边疆高职高专PLC一体化教学“六个阶段”课堂教学设计

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  摘要: 一体化课程教学是根据典型工作任务和工作过程来设计课程体系和内容,按照工作过程的顺序和学生自主学习的要求,进行教学设计并安排教学活动。课堂教学内容的设计及组织是实施课程培养目标的关键。本文是结合边疆少数民族地区高职院校学生现状,对“基于工作过程”的“项目教学”模式下PLC控制交通灯的“六个阶段”课堂教学设计的实践总结。
  关键词: PLC;一体化教学;“六个阶段”;交通灯控制;课堂教学设计
  导言:近年来,全國高职院校都在尝试教学模式改革,积极探索行之有效的教学模式,目的是让学生毕业后能很快适应工作岗位,学以致用。作为地处边疆的一名机电专业教师,也在不断更新教学理念,学习和探索新的教学模式,从分析职业学校学生的认知规律入手,不断采用“模块化”、“一体化”、“基于工作过程”、“行动导向教学”、“任务引领型”、“项目教学”等先进的教学模式及教学方法。下面是自己通过多年的教学实践,结合学习理解一体化课程教学并将其应用到PLC课程教学中,以交通灯控制项目为例进行的“六个阶段”课堂教学设计。
  一、一体化课程教学的依据、特点、内涵和方法简介
  (一)一体化课程教学的依据及特点
  《关于印发技工院校一体化课程教学改革试点工作方案的通知》指出:“一体化课程教学是以国家职业标准为依据,以综合职业能力培养为目标,以典型工作任务为载体,以学生为中心,根据典型工作任务和工作过程设计课程体系和内容,按照工作过程的顺序和学生自主学习的要求进行教学设计并安排教学活动。实现理论教学与实践教学融通合一、能力培养与工作岗位对接合一、实习实训与顶岗工作学做合一。”教学中要突出一体化课程的特点:“动脑、动手、动口、动眼”,凸显一种“主动” 参与过程。
  (二)体现一体化课程的内涵
  课程理念:“学习即工作,工作即学习”;课程来源:行业、企业情况分析,典型工作任务;课程顺序:职业者的职业能力发展阶段排序;学习情境:完整的工作过程;教学模式:以行动导向教学为主;学习材料:包括有工作页、说明书、网络信息以及参考教材等。
  (三)一体化课程教学的“六个阶段”教学法
  在一体化课程教学中,基于工作过程的课程教学由6个阶段组成[1]。
  二、PLC控制交通灯的“六个阶段”课堂教学设计
  ㈠教学设计思路
  PLC以其可靠性高、体积小、功能强、编程方便、维修方便以及安装应用方便的优点,在各行各业的控制中占据了主导地位,PLC教学作为电子、供用电、电气及工业自动化等专业的一门必修课,PLC的编程和应用是这门课程的重要教学环节。我校高职高专五年制供用电技术专业三年级开设PLC课程,该课程的一体化项目教学方案,是根据工作任务的“工作过程系统”确定“学习领域”后,以学生为中心、以任务为载体,让学生“在实践中学”,从而培养学生动手操作能力、自主探究能力和综合职业能力而设计的一种课程方案。
  选择交通灯控制为学习情境,是因随着社会经济高速发展和我国城市化进程的加快,城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调,已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一(如图1、图2)。交通信号灯是交通信号中的重要组成部分,是道路交通的基本语言。交通信号灯由红灯(表示禁止通行)、绿灯(表示允许通行)、黄灯(表示警示)组成(如图3)。此教学情境让学生进入项目实验教学的演示,发挥演示教学的“示和范”的作用,用项目教学法让学生理解和掌握PLC的控制原理和操作方法,对加快学习PLC的编程都有较好的启发效果。在本教学项目中,学生是课堂学习的中心、主体,让他们在实践与探索中学习,不断体验着成功带来的快乐和喜悦,激发学生的学习兴趣,更重要的是培养了学生自主探究和技能实践的能力。
