基于工程問題的《工業(yè)自動化應用》課程教學模式研究

林秉敬

摘要：為了解決《工業(yè)自動化應用》這門氣動自動化控制技術(shù)課程在培養(yǎng)學生主動性、創(chuàng)造性以及解決工程問題能力等方面的不足，本文對該課程的理論與實驗教學模式進行研究。通過將課程內(nèi)容與實際工程問題緊密相結(jié)合的方式，建立適用于該課程的真正意義上的以工程問題為驅(qū)動的教學模式，促進學生對所學知識的理解，從而培養(yǎng)學生的學習興趣，激發(fā)學生的創(chuàng)新能力，提升學生解決實際工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：工程問題;教學模式;氣動自動化

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）21-0194-03

一、前言

當前，我國制造業(yè)正經(jīng)歷著從量變到質(zhì)變的智能化過程。2018年的《政府工作報告》提出，加快推進實施“中國制造2025”戰(zhàn)略，實現(xiàn)制造業(yè)升級。智能生產(chǎn)方式將導致大量低技術(shù)含量崗位的消失。與此同時，基于智能制造的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品設計等新崗位應運而生，正在形成巨大的人才需求缺口。

實現(xiàn)智能制造生產(chǎn)模式的一大條件是，生產(chǎn)設備必須達到高度的自動化。由于壓縮空氣具有清潔、安全等優(yōu)點，自動化設備大量采用氣動元器件作為控制或執(zhí)行元件。因此，機械自動化類人才必須熟悉與掌握氣動自動化控制系統(tǒng)的設計方法。然而，目前大部分院校機械類專業(yè)主要開設的是以“液壓與氣壓傳動”為主的課程，針對氣動自動化控制技術(shù)而專門開設的課程很少[1-5]。“液壓與氣壓傳動”課程主要講授液壓與氣壓傳動的基本原理以及相關(guān)元器件的工作原理，較少涉及氣動、電氣氣動控制系統(tǒng)的設計。為了讓機械類學生能夠掌握氣動自動化控制技術(shù)，應對工廠對機械自動化類人才的需要，廈門理工學院機械設計制造及其自動化專業(yè)設置了《工業(yè)自動化應用》這一專業(yè)課程。該課程主要講授氣動自動化技術(shù)的基本理論知識和應用知識，旨在讓學生了解氣動自動化這門綜合技術(shù)在工廠自動化設備上的應用，并掌握現(xiàn)代氣動自動化控制系統(tǒng)的設計方法。

2016年，我國正式加入國際工程教育互認組織《華盛頓協(xié)議》，標志著我國更加側(cè)重培養(yǎng)工程類專業(yè)學生實際應用理論知識的能力，特別是分析和解決工程問題的能力[6]。本文將結(jié)合如何培養(yǎng)學生解決工程問題的能力，對《工業(yè)自動化應用》這門氣動自動化控制技術(shù)課程的教學模式進行探索與研究。

二、課程教學現(xiàn)狀分析

目前，《工業(yè)自動化應用》這門課程以課堂理論教學和實驗驗證相結(jié)合的方式展開。授課過程中，存在如下兩大不足。

1.課堂理論教學內(nèi)容較抽象，學生理解困難，不易掌握。該課程教學內(nèi)容涉及大量氣動元器件的工作原理以及氣動、電氣氣動控制回路的設計。由于元器件工作原理較復雜，且氣動控制回路設計過程中須考慮閥門切換、氣流走向、邏輯運算、障礙信號、信號傳遞等諸多問題，這就對學生的抽象與邏輯思維能力提出較高的要求。學生在學習過程中往往無法理解信號的傳遞路徑，以及在傳遞過程中如何使元器件產(chǎn)生各種符合設計需要的動作順序。這會使學生容易產(chǎn)生挫敗感，不利于激發(fā)他們學習的興趣與積極性。

2.實驗屬驗證性實驗，學生學習缺乏創(chuàng)造性。目前，課程實驗的主要任務是讓學生認識各種氣動元器件，了解它們的特點與應用。學生在做實驗的過程中，主要按照教師給定的控制回路圖，按順序擺放元器件，通過管路將它們連接起來。由于方案是既有的，因此學生在學習過程中不需要深入思考，這不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性。

