以問題為導(dǎo)向的混合式教學(xué)模式在“變頻器應(yīng)用與維護(hù)”課程中的應(yīng)用

孫莉莉

青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與電氣工程學(xué)院 山東青島 266404

混合式教學(xué)模式將傳統(tǒng)線下教學(xué)和線上教學(xué)的優(yōu)勢結(jié)合起來，拓展了教與學(xué)的時間和空間。以問題為導(dǎo)向的混合式教學(xué)是以學(xué)生為中心，發(fā)揮問題對學(xué)習(xí)過程的指導(dǎo)作用，調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性、主動性、參與性、協(xié)作性及競爭意識。本文探索以問題為導(dǎo)向的混合式教學(xué)模式，并用于“變頻器應(yīng)用與維護(hù)”課程中，大大提高了教學(xué)效果。

一、以問題為導(dǎo)向的混合式教學(xué)在“變頻器應(yīng)用與維護(hù)”課程中應(yīng)用的必要性

“變頻器應(yīng)用與維護(hù)”課程是機(jī)電專業(yè)和電氣自動化技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)核心課。課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握變頻器應(yīng)用技術(shù)的相關(guān)知識和綜合實踐能力，使學(xué)生能夠?qū)ψ冾l器控制系統(tǒng)進(jìn)行接線、參數(shù)設(shè)定、安裝、調(diào)試和維護(hù)，以適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用。

“變頻器應(yīng)用與維護(hù)”課程教學(xué)內(nèi)容繁多，知識面廣。在變頻器的面板控制、端子控制、啟動控制、制動控制、同步控制、比例控制、通信控制等基本項目和基于PLC的車床主軸變頻器的調(diào)速控制、基于PLC的帶式輸送機(jī)的變頻器調(diào)速控制、基于PLC的起重機(jī)械變頻調(diào)速控制、基于PLC和變頻器實現(xiàn)恒壓供水的閉環(huán)控制、基于觸摸屏和PLC的變頻器網(wǎng)絡(luò)控制等典型項目中涉及了PLC程序設(shè)計基礎(chǔ)、觸摸屏組態(tài)等內(nèi)容，只利用課堂線下學(xué)習(xí)的時間是有限的。所以，利用線上線下學(xué)習(xí)的混合式教學(xué)顯得尤為重要。

為了滿足線上線下混合式教學(xué)的需求，以學(xué)生為主體，以任務(wù)為驅(qū)動，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行項目化改革和教學(xué)實施，如表1所示。開設(shè)“變頻器應(yīng)用與維護(hù)”課程之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電機(jī)與電氣控制課程和PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用與維護(hù)等課程，掌握了電機(jī)控制的相關(guān)理論和S7-200 PLC應(yīng)用技術(shù)，所以，電機(jī)控制部分和變頻器控制的編程部分，適合學(xué)生課前線上學(xué)習(xí)。圍繞六個項目主要知識點(diǎn)的相關(guān)任務(wù)錄制微課視頻，將每個任務(wù)的微課上傳到學(xué)習(xí)通平臺。學(xué)生可以利用課余時間在學(xué)習(xí)通平臺上自行學(xué)習(xí)，并應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行仿真實驗。

表1 “變頻器應(yīng)用與維護(hù)”課程項目化教學(xué)實施表

教師在任務(wù)設(shè)計中選用與工作現(xiàn)場貼近的實例進(jìn)行，以問題為導(dǎo)向，在任務(wù)實施中利用混合式教學(xué)、情境教學(xué)、角色扮演、分層次教學(xué)、分組教學(xué)等教學(xué)手段突破時間和空間限制，增強(qiáng)學(xué)生的代入感和投入感，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、積極性、解決問題的能力和實踐能力。

二、以問題為導(dǎo)向的混合式教學(xué)在變頻器通信控制中的應(yīng)用實例

(一)任務(wù)設(shè)計與實際生產(chǎn)結(jié)合，任務(wù)單課前線上發(fā)放

為了增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的綜合實踐能力，以港口大型機(jī)械的工作現(xiàn)場為載體設(shè)計任務(wù)，并將任務(wù)單線上發(fā)布到學(xué)習(xí)通平臺。

設(shè)計任務(wù)要求：利用觸摸屏控制S7-200 PLC，PLC與MM420變頻器之間通信，通過站號為3的變頻器控制電機(jī)，從而實現(xiàn)橋吊大車行走機(jī)構(gòu)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