  (二)教学项目任务书
  本项目任务要求学生在课外对不同十字路口的交通灯进行观察、比较后填写调研表格,然后在课内集体交流并讨论得出交通信号灯的工作原理,随后在老师的引导下自主学习有关用PLC控制交通信号灯需要掌握的相关知识点,完成输入/输出分配、输入/输出外接线图绘制、编写出正确的PLC程序,并自己接线、仿真、调试程序,直至达到正确的演示结果。学生每2-3人为1小组,每小组1套PLC实训设备。(如图4、图5)
  第一阶段:明确工作任务。通过学生课外调查后,进行课内集体交流、自主讨论调研结果和行人、车辆遵守交通规则的情况,分析出路况简单和路况相对较为复杂的十字路口交通灯不同之处,画出简易的交通灯的工作流程框图和控制时序波形图,得出交通信号灯的工作原理。(小组成员发言、结论)
  第二阶段:制定计划。根据讨论交通信号灯的工作原理和控制需要用到的新指令和软元件,分析交通灯的工作原理,收集可以采用的新软元件和指令及相关控制程序。(小组成员发言、分析讨论)
  第三阶段:做出决策。根据得出的交通信号的工作原理,查看PLC说明书,小组自主学习和了解这些新指令,软元件等。查阅FX2N系列PLC说明书,分组自主学习编程需要掌握的基本指令、定时器和计数器、状态继电器的类型和使用方法、比较指令、特殊辅助继电器M8013及步进顺序控制编程等。
  第四阶段:实施。以组为单位,先从最简单的人行道与车道交叉路口的交通灯入手,从简到繁,逐步深入。利用编程软件编写控制程序、接线并调试程序(图6)。(步骤:⑴根据控制要求→⑵PLC输入/输出(I/O)分配→⑶画出PLC外接线图(参考图14)→⑷编写PLC梯形图程序及指令表→⑸调试:输入梯形图→转换→写入程序→接线→运行调试、仿真调试、演示程序结果,并填写程序和调试结果。)接下来引入交通灯有闪烁要求时,让学生通过自主学习简单的灯闪烁程序(如图7)。
  第五阶段:控制。根据调研及交流情况,逐步添加程序功能,完成较复杂的交通信号灯的控制程序(有直行、左行、右行、有时间数字显示及不同时段控制等),并接线、仿真、调试程序。通过对比,思考如何让自己的程序更加科学化、合理化、和实用化(图8、图9)。(填写添加功能和修改后程序接线、调试)。   (1)正常情况下东西道、南北道(东西道、南北道交叉组成十字路口,东西是主道,南北是支道)轮流放行,如何调整两边的通行时间,东西道、南北道绿灯没有闪烁的控制(表1、表2)
  (2)正常情况下东西道、南北道轮流放行,东西道、南北道绿灯有闪烁的控制(表3、图10)。(用比较指令及特殊辅助继电器M8013为闪烁控制如图11,或用定时器控制如图12)
  (3)东西、南北两道均有直行和左行道,右行不设红灯。
  (4)在遇到紧急情况时,用手动强制东西道或南北道通行,参考如图13。
  (5)夜间23时至次日6时为黄灯闪烁,表示系统空闲状态,参考如图13。
  第六阶段:知识拓展及教学评价。利用网络查找西门子、欧姆龙、松下等工业常用PLC 的定时器和计数器的种类和使用方法并做纪录,对比三菱思考怎样完成交通信号灯的控制程序。最后进行学习评价和综合评价。
  ㈢教学目标
  ⒈知识目标
  1经过调查使学生知道不同十字路口交通信号灯的控制原理。
  2学会三菱FX2N系列定时器、计数器、状态继电器等的类型及使用方法。
  3能进行交通信号灯程序的编写与调试方法。
  4会查阅其它PLC定时器、计数器、状态继电器等的类型及使用方法。
  ⒉能力目标
  1通过布置课外任务和课内引导学生自主学习,增强学生的观察比较、查阅资料能力。
  2通过在课内的小组交流讨论,培养学生发现问题、分析问题、解决问题、自主探究的能力。
