基于混合式教學(xué)法的數(shù)控機(jī)床電氣控制與PLC 編程課程教學(xué)改革

趙 洋

（東莞理工學(xué)院 電信工程與智能化學(xué)院，廣東 東莞 523808）

伴隨新冠感染疫情防控工作的常態(tài)化，高校教學(xué)模式逐步從傳統(tǒng)的線下教學(xué)向線上線下相結(jié)合的混合教學(xué)模式轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變一方面有利于減少人員聚集，從而降低防控工作的壓力，另一方面在引導(dǎo)教師積極探索和實(shí)踐新型教學(xué)方法并對(duì)原有課程教學(xué)模式進(jìn)行改革也有很好的驅(qū)動(dòng)作用。

數(shù)控技術(shù)是一門綜合計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制與檢測(cè)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造和電氣傳動(dòng)等多學(xué)科知識(shí)的先進(jìn)制造業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)。數(shù)控機(jī)床具有高精度、高效率、柔性強(qiáng)和智能化程度高等特點(diǎn)，在智能制造領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的基礎(chǔ)作用[1]。在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃中也明確提出了高端數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人這一重點(diǎn)領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃[2]。

數(shù)控機(jī)床電氣控制與PLC 編程是東莞理工學(xué)院面向自動(dòng)化專業(yè)（智能制造方向）和電氣工程與智能控制專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)選修課程。該課程的知識(shí)體系可以分為兩個(gè)較為獨(dú)立的部分，即電氣控制和PLC 編程。這兩部分內(nèi)容均有很強(qiáng)的工程背景，因此對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)具有重要作用[3]。依據(jù)培養(yǎng)計(jì)劃，在開始本課程的學(xué)習(xí)之前，學(xué)生已經(jīng)修完自動(dòng)控制原理、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、PLC 原理及應(yīng)用和電工實(shí)習(xí)等專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)必修課程。因此，學(xué)生已經(jīng)具備本課程所需的基礎(chǔ)知識(shí)。特別是通過(guò)電工實(shí)習(xí)和PLC 原理及應(yīng)用的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)基于繼電器和接觸器的電氣控制原理和邏輯實(shí)現(xiàn)具有比較好的認(rèn)知，也基本掌握了PLC 的基礎(chǔ)應(yīng)用知識(shí)，因此，本課程的教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)主要體現(xiàn)在PLC 與數(shù)控機(jī)床電氣控制的結(jié)合。為確保學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)能夠熟練掌握PLC 在數(shù)控機(jī)床電氣控制中的應(yīng)用、軟硬件組態(tài)和系統(tǒng)調(diào)試等工程實(shí)踐能力，本課程的教學(xué)過(guò)程需要特別重視工程實(shí)際案例的引入，以此增強(qiáng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的沉浸度。當(dāng)教學(xué)模式從線下轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上線下相結(jié)合的方式時(shí)，需要在對(duì)該課程知識(shí)體系和特點(diǎn)進(jìn)行深度分析的基礎(chǔ)上，提出具體的教學(xué)改革措施，從而保證教學(xué)效果不會(huì)因教學(xué)方式的改變而受到影響[4]。

一 課程教學(xué)改革背景

與PLC 原理及應(yīng)用課程主要講授PLC 基本原理、基本指令和基礎(chǔ)編程[5]不同，數(shù)控機(jī)床電氣控制與PLC 編程課程將PLC 的應(yīng)用場(chǎng)景限定為數(shù)控機(jī)床中的電氣控制系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中，PLC 與數(shù)控機(jī)床的結(jié)合主要有兩種架構(gòu)，即集成式PLC 和獨(dú)立式PLC。集成式將PLC 系統(tǒng)內(nèi)嵌到數(shù)控機(jī)床負(fù)責(zé)機(jī)械加工的數(shù)控（Numerical Control，NC）系統(tǒng)中；獨(dú)立式即PLC 和NC 之間相互獨(dú)立[6]。無(wú)論哪種架構(gòu)，PLC 主要負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)床外圍系統(tǒng)的控制任務(wù)，如刀庫(kù)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)等，控制方式多為邏輯控制[7]。

通過(guò)對(duì)本課程傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容和方法的細(xì)致分析，以及對(duì)線上線下兩種教學(xué)方式各自的特點(diǎn)進(jìn)行深度調(diào)研，筆者認(rèn)為在本課程中推行混合式教學(xué)法具有很好的可行性和積極的改革意義。具體分析內(nèi)容如下。

1）按照機(jī)械加工工藝進(jìn)行分類，數(shù)控機(jī)床的種類較為繁多。其主要有數(shù)控車床、銑床、鉆床、鏜床、磨床及車銑復(fù)合和萬(wàn)能銑床等類型。而受限于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)等各種客觀因素的限制，難以在實(shí)驗(yàn)室配置所有種類的數(shù)控機(jī)床。因此，本課程的教學(xué)改革首先需要解決有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和工程實(shí)際情形的矛盾問(wèn)題。