(二)任務(wù)分析與實訓(xùn)設(shè)備結(jié)合，模擬實際工作現(xiàn)場

可以選用Smart 700IE觸摸屏，通過以太網(wǎng)控制S7-200 PLC，選用USS協(xié)議通信作為現(xiàn)場監(jiān)控和調(diào)試協(xié)議，采用兩線制的RS485接口控制站號為3的MM420變頻器，變頻器控制三相異步電動機(jī)，電動機(jī)帶動滑塊移動模擬橋吊大車行走。

(三)任務(wù)實施運(yùn)用多種教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和綜合實踐能力

1.分層次教學(xué)使不同層次的學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作，共同進(jìn)步

根據(jù)學(xué)生的知識基礎(chǔ)層次不同，進(jìn)行分組教學(xué)和分層次教學(xué)。讓每個層次的學(xué)生在動手能力和專業(yè)知識方面都得到提高。根據(jù)每個班學(xué)生的知識素質(zhì)基礎(chǔ)不同可以分成三個層次，知識基礎(chǔ)較好且動手能力強(qiáng)的學(xué)生分為第一組，適合進(jìn)行觸摸屏組態(tài)。知識基礎(chǔ)較好且動手能力不強(qiáng)的學(xué)生分為第二組，適合進(jìn)行PLC編程。知識基礎(chǔ)較差、動手能力較弱的學(xué)生為第三組，適合進(jìn)行變頻器參數(shù)查找和設(shè)置。學(xué)生可以根據(jù)自身知識水平課前在學(xué)習(xí)通平臺調(diào)查問卷中選擇自己自愿參加的小組。三個層次的學(xué)生可以團(tuán)結(jié)協(xié)作，在共同完成任務(wù)的同時，互相學(xué)習(xí)，互相促進(jìn)，互相鼓勵，形成良性循環(huán)。

2.情景教學(xué)和角色扮演，幫助學(xué)生熟悉職業(yè)性質(zhì)和未來職業(yè)環(huán)境

根據(jù)學(xué)生知識基礎(chǔ)不同進(jìn)行分工，扮演不同角色，配合完成任務(wù)。結(jié)合分層次教學(xué)的三個組，將每個實訓(xùn)臺的學(xué)生分成三類人員：中控室負(fù)責(zé)人、程序員和現(xiàn)場操作員。中控室負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)傳達(dá)任務(wù)和觸摸屏組態(tài)，程序員負(fù)責(zé)S7-200編程，現(xiàn)場操作員負(fù)責(zé)變頻器參數(shù)的查找和設(shè)置，三人合作完成任務(wù)。具體實施步驟：

(1)現(xiàn)場操作員首先接線和設(shè)置參數(shù)，并告訴程序員設(shè)置的P2010參數(shù)的波特率和P2011的變頻器站號。

(2)程序員對通信功能塊編程，中控室負(fù)責(zé)人控制功能塊設(shè)置的RUN輸入變量為M1.0，Speed輸入變量為VD20。編程結(jié)束后，用PLC對變頻器進(jìn)行編譯操作調(diào)試。

(3)中控室負(fù)責(zé)人組態(tài)調(diào)試完畢。操作啟動和停止按鈕，實現(xiàn)橋吊大車電機(jī)的正轉(zhuǎn)運(yùn)行；操作頻率按鈕，輸入負(fù)頻率，實現(xiàn)橋吊大車電機(jī)的反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

3.以問題為導(dǎo)向，線上線下混合式教學(xué)，將理論與實踐有機(jī)結(jié)合

線上利用學(xué)習(xí)通平臺進(jìn)行資料發(fā)放、微課學(xué)習(xí)和課后檢測。課前，利用學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布課堂學(xué)習(xí)任務(wù)單、需要掌握的技能和知識點(diǎn)的相關(guān)微課。課中，利用學(xué)習(xí)通“變頻器應(yīng)用與維護(hù)”課程發(fā)布任務(wù)點(diǎn)，利用討論環(huán)節(jié)和搶答環(huán)節(jié)考查學(xué)生對知識的掌握程度。課后，每堂課布置作業(yè)檢測題，考查學(xué)生對知識的掌握程度和學(xué)習(xí)狀態(tài)，教師進(jìn)行答疑、批閱作業(yè)和問題交流等工作。每個項目結(jié)束時進(jìn)行線上階段性項目考核。每個任務(wù)完成時，上傳作品，完成線上自我評價、小組互評和教師評價。

線下利用實訓(xùn)室實驗設(shè)備對線上線下的理論知識進(jìn)行實踐。進(jìn)行硬件連接和軟件仿真，并實現(xiàn)用觸摸屏控制變頻器，具體操作步驟如下。

(1)硬件連接(實訓(xùn)室線下講解并實訓(xùn)接線，如圖1所示)。使用標(biāo)準(zhǔn)Profibus電纜接在S7-200CPU通信口的1、3、8端子上，電纜另一頭無插頭，對應(yīng)的兩根線分別接到變頻器的14、15端子上。