  3通过编写、调试程序、接线和演示程序结果培养学生动手能力和规范的操作习惯。
  ⒊情感目标
  (1)在做、学、教过程中很好穿插交通安全教育,教育学生自觉遵守交通规则,树立起良好的安全意识。
  (2)在集体交流和小组讨论中,培养学生敢于表达自己的观点,能积极参与集体讨论,增强集体团队协作能力。
  (四)教学实施方案
  教学方法
  教学内容
  一、学生自主或协作完成任务(课外)
  ⒈要求学生注意观察不同的十字路口交通信号灯的闪亮情况。
  ⒉注意观察行人、车辆遵守交通规则情况。
  ⒊做好相关记录,填写调研表格。
  二、学生集体交流、分组讨论、自主学习、老师引导,做最后小结(2个课时)(PLC实训室)
  ⒈交流课外调研情况,得出遵守交通规则的重要性和交通灯设 置的意义。(15分钟)
  ⒉讨论得出交通灯的工作原理,画出时序波型图。(30分钟)
  ⒊分析交通灯用PLC控制需要用到哪些新的指令和软元件,查 看PLC说明书,了解这些新指令和软元件的用法。(45分钟)
  三、学生以组为单位自主合作、探索、研究,教师巡回指导(2个课时)(PLC实训室)
  ⒈以组为单位利用编程软件编写出人行道与车道交叉路口交通灯控制程序接线并调试程序。通过自主学习简单的灯闪烁程序。(分别进行I/O分配表、I/O外接图、梯形图、指令表、接线、仿真调试、演示程序结果,并填写程序和调试结果。)(45 分钟)
  ⒉接线调试程序,演示结果。(45 分钟)
  四、学生小组讨论,协作完成任务,教师巡回指导(4个课时)(PLC实训室)
  ⒈根据集体交流的情况,进一步添加程序功能,完成较为复杂的交通信号灯的控制程序。(90分钟)
  ⑴正常情况下东西道、南北道(东西道、南北道交叉组成十字路口,东西是主道,南北是支道)轮流放行,东西道、南北道绿灯没有闪烁的控制。(20分钟)
  ⑵正常情况下东西道、南北道轮流放行,东西道、南北道绿灯有闪烁的控制。(用比较指令及特殊辅助继电器M8013为闪烁控制)(25分钟)
  ⑶东西、南北两道均有直行和左行道,右行不设红灯。(15分钟)
  ⑷在遇紧急情况时,手动强制东西道或南北道通行。(15分钟)
  ⑸夜间23时至次日6时为黄灯闪烁,表示系统空闲状态。(15分钟)等等。
  ⒉接线调试程序,演示结果。(90 分钟)
  五、学生主体教师指导(4个课时)(PLC实训室)
  ⒈根据学生程序的编写情况和调试情况,教师做出小结。(45分钟)
  ⒉展示学生中较为科学的程序和教师编写的参考程序,让学生进行对比,找出自己编程过程中的不足,全面提升编程能力。(45分钟)
  ⒊利用网络查找西门子、欧姆龙、松下等工业常用PLC的定时器和计数器的种类和使用方法并做纪录,对比三菱思考怎样 完成交通信号灯的控制程序。(45分钟)
  ⒋完成、完善项目任务书和评测表,教师答疑。(45分鐘)
  (五)教学评价
  ⒈学习评价
  从程序编程、程序输入及仿真调试、安装与接线、安全文明生产等方面进行评价,根据项目的实际给出考核要求和评分标准及对应的配分,参考如表4。
  三、PLC控制交通灯项目的教学总结
  (一)教学难点分析
  PLC控制交通灯项目的程序在设计过程学生遇到了一些难点,经总结有以下几点。
  ⒈行人道红绿灯和主干道红绿灯的对应关系
  因为实际的红绿灯控制中行人道的红绿灯和主干道的红绿灯有着一定的对应关系,所以在编程前一定要理清它们,这样才有利于在编程时简化程序、减少PLC不必要的运算。
  ⒉如添加盲人脉冲按键控制
  如果添加上盲人通过十字路口此种情况时,盲人在东西和南北的行人道同时通过十字路口的情况不会经常出现,可以说是非常少的,如果我们要把盲人脉冲分开东西控制和南北控制使他不影响和它没关系的主干道就可以减少车辆堵塞的情况。要实现这样的功能,在脉冲按键按下时,不影响他们的计时程序,对应的主干道红绿灯输出程序上应如何处理?   ⒊手動车流控制按键的控制方式
