基于虛實(shí)結(jié)合的“三混合”教學(xué)模式在機(jī)電一體化類課程中的應(yīng)用案例

摘要：近日來，我國再次強(qiáng)調(diào)了職業(yè)教育的重要性和不可替代性，旨在繼續(xù)推動(dòng)職業(yè)教育的發(fā)展。機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)要求學(xué)生能夠?qū)C(jī)械這種傳統(tǒng)領(lǐng)域的知識(shí)與電氣領(lǐng)域技能聯(lián)系起來，需要學(xué)習(xí)機(jī)電一體化類綜合課程。采用傳統(tǒng)教學(xué)方法教授這些課程時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)難以理解、不夠直觀、存在安全隱患等問題，那么將虛實(shí)結(jié)合技術(shù)引入課堂就可以改善以上問題。構(gòu)造出虛擬和實(shí)操界面同步動(dòng)作，在虛擬中完成機(jī)械搭建和電氣線路的連接，用虛擬仿真來指導(dǎo)實(shí)操學(xué)習(xí)，提高了老師教學(xué)效率，同時(shí)促進(jìn)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的直觀理解。本文以《自動(dòng)化設(shè)備與生產(chǎn)線》課程中分揀站單元的教學(xué)為例，說明虛擬仿真技術(shù)在該部分內(nèi)容中的實(shí)施過程。

關(guān)鍵詞：虛實(shí)結(jié)合技術(shù);機(jī)電一體化;教學(xué)應(yīng)用

前言

在2021年4月13日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平近日對(duì)職業(yè)教育工作做出重要指示強(qiáng)調(diào)，在全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家新征程中，職業(yè)教育前途廣闊、大有可為。職業(yè)教育是培養(yǎng)技術(shù)技能人才、促進(jìn)就業(yè)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新、推動(dòng)中國制造和服務(wù)水平的重要基礎(chǔ)[1]。改革開放40多年來，我國已經(jīng)建成世界規(guī)模最大的職業(yè)教育體系，職業(yè)教育實(shí)現(xiàn)歷史性跨越[2]。職業(yè)教育肩負(fù)著培養(yǎng)多樣化人才、傳承技術(shù)技能等職責(zé)。就機(jī)械制造大類專業(yè)來說，人才培養(yǎng)目標(biāo)要求學(xué)生既掌握機(jī)械傳統(tǒng)領(lǐng)域的課程，又要求學(xué)生具備電氣自動(dòng)化領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)[3]。因此，在人才培養(yǎng)方案中增加了一些機(jī)電一體化類的課程，例如《PLC編程技術(shù)》、《機(jī)電設(shè)備的安裝與調(diào)試》和《自動(dòng)化設(shè)備與生產(chǎn)線》等課程。作為機(jī)械制造專業(yè)的職業(yè)技術(shù)教育中教學(xué)的重點(diǎn)，這些課程的主要教授形式為實(shí)訓(xùn)教學(xué)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)就是要通過模擬實(shí)際工作環(huán)境[4，5]。

就《自動(dòng)化設(shè)備與生產(chǎn)線》課程為例，該課程根據(jù)高職高專教育對(duì)人才需求的知識(shí)、能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu)的要求，以工程應(yīng)用能力為培養(yǎng)目標(biāo)。以自動(dòng)化生產(chǎn)線為主線，綜合介紹了生產(chǎn)線各個(gè)站的安裝與調(diào)試、站與站之間的通信等內(nèi)容，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和綜合性。其中包括電路的基本概念和定律、常用電子元器件的功能、電路圖的識(shí)讀、氣動(dòng)元件、氣動(dòng)回路的連接、PLC控制程序的編寫和電氣線路的典型故障排除等內(nèi)容。在氣動(dòng)回路、變頻器和調(diào)試運(yùn)行程序中都設(shè)置了虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)環(huán)節(jié)。遵循“以學(xué)生為中心”理念，結(jié)合班級(jí)學(xué)情特點(diǎn)和自動(dòng)化生產(chǎn)線崗位工作過程，通過超星等組織課前課中和課后活動(dòng)，對(duì)本單元重難點(diǎn)內(nèi)容實(shí)施線上線下混合、理論和實(shí)踐混合、仿真和實(shí)操混合的“三混合”教學(xué)模式。以分揀站整運(yùn)行調(diào)試為示例：

1 “線上、線下混合”，充分利用教學(xué)資源，提高學(xué)習(xí)效率

課前通過超星平臺(tái)發(fā)布分揀站的仿真動(dòng)畫視頻，要求學(xué)生完成預(yù)習(xí)作業(yè)，熟悉分揀站各組成部分的動(dòng)作順序，并以此為依據(jù)，上傳分揀站的控制要求的課前作業(yè);課中為了檢驗(yàn)和交流學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，安排分組討論，編制分揀站的工作流程的控制要求，繪制分揀站PLC電氣控制流程圖，根據(jù)流程圖，完成分揀站的PLC控制程序設(shè)計(jì)，與變頻器和旋轉(zhuǎn)編碼器通訊，并分配I/O端口和輔助繼電器地址，這是能夠正確編寫程序的前提，再結(jié)合教學(xué)內(nèi)容重難點(diǎn)進(jìn)行講解，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)在“做中學(xué)，做中教”強(qiáng)化理論聯(lián)系實(shí)際;課后發(fā)布課后拓展作業(yè)，鞏固和提升相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。通過超星等組織課前課中和課后活動(dòng)，在西門子中心實(shí)訓(xùn)室開展氣動(dòng)理論講授和實(shí)踐認(rèn)知活動(dòng)。在教學(xué)實(shí)施過程中突出學(xué)生主體地位，靈活運(yùn)用小組教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、問題引導(dǎo)、討論、情景教學(xué)等方法組織教學(xué)，積極引導(dǎo)學(xué)生實(shí)施小組討論、分組模擬等，通過互動(dòng)方式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)溝通合作能力，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力，充分利用資源和時(shí)間，提高了教學(xué)和學(xué)習(xí)效率。