線上教學(xué)的突出優(yōu)點(diǎn)是具有較好的時(shí)間安排靈活性及教學(xué)資源的重復(fù)使用性。利用線上資源，學(xué)生可以根據(jù)自己對(duì)知識(shí)的掌握程度自行選擇是否重復(fù)學(xué)習(xí)及學(xué)習(xí)的時(shí)長(zhǎng)。與線上教學(xué)不同，線下教學(xué)的場(chǎng)所和時(shí)間安排相對(duì)固定，具有較好的師生實(shí)時(shí)互動(dòng)性，教師能比較及時(shí)準(zhǔn)確地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。如果能將課程內(nèi)容與兩種教學(xué)模式的特點(diǎn)相結(jié)合，合理安排不同教學(xué)模式所對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)素材能與教學(xué)模式更好地匹配，則既可以在某種程度上解決硬件資源有限的問(wèn)題，又有助于學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握。

2）根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案，本課程為2 學(xué)分，共32 學(xué)時(shí)。其中，理論教學(xué)20 學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)12 學(xué)時(shí)。為使學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，能熟練掌握數(shù)控機(jī)床基本控制回路的工作原理，以及PLC 控制程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，需要引入大量的工程案例進(jìn)行講解分析。而教學(xué)時(shí)長(zhǎng)特別是實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)相對(duì)較少且固定不可調(diào)整。因此，即使是在全部學(xué)時(shí)內(nèi)均采用單純的線下教學(xué)也會(huì)感覺(jué)時(shí)間比較緊，很多知識(shí)點(diǎn)可能覆蓋不到。如果能在合理分配不同教學(xué)模式所對(duì)應(yīng)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上輔以豐富的教學(xué)素材，然后將部分內(nèi)容作為課后作業(yè)的補(bǔ)充，則相當(dāng)于對(duì)教學(xué)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行了延長(zhǎng)，更有利于教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容的合理把握和安排。

3）線上教學(xué)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性要求更高。由于在線上教學(xué)過(guò)程中，教師與學(xué)生之間缺乏面對(duì)面交流的條件，因此，教師難以直接觀察到學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，也不能對(duì)學(xué)習(xí)態(tài)度不認(rèn)真的同學(xué)及時(shí)進(jìn)行指正。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，任課教師除了積極引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，采用線上打卡等監(jiān)管方式之外，更重要的是對(duì)線上教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生學(xué)習(xí)效果能進(jìn)行及時(shí)跟蹤從而獲得有用的反饋信息，進(jìn)而相應(yīng)地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度。因此，在設(shè)計(jì)線上和線下教學(xué)內(nèi)容時(shí)最好能做到兩部分內(nèi)容有交叉，時(shí)間有先后，并形成教學(xué)閉環(huán)，從而保證所講授知識(shí)的完整性、銜接性和教學(xué)過(guò)程的可控性。

綜合以上分析可知，相對(duì)于傳統(tǒng)單一線下教學(xué)模式，混合式教學(xué)法具有突出的優(yōu)點(diǎn)。但是為了將其優(yōu)點(diǎn)更充分地發(fā)揮出來(lái)，有賴于對(duì)教學(xué)方法、課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

二 理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

本課程的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示?？梢钥闯觯姎饪刂撇糠謧?cè)重于數(shù)控機(jī)床控制的基礎(chǔ)內(nèi)容，PLC 編程部分則更側(cè)重于理論的實(shí)際應(yīng)用。理論與實(shí)踐的結(jié)合一直是貫穿本課程教學(xué)過(guò)程的著眼點(diǎn)，基于混合式教學(xué)法的理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的總體思路是：充分利用線上和線下兩種教學(xué)模式各自的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理分配，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式高度匹配，并借助多樣化的教學(xué)素材，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)在實(shí)際應(yīng)用、系統(tǒng)分析、效果評(píng)價(jià)及創(chuàng)新創(chuàng)造等方面的高級(jí)認(rèn)知[8]。

圖1 課程知識(shí)體系結(jié)構(gòu)圖

本課程改革前的理論教學(xué)內(nèi)容見表1。本課程理論教學(xué)內(nèi)容主要有以下特點(diǎn)。

表1 課程理論教學(xué)內(nèi)容

1）本部分內(nèi)容主要側(cè)重于對(duì)數(shù)控機(jī)床控制部件的硬件介紹，此類內(nèi)容所需理論基礎(chǔ)較少，完全可以在有實(shí)物對(duì)應(yīng)的情況下進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，因此比較適合采用線上的方式進(jìn)行教學(xué)，但前提是線上教學(xué)的素材要進(jìn)行認(rèn)真設(shè)計(jì)和篩選，盡可能給學(xué)生提供豐富的實(shí)物樣例。