為了彌補上述教學模式的不足，筆者通過豐富與優(yōu)化教學內(nèi)容，應用虛擬仿真軟件，并與工程問題進行有機結(jié)合的方式，研究基于工程問題的課程教學模式。

三、理論教學模式研究

理論教學處于整個教學環(huán)節(jié)中的首要位置，對構(gòu)建學生的理論知識體系發(fā)揮著重要的作用。理論教學過程應深入淺出，并注重理論教學內(nèi)容的趣味性與實用性，從而激發(fā)學生學習的興趣與積極性。

（一）理論教學內(nèi)容的豐富與優(yōu)化

《工業(yè)自動化應用》這門氣動自動化控制技術(shù)課程的理論教學內(nèi)容包含大量常用氣動、電氣、傳感器元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、工作特性和功用。這部分內(nèi)容若一一詳細介紹，不僅難以記憶，且枯燥無味。因此，這部分內(nèi)容的教學，應從實用性角度出發(fā)，注重元器件的功用，不必過分追求工作原理。此外，此部分內(nèi)容的教學還應結(jié)合圖片、動畫與實物來開展。通過授課過程中播放相關(guān)圖片與動畫，使課堂更加立體生動，充滿畫面感，有效吸引學生的注意力，同時幫助學生理解與吸收理論知識。有條件的情況，將實物帶至課堂，讓學生親眼見到甚至觸摸到這些實物，能極大增強對這些元器件的整體感知，加深印象，提升課堂的趣味性。

此外，理論教學還應根據(jù)當前工業(yè)發(fā)展的最新狀況或熱點，如“工業(yè)4.0”、“中國制造2025”，為學生補充一些與新技術(shù)與新應用相關(guān)的知識，如“大數(shù)據(jù)”、“物聯(lián)網(wǎng)”、“人工智能”等，從而開拓學生的眼界與知識面，使學生更好地認清氣動自動化技術(shù)的未來發(fā)展方向。

（二）虛擬仿真軟件的應用

本門課程理論教學的重點與難點在于氣動、電氣氣動控制回路的設計。此部分內(nèi)容對學生的抽象思維與邏輯思維能力有較高的要求。理論授課過程中，通過使用虛擬仿真軟件FluidSIM、AMESim等，搭建授課內(nèi)容中的每個控制回路，進行仿真實驗，向?qū)W生展示控制回路的工作原理。這種方法能讓學生直觀看到控制回路中信號的傳遞與元器件的動作過程，幫助學生理解回路中的閥門切換、氣流走向、邏輯運算、障礙信號、信號傳遞等諸多問題，提升學生學習興趣。

（三）基于工程問題的理論教學方法

由于學生普遍缺乏現(xiàn)場經(jīng)驗，單純的理論講解是無法讓學生體會到課程所授知識的應用點與實用性的。因此，為了讓學生做到學以致用，應在理論教學過程中注重理論知識與工程實際的結(jié)合，用企業(yè)工程實例引入理論內(nèi)容，使課程講授更具實用性。例如，可通過講解自動化生產(chǎn)線中的分揀機構(gòu)，來闡述繼電器、傳感器、電磁閥等元器件在工業(yè)領(lǐng)域的應用，以及如何設計多氣缸協(xié)同工作的電氣氣動控制回路。待講授完工程實例后，再向?qū)W生提出一些工程問題，讓學生思考可能的解決方案，之后根據(jù)學生提供的方案使用虛擬仿真軟件進行現(xiàn)場仿真驗證。最后，根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合工程問題對學生方案的可行性進行點評與總結(jié)。通過這種一邊講解工程案例一邊教授理論知識再提出讓學生解決的工程問題，最后進行驗證與點評總結(jié)的理論教學模式，可充分體現(xiàn)理論知識的實用性，從而調(diào)動學生學習興趣，使他們能主動參與到學習中，并做到觸類旁通和舉一反三。

四、實驗教學模式研究

實驗教學用于幫助學生鞏固和掌握理論知識，并學會在生產(chǎn)實踐中應用這些知識。它對培養(yǎng)學生分析與解決工程問題，提升工程實踐能力，有著至關(guān)重要的作用。