2 “理論和實(shí)踐混合”，任務(wù)教學(xué)法培養(yǎng)思維與工匠精神

職業(yè)學(xué)院的學(xué)生普遍有著較強(qiáng)的動(dòng)手能力，通過實(shí)踐能夠快速掌握分揀工作站運(yùn)行的實(shí)操練習(xí)。但是，對(duì)于理論知識(shí)的理解相對(duì)差一些。本次課中涉及到一部分編程控制，例如頻器與PLC的通信方式、分揀控制的編寫，以及西門子MM420變頻器的使用、參數(shù)設(shè)置以及確定旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖數(shù)進(jìn)行定位，是學(xué)生學(xué)習(xí)分揀站的重點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)。

分揀單元綜合了本生產(chǎn)線上全部傳感器的使用，需要全面復(fù)習(xí)前節(jié)課內(nèi)容，在學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)上傳前面講授的變頻器和旋轉(zhuǎn)編碼器的課程資料，為分揀站PLC控制流程圖設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備?？偨Y(jié)學(xué)生線上作業(yè)完成情況，在上交的作業(yè)中挑選出控制要求書寫正確和出現(xiàn)典型錯(cuò)誤的作業(yè)，在課堂上打開學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)的作業(yè)界面，逐條向?qū)W生展示出典型錯(cuò)誤。目的是引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，解決問題，明確分揀站各部分功能的具體實(shí)施過程，為PLC程序的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。繪制控制流程圖后使用Portal V15.0軟件進(jìn)行分揀站的控制梯形圖設(shè)計(jì)，將流程圖轉(zhuǎn)化成梯形圖。分小組整站運(yùn)行實(shí)操練習(xí)，教師根據(jù)學(xué)生在運(yùn)行中遇到的問題針對(duì)性講解。針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容重難點(diǎn)，靈活運(yùn)用口訣，進(jìn)行講解和小組實(shí)操演練，強(qiáng)化理論聯(lián)系實(shí)際。理論結(jié)合實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，梳理梯形圖，反復(fù)思考是否合理，是否符合控制要求的說法。引導(dǎo)學(xué)生出現(xiàn)故障的原因，從硬件安裝、調(diào)試的角度和軟件程序編寫角度出發(fā)。

3“仿真和實(shí)操混合”，促進(jìn)技能的掌握，提升學(xué)生自我效能感

在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生自主搭建數(shù)字孿生系統(tǒng)，基于NX數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)，連接虛擬電路后實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)同步，對(duì)照仿真界面，調(diào)試程序，并逐漸完善程序。調(diào)試變頻器的輸出頻率和旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)。學(xué)生分小組實(shí)操練習(xí)，將程序編譯下載到PLC模塊中，并按下動(dòng)作按鈕，觀察工作站各部分是否按照預(yù)設(shè)動(dòng)作執(zhí)行。教師根據(jù)學(xué)生在運(yùn)行中遇到的問題針對(duì)性講解，引導(dǎo)學(xué)生使用NX虛擬仿軟件，結(jié)合實(shí)物模型展示，增強(qiáng)對(duì)程序設(shè)計(jì)和元件順序動(dòng)作的直觀體驗(yàn)，活躍直播課堂氣氛，解決教學(xué)重點(diǎn)，通過小組分工合作，結(jié)合整站運(yùn)行實(shí)操，突破教學(xué)難點(diǎn)。理論結(jié)合實(shí)踐，排除故障，調(diào)試成功后，學(xué)生整理遇到的問題和解決方法，記錄到故障手冊(cè)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中借助自己搭建的平臺(tái)，提升了學(xué)生的自我效能感和自豪感。

4 總結(jié)

職業(yè)教育是國民教育體系和人力資源開發(fā)的重要組成部分，是廣大青年打開通往成功成才大門的重要途徑，肩負(fù)著培養(yǎng)多樣化人才、傳承技術(shù)技能、促進(jìn)就業(yè)創(chuàng)業(yè)的重要職責(zé)，必須高度重視、加快發(fā)展。本文以《自動(dòng)化設(shè)備與生產(chǎn)線》課程中分揀單元為例，說明了虛實(shí)結(jié)合技術(shù)在教學(xué)中的重要作用，實(shí)施線上線下虛實(shí)結(jié)合、理論和實(shí)踐的虛實(shí)結(jié)合、仿真和實(shí)操的虛實(shí)結(jié)合，從以上三個(gè)角度探討了虛實(shí)結(jié)合的多方位應(yīng)用。先通過線上學(xué)習(xí)讓學(xué)生對(duì)本單元的學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行完整的觀察，認(rèn)知對(duì)接企業(yè)、崗位、1+X證書、新技術(shù)和新規(guī)范等等，引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的興趣。通過理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操，完成老師所布置的任務(wù)。通過成果評(píng)價(jià)促進(jìn)學(xué)生成果優(yōu)化，與知識(shí)鞏固。通過素質(zhì)拓展達(dá)到教學(xué)升華，思政素質(zhì)的融入，打造善思考、懂業(yè)務(wù)、能操作、會(huì)運(yùn)用的高素質(zhì)機(jī)電技能人才。

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作者簡介：趙朝夕，女，1990年生，博士，講師，主要從事電火花成形加工的研究。

廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目“大型精密電火花成形加工機(jī)床的熱態(tài)特性研究”（2021KJ23）;廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育教學(xué)改革項(xiàng)目“機(jī)械制造專業(yè)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用教學(xué)研究”（2021JG42）。