目多為強電，實驗室中電源有220 V和380 V，屬于危險電壓，同時實驗室中電動機的轉(zhuǎn)動部分也容易引起事故。為了既保證按時完成電動機的實驗又確保實驗時的人身安全與設(shè)備安全，要求學生必須嚴格遵守實驗室的安全操作規(guī)程[10]。這種訓練對于學生以后步入企業(yè)，能夠正確自覺的遵守安全操作規(guī)范，達到了良好的約束作用。

這里對實驗室的安全操作規(guī)程進行簡單描述，主要分為人身安全和設(shè)備安全。

人身安全：① 上課時不能赤腳，最好穿膠底鞋，女生注意發(fā)辮要扎好，實驗時最好穿緊袖口衣服，注意衣角、頭發(fā)、導線等不要被電動機的轉(zhuǎn)動部分卷入。② 嚴禁接觸帶電線路，遵守先接線后送電源，先斷電后再拆線的操作程序。③ 嚴禁帶電操作，在必須帶電檢查線路時，要用萬用表的手持表筆絕緣棒進行檢查，不能用手去促使電動機起動或停止，以免發(fā)生意外。④ 焊接實驗時，注意電烙鐵的使用，不能燙傷自己和他人，不能用電烙鐵接觸實驗室其他設(shè)備，造成設(shè)備的損壞。印制的電路板上有裸露的帶點端子，通電后不能用手直接接觸金屬部分，以免觸電或造成電路的短路。

設(shè)備安全：① 看懂實驗電路圖，實驗前先觀察實驗平臺[11]中電氣元件實物與電路圖中元器件的對應關(guān)系。② 遵守接線的原則，選擇合理的接線步驟為：先串后并，先主后輔。有特殊說明例外。③ 接線要規(guī)范，美觀，按工程實踐要求，盤線要使用線槽，接線后面板布線整潔。④ 接線要牢固，以防止發(fā)生電動機超速或飛車等事故，損壞其他設(shè)備及人身安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容與要求

學院的電工電子實訓[12]課程，主要針對自動化相關(guān)專業(yè)大一學生，因此開設(shè)的實驗內(nèi)容，既要體現(xiàn)專業(yè)方向，又要內(nèi)容基礎(chǔ)實用。根據(jù)學生的興趣方向，設(shè)計一系列跟實際生活貼近的實驗項目[13]，本文以常用電器-電動機的正反轉(zhuǎn)為例，闡述從這個簡單的實驗項目中如何讓學生得到專業(yè)方面的技能訓練。首先提出了基本的實驗任務(wù)與要求，讓學生能夠明確自己的實驗目的，其次提到相關(guān)領(lǐng)域的知識點，使學生能夠知道從哪些方面入手去查閱資料。然后根據(jù)實驗要求進行電路的設(shè)計，最后在實驗室完成電路的連接與調(diào)試。項目內(nèi)容設(shè)計方案由淺入深，適合所有學生的學習情況。

總體任務(wù):了解常用電器的結(jié)構(gòu)與特性，利用實驗面板上提供的電氣元器件，完成實驗電路的設(shè)計，實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)控制。

基本內(nèi)容:① 了解常用控制電器定義及分類，了解控制電器在電氣控制系統(tǒng)中的作用； ② 掌握常用電磁式控制電路的基本結(jié)構(gòu)和原理，掌握電磁式控制器3個組成部分：觸點、滅弧原理和滅弧裝置及電磁機構(gòu)的工作過程；③ 掌握接觸器的規(guī)格型號及繼電器的分類方法，觀察生活中常用電器的類型； ④ 掌握按鈕開關(guān)、斷路器、熔斷器等電氣元件的結(jié)構(gòu)及工作原理；⑤ 撰寫總結(jié)報告，通過小組討論、交流提出改進的不同實驗設(shè)計方案。

擴展內(nèi)容:① 利用熱磁斷路器和接觸器直接啟動電動機的起動控制；② 完成電動機星-三角形起動控制。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案及連接調(diào)試

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計思想

電動機的正反轉(zhuǎn)在日常生活中廣泛使用。例如行車、木工用的電刨床、臺鉆、刻絲機、甩干機、車床等。對于三相籠型異步電動機來說，可以通過兩個接觸器來改變電動機定子繞組的電源相序來實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)。工作原理是：電動機旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向和旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向一致，而旋轉(zhuǎn)磁場方向是由三相電流的相序控制的，所以改變電動機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向就是改變定子三相電流的相序。將電動機同電源相接的三根導線中的任意兩根互換，即可實現(xiàn)電動機的反轉(zhuǎn)。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)設(shè)計采用了斷路器(空氣開關(guān))、正向接觸器、反向接觸器、起動按鈕和端子排等電氣元件。電路設(shè)計方案及實現(xiàn)簡單、易操作。但包括多個知識點，如：控制電動機換向、電氣自鎖、電氣互鎖和機械互鎖等。系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案圖

該主電路中：Q1為三路熱磁斷路器，Q2為兩路熱磁斷路器，接觸器KM1為正向接觸器，控制電動機M正轉(zhuǎn)，接觸器KM2為反向接觸器，控制電動機M反轉(zhuǎn)，KR1為熱繼電器，M為電動機?？刂齐娐分校篠A1為正轉(zhuǎn)回路起動按鈕，SA2為反轉(zhuǎn)回路起動按鈕，SA3為緊急停止按鈕，可保持常閉狀態(tài)。