（一）基于工程問題的實驗教學方法

目前，《工業(yè)自動化應用》這門氣動自動化控制技術(shù)課程的實驗環(huán)節(jié)屬驗證性實驗，學生只是按照教師指導的步驟進行操作，創(chuàng)造性受到極大限制，不利于培養(yǎng)學生的自主思考能力。因此，在實驗教學過程中，應引入工程問題，讓學生針對問題進行氣動、電氣氣動控制回路的方案設計、仿真驗證和實物驗證，從而培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力，激發(fā)創(chuàng)新力。

基于工程問題的實驗教學模式是指，教師將實際工程問題布置給學生，讓學生以小組為單位通過自主思考與探討、查閱資料以及教師的適當引導從而解決這個問題。以工程問題為主線，以學生為主體和以教師為引導，是它的最顯著特點。

（二）基于工程問題的實驗教學實施方案

基于工程問題的實驗教學方案，實施的首要條件是收集整理難易適中的工程問題。這需要授課教師大量走訪相關(guān)企業(yè)，并從走訪企業(yè)的生產(chǎn)設備設計或改造的需求中，提煉出符合氣動自動化設備設計的工程問題。掌握一定量的工程問題后，便可按如下方式實施實驗教學。

1.分組確定工程問題：將授課班級劃分為幾個小組，每個小組選出一個小組長，而后將實際工程問題分配給每個小組，確保分配給每個小組的工程問題不一樣。

2.方案初步制訂與修改：學生接到工程問題后，將以小組為單位，通過自主思考、自由討論，查閱相關(guān)資料和小組表決方式確定初步方案。教師待學生提出初步解決方案后，與各組學生分別討論方案的可行性，并為學生指出一些明顯的問題，并給出一些意見。

3.方案修改與仿真：學生根據(jù)教師提供的意見再次展開討論，修改初步方案，并使用虛擬仿真軟件進行初步驗證。

4.最終方案的確定與實驗驗證：學生的方案通過仿真驗證后，就可以在實驗平臺上進行電氣、氣動元器件的連接與設置。在此過程中，學生將根據(jù)實驗平臺的實際條件對方案進行適當修改并確定最終方案，而后進行方案的實驗驗證。

5.點評與總結(jié)：教師對各小組的最終方案以及在解決方案過程中的表現(xiàn)進行點評并給出評價分數(shù)。最后，教師對整個班級的表現(xiàn)情況做總結(jié)。

（三）基于工程問題的實驗教學實例

工程問題：某一衛(wèi)浴企業(yè)需要設計一臺自動上料機，將一節(jié)銅管從料倉中取出后放到指定位置以便后續(xù)加工。

基于工程問題的實驗教學如下：

1.分組確定工程問題：將此工程問題分配給一個小組的學生，并將現(xiàn)場人工上料的圖片或視頻播放給學生觀看，說明設計要求。

2.方案初步制訂與修改：學生根據(jù)設計要求與現(xiàn)場情況，設計了先將銅管從料倉中頂出至某一定點位置，再通過抓手將在定點位置的銅管抓取至指點位置的初步方案。教師肯定了該方案的可行性，并提出添加檢測料倉儲料的傳感器與料倉出料到定點位置的定位傳感器，來保證銅管出料的可靠性。

3.方案修改與仿真：學生根據(jù)教師的意見優(yōu)化方案，設計控制回路圖，并通過虛擬仿真軟件對控制回路進行初步驗證與完善。

4.最終方案的確定與實驗驗證：學生在氣動自動化試驗臺上進行電氣氣動控制回路的搭建。由于試驗臺缺少氣動抓手，學生修改設計方案，使用普通氣缸模擬氣動抓手的動作，完成控制回路的調(diào)試工作，確保動作的準確性與連續(xù)性。

5.點評與總結(jié)：教師針對該組學生在方案解決過程中的表現(xiàn)給出評價，公布自己的設計方案，讓學生對比兩種方案的優(yōu)缺點，完成最終點評與總結(jié)

五、結(jié)語

本文對《工業(yè)自動化應用》這門氣動自動控制技術(shù)課程的教學模式進行研究。針對課程目前存在的理論教學內(nèi)容較抽象、不易掌握以及實驗環(huán)節(jié)屬于驗證性實驗、學生學習缺乏創(chuàng)造性等問題進行教學模式改革，通過豐富與優(yōu)化教學內(nèi)容，應用虛擬仿真軟件和引入工程問題，有效提升學生學習的主動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學生解決工程問題的能力。

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