圖1 變頻器通信控制接線原理圖

(2)確立通信方案。(學(xué)習(xí)通線上微課學(xué)習(xí)，并進(jìn)行軟件仿真)。MM420與S7-200之間的通信采用USS協(xié)議。S7-200作為主站，用戶使用指令可以實現(xiàn)對變頻器的控制。包括變頻器的起停、頻率設(shè)定、參數(shù)修改等操作。S7-200PLC提供的USS協(xié)議指令為USS-INIT和DRV-CTRL。

(3)參數(shù)組態(tài)與編程。步驟1：設(shè)置變頻器的參數(shù)(實訓(xùn)室線下分組，查找參數(shù)手冊)。P0700=5(對應(yīng)來自USS的控制字)，P1000=5(對應(yīng)來自USS的設(shè)定值)，P2010=6(對應(yīng)波特率為9600)，P1120=5(斜坡上升時間為5秒)，P1121=5(斜坡下降時間為5秒)。

步驟2：定義USS內(nèi)部變量(學(xué)習(xí)通線上微課學(xué)習(xí)，并進(jìn)行軟件仿真)。啟動SETP7-Micro/WIN32編程軟件，初始化功能塊USS-INIT的Paud引腳和Active引腳與變頻器參數(shù)P2010和P2011設(shè)置對應(yīng)?？刂乒δ軌KUSS-CTRL的Drive對應(yīng)變頻器站號與參數(shù)P2011對應(yīng)。

步驟3：編寫程序(學(xué)習(xí)通線上微課學(xué)習(xí)與課堂線下實訓(xùn)結(jié)合)。編寫程序并裝到S7-200PLC的PLC中，初始化USS參數(shù)，激活協(xié)議，設(shè)置波特率為19200，與站號為3(23=8)的變頻器進(jìn)行通信，所以ACTIVE為8。如圖2，功能塊USS-INIT的程序梯形圖所示。

圖2 功能塊USS-INIT的程序梯形圖

變頻器驅(qū)動控制：當(dāng)M1.0=1時，啟動變頻器；當(dāng)M1.1=1時，為自由停車；當(dāng)M1.2=1時，為快速停車；當(dāng)M1.3=1時，為故障應(yīng)答信號；M1.4控制方向，0為逆時針轉(zhuǎn)動，1為順時針轉(zhuǎn)動，對站號為3的變頻器進(jìn)行通信控制。MD20設(shè)置控制速度，用百分?jǐn)?shù)表示。如圖3，功能塊USS-CTRL的程序梯形圖所示。

圖3 功能塊USS-CTRL的程序梯形圖

(4)觸摸屏組態(tài)(學(xué)習(xí)通線上微課學(xué)習(xí)與課堂線下實訓(xùn)結(jié)合)。觸摸屏運(yùn)行變量與控制功能塊USS-CTRL的RUN運(yùn)行引腳變量對應(yīng)，頻率變量與控制功能塊的USS-CTRL的輸入引腳Speed對應(yīng)。

(四)任務(wù)評價由自我評價、小組評價和教師評價完成

學(xué)生進(jìn)行作品展示可以讓學(xué)生感受成功的幸福感，從合作中找出問題并解決問題，提高團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，這是學(xué)生自我肯定和正向激勵的過程。學(xué)生可以將完成任務(wù)的成果上傳到學(xué)習(xí)通平臺，供小組互評。小組互評能夠取長補(bǔ)短，互相鼓勵和借鑒。整個任務(wù)實施，教師是引導(dǎo)者，學(xué)生是任務(wù)的主體，教師的引導(dǎo)和拓展給學(xué)生帶來動力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

(五)考核機(jī)制多元化

任務(wù)考核由線上和線下考核兩大部分組成，注重每個任務(wù)的過程考核和每個項目的階段性考核。最終的綜合考核包括平時線上課程+平時作業(yè)檢測成績占10%；線上項目檢測成績占20%；線上任務(wù)完成情況包括自評、學(xué)生評價和老師評價，按3∶3∶4比例評定，占20%；線下項目階段性實訓(xùn)考核占20%；線下期末考試占30%。

結(jié)語

以問題為導(dǎo)向的混合式教學(xué)在“變頻器應(yīng)用與維護(hù)”課程中的應(yīng)用，大大提高了課堂效率，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和綜合實踐能力。結(jié)合變頻器的實際應(yīng)用場合，對課程中每個項目任務(wù)進(jìn)行設(shè)計，將枯燥的理論與實踐相結(jié)合，運(yùn)用多種教學(xué)方法，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的投入度和代入感，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量。