起動過程：① 閉合三路熱磁斷路器Q1，接通380V電壓；② 閉合二路熱磁斷路器Q2，接通220 V電壓；③ 按下起動按鈕SA1，接觸器KM1線圈通電，KM1主觸頭閉合，KM1常開輔助觸頭閉合，電動機M接通電源開始正向轉(zhuǎn)動。

停止過程：按下停止按鈕SA3，KM1線圈主觸頭和輔助常開觸頭斷開，電動機M斷電停轉(zhuǎn)。

電動機反向轉(zhuǎn)動過程同上面相似，只是按下起動按鈕SA2，接觸器KM2動作后，調(diào)換了兩根電源線U、W相(即改變了電源相序)，從而達到反轉(zhuǎn)的目的。

在連續(xù)控制中，當起動按鈕SA1松開后，接觸器KM1的線圈通過其輔助常開觸頭的閉合仍繼續(xù)保持通電，從而保證電動機的連續(xù)運行。這種依靠接觸器自身的輔助常開觸頭而使線圈保持通電的控制方式，稱為自鎖或自保。而控制電路中要求KM1和KM2不能同時通電，否則會引起主電路電源短路。為此，要求在電路中設(shè)置連鎖環(huán)節(jié)，常用的有電氣互鎖和機械互鎖兩種。將其中一個接觸器的常閉觸頭串入另一個接觸器線圈電路中，則任何一個接觸器先通電后，即使按下相反方向的起動按鈕，另一個接觸器也無法通電，這種利用兩個接觸器的輔助常閉觸頭互相控制的方式，叫做電氣互鎖。利用復合按鈕組成“正-反-?！被颉胺?正-?！钡幕ユi控制，既有接觸器常閉觸頭的電氣互鎖，也有復合按鈕常閉觸頭的機械互鎖，即雙重互鎖。該電路操作方便，安全可靠，且包含知識點多，因此作為自動化專業(yè)啟蒙工程教育最為合適。

3.3 系統(tǒng)連接與調(diào)試

系統(tǒng)的連接與調(diào)試部分，是真正考驗學生動手能力的環(huán)節(jié)。利用對系統(tǒng)電路的設(shè)計分析，將電路圖中電氣元件與面板實物相對應，通過實驗過程驗收和實驗質(zhì)量方面能夠看出學生對工業(yè)工程操作是否符合規(guī)范[15]；在查閱資料、系統(tǒng)設(shè)計和連線調(diào)試的過程中，要求學生記錄實驗過程筆記，讓學生在剛?cè)雽W開始就養(yǎng)成學習中常記筆記的好習慣；最后要求學生寫實驗報告，鍛煉學生的書寫能力，為以后的學生和工作奠定良好的基礎(chǔ)。具體驗收步驟如下：

(1) 實驗過程驗收。要求每組的學生要合作完成電氣元件的認知與連線工作。實驗過程中要分工明確；掌握安全用電措施及操作步驟；工程操作過程規(guī)范，遵守實驗室規(guī)章。

(2) 實驗質(zhì)量驗收。要求連線正確；接線牢固；布局合理；走線設(shè)計美觀，評價設(shè)計方案的合理性。

(3) 實驗筆記驗收。要求筆記中體現(xiàn)查閱資料的

途徑；掌握的知識點；實驗設(shè)計方案；實驗過程中遇到的問題及解決方法；對方案的改進及創(chuàng)新思路。

(4) 實驗報告驗收。要求學生對所完成的實訓內(nèi)容，以論文的形式書寫實驗報告，讓學生盡早掌握科學論文的書寫格式及書寫方法。

通過以上實際項目的驗收要求，提高了學生的學習興趣，規(guī)范了學生的現(xiàn)場操作，讓學生能夠在工業(yè)工程現(xiàn)場環(huán)境中有安全操作和規(guī)范操作意識，增強信心，鍛煉能力。

4 結(jié) 語

工程訓練是我國特有的工程實踐教育方式，是落實工程教育、實現(xiàn)工程教育認證能力標準的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過多年不斷的改進與探索，自動化實訓教學模式實行了10余年，實驗內(nèi)容與生產(chǎn)實際應用相結(jié)合，實驗效果良好。使學生既掌握了理論基礎(chǔ)知識，又培養(yǎng)專業(yè)的實際操作能力，還可以讓學生接觸到工程系統(tǒng)的分析和管理，因此，工程訓練具有專業(yè)教育無法取代的實踐性、整合性和創(chuàng)新性特點。

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The Exploration on Automatic Practical Teaching Model Based on Applied Talent Training

WANGZhijian,QIANXiaolong

(College of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

In order to strengthen the "two first-class" that college and university promoted, guide students' innovative thinking modes, and cultivate innovative field-working oriented talents, based on opened laboratory system, the paper uses comprehensive teaching model - "combined by teaching, making, learning and studying", to develop the students' initiative and innovation. In this paper, uses CW/CCW rotation of motor, commonly used in electrical training systems, as an example, arranges the content teaching step by step from the experimental design requirements to the debugging and acceptance. The experiment makes most students who start from non-foundation gradually transfer to thoroughly learning. The experimental training practical application system trains students’ engineering thinking. This way has experienced several years of teaching practice, students’ motivation enhances and teaching effect is good.

automation; application-oriented teaching mode; practical training

2016-04-25

國家自然科學基金資助項目(11273001)；中國航天科技集團公司衛(wèi)星應用研究院創(chuàng)新基金(2014-CXJJ-TX-11)

王之堅(1959-)，男，吉林長春人，學士，工程師，主要研究方向為自動控制、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等。

Tel.:18642045750; E-mail:wangzhijian59@163.com

TP 393

A

1006-7167(2017)03-0235-03