  手动车流控制按键是对相应的主干道绿灯延长的进行控制时,但不能使它在按下时改变当时的红绿灯显示情况,如现在是南北红灯东西绿灯时按下南北绿灯延长按键就不能使它变成南北绿灯东西红灯。这就涉及到了一个请求和响应的关系。
  ⒋交通灯的闪亮
  绿灯在实际运行中是要经过闪烁的,程序中要加入这个功能,可以用哪些方法实现,各有哪些优缺点。可以引导学生自主学习:如PLC中有一些继电器可以实现闪烁,也可用一个程序如图7实现闪烁。
  (二)调试错误与修改方法
  经过整个教学过程来看,学生想一次性把完整的程序完成是非常难的,在调试中就出现不少的错误。刚开始的时候把程序写进去然后运行,却发现有些灯不亮而且在完成了一个周期后就循环不起来了。学生常常不知道从哪里入手,此时引导学生学会一条一条地检查,有时会把常闭触头写成常开的,使输出口没有收到信号;或是触点的串并联位置输错、元件符号输错;或是程序编写设计错误;或是外接线接错等等。还要引导学生查看梯形图,一般学生一次却看不出什么问题出来。再引导教学生用编程器进行监控,在运行时进行监控,这样就容易发现哪步程序出问题了。接着学生用这样的方法把其他功能出现的错误也能找出来。虽然找错误和查线路故障是一个枯燥无味的工作,但只要学生们耐心的去做的话,肯定能学到有用的知识。
  (三)PLC智能化控制交通灯的方法(知识拓展)
  以上学生学会了传统的十字路口交通灯控制,交通灯控制通常是事先经过交通流量的调查,运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好的。然而实际上交通流量的变化往往是不确定的,有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。这需要有一种能够根据流量变化情况来适应控制的交通灯。此学习方向的引入,给喜欢钻研的学生指明了一条进一步学习拓展的的方向。
  四、结束语
  职业教育是指让受教育者获得某种职业或生产劳动所需要的职业知识、技能和职业道德的教育。职业教育教学特色就是要加强学生职业技能的培养,即重视实践和实训教学环节,突出“做中学、做中教”。通过以PLC控制交通灯的一体化“六个阶段”课堂教学设计为范例,在PLC的教学过程中,要体现课堂教学设计主要是围绕着“学习即工作,工作即学习”,创设教学情境,教学内容依托工作任务;教学中突出学生自主;引导让学生边做边学边教;注重考核评价;整个教学内容先基本、后高级、再综合,循序渐进,并在现场巡回指导时发现问题、总结问题,做到共性问题集中讲解、个别问题个别指导。从激发学生学习的兴趣入手,学生在学到专业知识和技能的同时,也提高了独立工作的能力、实践动手能力、合作协调的能力以及进行总结分析的能力。
  参考资料
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  [2]王晓初.可编程序控制器及外围设备安装〔M〕.吴道槐 张斌 张梦欣等.中国劳动社会保障出版社,2014年4月,第1版
  [3]劳动和社会保障部教材办公室组织编写.可编程序控制器及其应用〔M〕.中国劳动社会保障出版社,2007年4月第2版
  [4]于栋梁.一体化教学探索和研究〔OL〕.
  [5]顾林森.《交通信号灯的PLC控制》项目教学设计方案.《黑龙江科技信息》2011年 第33期
  作者简介:汪云,1966.06,女,汉族,安徽怀远,本科,德宏职业学院,高级讲师。研究方向:电工教学
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