2）本部分知識(shí)內(nèi)容共性較強(qiáng)，如典型數(shù)控機(jī)床的電氣控制回路部分會(huì)介紹到鉆床、鏜床和磨床等三種機(jī)床的電氣控制回路。對(duì)于此類教學(xué)內(nèi)容，完全可以分成線下和線上兩部分分開教學(xué)。其中，線下教學(xué)對(duì)較為復(fù)雜和典型的控制回路進(jìn)行詳細(xì)講解，剩余部分則采用線上的方式讓學(xué)生自行學(xué)習(xí)。線下教學(xué)要先于線上教學(xué)開展，這不僅可以保證學(xué)生在自行學(xué)習(xí)之前已經(jīng)對(duì)該部分內(nèi)容有一定基礎(chǔ)和認(rèn)識(shí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。

本課程改革后的理論教學(xué)內(nèi)容見表2。因?yàn)榫€下教學(xué)內(nèi)容和線上教學(xué)內(nèi)容有緊密的承接關(guān)系，所以僅在線上教學(xué)環(huán)節(jié)布置課后作業(yè)。這樣安排一方面可以對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)起到一定督促作用，即不完成線上學(xué)習(xí)難以完成作業(yè)；另一方面由于每個(gè)教學(xué)主題基本上都形成了“線上+線下”的教學(xué)閉環(huán)，且線下教學(xué)時(shí)間安排上先于線上教學(xué)，因此作業(yè)安排的時(shí)間節(jié)點(diǎn)也更加合理。

表2 課程改革后的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)素材

三 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)踐教學(xué)是理論教學(xué)的必要補(bǔ)充，并且實(shí)踐教學(xué)的效果直接影響到學(xué)生對(duì)該課程整體知識(shí)體系的吸收和消化程度。因此，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置必須與理論教學(xué)內(nèi)容緊密貼合，確保知識(shí)不脫節(jié)，從而有效幫助學(xué)生提高自己的動(dòng)手和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。本課程改革前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容見表3。與理論教學(xué)內(nèi)容一致，實(shí)驗(yàn)安排也主要圍繞電氣控制和PLC 控制兩部分內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，前者主要為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，后者為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

表3 課程改革前的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是沉浸感強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)比較直觀。但是受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)和課時(shí)的限制，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)通常安排多人一組共同完成，因此，有些缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性的同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的參與度并不高。此外，隨著仿真軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，其界面友好性和真實(shí)感也不斷增強(qiáng)，因此，很多傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)完全可以通過(guò)仿真軟件配合教學(xué)視頻演示來(lái)讓學(xué)生自行完成?；诖?，本課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后見表4。其中，線上實(shí)驗(yàn)為單人完成，線下實(shí)驗(yàn)中除了在機(jī)床實(shí)驗(yàn)臺(tái)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為小組完成外，其他實(shí)驗(yàn)也均為單人完成，最大程度地提升了學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)的參與度。

表4 課程改革后的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

四 教學(xué)改革的特色

本課程以提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果為目的，引入混合式教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)改革，改革后的課程具有以下特色。

1）通過(guò)對(duì)課程知識(shí)體系及其內(nèi)容特點(diǎn)的深度分析，結(jié)合線上和線下教學(xué)各自的優(yōu)點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)了線上教學(xué)和線下教學(xué)具體的教學(xué)內(nèi)容，使得每個(gè)知識(shí)模塊均分解為“線上+線下”的教學(xué)模式，且在時(shí)間安排上，線下教學(xué)先于線上教學(xué)，有利于在形成教學(xué)閉環(huán)的同時(shí)讓學(xué)生的學(xué)習(xí)能夠循序漸進(jìn)。

2）針對(duì)不同教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容，仔細(xì)調(diào)研和篩選適合的教學(xué)素材，包括實(shí)物照片和視頻，實(shí)際機(jī)床電氣控制部分的工程圖紙及教學(xué)內(nèi)容的視頻講解等。豐富的教學(xué)素材配合混合式教學(xué)模式更有利于學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠不斷地將理論知識(shí)和工程實(shí)際進(jìn)行對(duì)照，有利于知識(shí)的有效吸收。

3）在實(shí)踐教學(xué)方面，通過(guò)引入仿真軟件來(lái)完成線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景在時(shí)間和空間上進(jìn)行了擴(kuò)展。改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不僅可以使學(xué)生能夠?qū)W習(xí)仿真軟件的使用，掌握新的技能，同時(shí)線上和線下實(shí)驗(yàn)的配合還能更好地激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造性。

五 結(jié)束語(yǔ)

混合式教學(xué)法是當(dāng)前及未來(lái)教育教學(xué)的主要趨勢(shì)，因此對(duì)數(shù)控機(jī)床電氣控制與PLC 編程課程進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革也勢(shì)在必行。從實(shí)踐結(jié)果來(lái)看，本課程引入混合式教學(xué)法后能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該方法不僅拓展了傳統(tǒng)線下教學(xué)的時(shí)間和空間，使學(xué)生的學(xué)習(xí)能夠具有更多的自主性，同時(shí)教學(xué)素材的豐富性和仿真軟件的引入也極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，受到了學(xué)生的普遍認(rèn)可。