浅谈思维导图在“机床电气与PLC控制”课程教学中的应用

孟 佳

(包头职业技术学院 机械工程系，内蒙古 包头 014030)

随着工业自动化的蓬勃发展，传统的继电器一接触器控制系统逐步被智能化的PLC控制系统代替，或在原有系统上进行PLC改造。高职院校中的机械制造专业也顺应技术发展的脚步，将电气与PLC控制课程纳入专业人才培养方案当中，以期培养出具有机床操作、设备检修、智能控制等综合型技能人才。“机床电气与PLC控制”作为高职院校机械设计制造及自动化专业的专业核心课之一，承担了向学生传授继电器—接触器控制系统与PLC控制基本知识和理论、帮助其建立自动化逻辑控制思想的重任，其知识点的广泛性、深入性、内在联系与逻辑性成为学生学习本课程的主要难点，并且不易让学生在短时间内记忆、理解和掌握。而思维导图恰好能将看似独立的知识点串联起来，经过系统梳理，体现出知识点之间的内在联系，构成一张可用于发散思维、强化记忆的大知识网络，帮助学生建立思维框架，让知识脉络和教学思路变得更加清晰，并将思路完整地呈现给学生，有助于提高学生的学习效率，激发学生的学习兴趣。可以说，思维导图在本课程教学中的有效应用是构建高效课堂的有效途径之一。

一、运用思维导图，体现出课程的总体知识框架

教师在本课程的第一堂课中，可以运用思维导图，为学生对本课程内容进行简要介绍：本课程包括两大部分，一部分为机床电气控制，主要讲解电气控制基础和机床电气的控制应用；另一部分为机床PLC控制，主要讲解PLC控制基础和机床的PLC控制应用。本课程内容的总体框架如图1，通过该图学生可以很清晰地了解本课程的内容安排，并在后续学习中，始终把握住大框架，将每堂课学到的各知识点放在框架图中进行梳理，便于记忆和总结。

图1 机床电气与PLC控制课程内容框架图

二、运用思维导图，体现出前后知识点编排的逻辑关系

在电气控制基础中，想要完成控制，必须要明确：

(一)控制对象

电气控制基础研究的控制对象是电动机。因此，我们要了解电动机的分类和工作原理，正所谓“师夷长技以制夷”。

(二)控制元件

在电气控制基础中，完成控制的电器元件是低压电器。因此，我们要学习很多低压电器的结构和工作原理，把他们正确地运用到控制电路中。

(三)控制方法

在电气控制基础中，逻辑线路可以完成基本的电气控制。因此，我们要学习电气控制的基本环节，并进一步将其运用到三相电机和直流电机的启、停、调速控制中。

三、运用思维导图，印证理论与实践的一致性

思维导图体现出理论对实践的指导意义，印证了理论与实践的一致性。通过以下两个教学案例说明：

(一)电机调速方法与机械特性曲线

在讲授直流电动机的机械特性时(见图2)，可分为固有机械特性和人为机械特性两部分。固有机械特性是学习电机机械特性的出发点，人为机械特性则是后期对电机做调速而采用的不同方法，那么调速的方法从电机的机械特性公式中获得——若将常量固定不变，只对公式中的变量实施控制，就可改变电机特性，实现电机调速。

图2 直流电动机的机械特性教学思维导图

固有机械特性是直流电动机在稳定运行情况下，电动机的转速n与机械负载转矩之间的关系，即n=f(TL)，由于电动机电磁转矩T近似等于负载转矩TL，故常写成n=f(T)，即

(1)

可以看到，该公式中有两个常量：和，以及三个变量：U、R、φ。因此，我们在为学生讲解直流电动机的人为机械特性时，可以分别从每个变量入手：

R：电枢回路串电阻，通过电枢回路串电阻Rpa，即在原有Ra的基础上增加Rpa，可实现直流电动机的调速，如式2。

(2)

U：改变电源电压U，原来的额定电压是UN，如果降低电源电压，就可以实现直流电动机的调速，如式3。

(3)

φ：改变磁通φ，磁通越小，电机的转速越高，如式4。

(4)

(二)三相电机的调速方法与转速公式

在讲授三相异步电动机的调速控制时，也可以根据以上方法，在理论公式中找到全部变量，针对每个变量进行分析和调整，得到三相电机调速的不同方法，如图3。

图3 三相异步电动机的调速控制教学思维导图

通过在思维导图中构建关联线条，可以很好地帮助学生理解我们为何要用这些方法才能实现电机调速，老师讲的这些方法从哪来，也能让学生对知识点不再存有疑惑，确实认可和接受书本内容。反过来，也能更好地理解理论公式，体会到理论与实践的一致性。

四、运用思维导图，培养思维逻辑的严谨性

运用思维导图，理清解决问题的思路，便于总结规律、培养思维逻辑的严谨性。比如在学习三相笼型电动机的控制时(见图4)，需明确以下内容：(一)控制思路

图4 三相笼型异步电动机电气控制教学思维导图

因电气控制系统包括主电路和控制电路两部分，故要分析或完成电气控制时，必须对主电路和控制电路分别加以控制，两者缺一不可。

(二)在主电路中如何实施控制

因主电路中有控制对象——电动机，而电动机受接触器的控制，他们是最终展现控制结果的部分。因此，无论后续如何完成控制逻辑，都需要首先在主电路的接线方面完成正确的电路连接，或实施必要的电路改造，同时需要明确各接触器的主触点的动作顺序。最终，将控制要求转化为主电路中各接触器的主触点按序动作，并把它作为主电路控制的落脚点。

(三)主电路与控制电路之间的联系

接触器由线圈、主触点和辅助触点构成。主触点在主电路中控制电机，线圈和辅助触点在控制电路中，是被控对象，而接触器的主触点与辅助触点又是同步动作的。因此，接触器才是连接主电路与控制电路的桥梁和纽带，也是整个电气控制的核心。

(四)在控制电路中如何实施控制

在控制电路中，要解决如何控制接触器的主触点按序动作这个问题。因此，需要用到之前学过的电气控制的基本环节等内容加以分析和运用，并按照手动控制和自动控制的不同方式，引导学生完成自主学习，加强了对基础控制环节知识的巩固和应用。

(五)控制要点

在实施控制前，要明确主电路的改造和控制按先后顺序分为哪几步，并将每一步控制落实到具体控制哪个接触器的主触点上，再通过控制电路来实现主触点的按序动作。运用这个思路，把控制任务细分，并落实到点，最终实现整个系统的电气控制。

了解了以上几点，再学习三相电机的降压启动控制、制动控制和调速控制时，即相当于把已知规律套用到具体的案例中分析。

以三相异步电动机的降压启动控制为例，如图5。首先明确降压启动的起动过程分为两步：先降压启动，再全压运行。两者缺一不可。因此，无论讲到哪种降压启动的方法(定子串电阻、自耦变压器降压启动、Y-△减压起动、绕线型电机转子串电阻)，都要牢牢把握住起动过程的这两步，从主电路和控制电路两方面分别加以实施，并最终落实到控制接触器主触点的动作上来。

图5 三相笼型异步电动机降压启动电气控制教学思维导图

本文以“机床电气与PLC控制”课程为例，简要介绍了思维导图在课程教学中的应用。其实，思维导图作为一种工具和方法，适用于很多课程的教学应用，尤其对于知识点庞杂、信息量大、融合度高、综合性强的课程来说，思维导图的教学优势将更加突显。