基于專創(chuàng)融合的“木材加工自動(dòng)化”教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

張國(guó)梁，黃秋嫻，邢義虎

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧木匠創(chuàng)新工作室 河北 保定 071000）

黨的二十大報(bào)告指出，創(chuàng)新是第一動(dòng)力，要加快實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，要堅(jiān)持面向世界科技前沿，以國(guó)家戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，積聚力量進(jìn)行原創(chuàng)性引領(lǐng)性科技攻關(guān)，這離不開具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的人才支撐。在當(dāng)今的VUCA（volatile,uncertain,complex,ambiguous）時(shí)代，面對(duì)不確定性，高校如何在專業(yè)課的教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力是一個(gè)不斷探索和實(shí)踐的過程[1-3]。為深入貫徹《國(guó)務(wù)院關(guān)于推動(dòng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展打造“雙創(chuàng)”升級(jí)版的意見》（國(guó)發(fā)〔2018〕32 號(hào)），各高校需根據(jù)不同學(xué)科專業(yè)的特色和優(yōu)勢(shì)，深入研究不同專業(yè)的育人目標(biāo)，聚焦新技術(shù)、新成果中的創(chuàng)新脈絡(luò)和典型技術(shù)，充分挖掘提煉專業(yè)知識(shí)蘊(yùn)含的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維元素，將其有機(jī)融入專業(yè)課程，開展專創(chuàng)融合課程建設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維剖析案例、研發(fā)項(xiàng)目，進(jìn)一步提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力[4-7]。本文以河北農(nóng)業(yè)大學(xué)“木材加工自動(dòng)化”課程為例，介紹專創(chuàng)融合的建設(shè)思路和實(shí)踐過程，旨在為更好地開展專創(chuàng)融合課程建設(shè)提供借鑒。

1 課程簡(jiǎn)介

“木材加工自動(dòng)化”是木材科學(xué)與工程專業(yè)的一門專業(yè)課。以現(xiàn)代木材加工的先進(jìn)制造和智能制造技術(shù)為研究對(duì)象，主要學(xué)習(xí)木材和家具的自動(dòng)化/智能化生產(chǎn)技術(shù)，包括木材加工機(jī)床的電機(jī)控制基礎(chǔ)、繼電器/接觸器控制模式、PLC/觸摸屏控制方式、數(shù)控編程與加工、定制家具的智能制造等知識(shí)，具有綜合性、實(shí)踐性、設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將能夠獲得現(xiàn)代木材加工的先進(jìn)制造基本理論和技術(shù)，樹立正確的現(xiàn)代生產(chǎn)和制造思維，為從事木材科學(xué)與工程專業(yè)的工程技術(shù)工作和科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

1.1 層次化教學(xué)目標(biāo)

基于布魯姆教育目標(biāo)分類法，將“木材加工自動(dòng)化”的課程教學(xué)目標(biāo)解構(gòu)為六個(gè)層次，如圖1 所示。

圖1 “木材加工自動(dòng)化”層次化教學(xué)目標(biāo)

從“知道”到“綜合/創(chuàng)造”，學(xué)生學(xué)完課程后應(yīng)該達(dá)到的要求逐級(jí)遞進(jìn)，逐步提高，有助于對(duì)課程的總體把握，并根據(jù)自己的學(xué)情設(shè)定學(xué)習(xí)目標(biāo)的“天花板”。教師也可以更加有針對(duì)性地逐級(jí)引導(dǎo)學(xué)生掌握課程的理論知識(shí)和實(shí)踐技能，并與其他課程進(jìn)行有效的連接，綜合運(yùn)行多學(xué)科知識(shí)和項(xiàng)目式方法開展課程教學(xué)[8-9]。

1.2 專創(chuàng)融合知識(shí)點(diǎn)

以章節(jié)設(shè)置為主線，結(jié)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的思維模型和項(xiàng)目設(shè)置，凝練出“木材加工自動(dòng)化”專創(chuàng)融合教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，并在其中列出了對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)元素和教學(xué)載體，部分知識(shí)點(diǎn)見表1。

表1 木材加工自動(dòng)化課程部分專創(chuàng)融合知識(shí)點(diǎn)

2 教學(xué)實(shí)施的總體路線

以“機(jī)床電氣控制常用基本電路”部分內(nèi)容為例，采用四軸協(xié)同課程設(shè)計(jì)法（課程知識(shí)軸、教學(xué)情境軸、樣本調(diào)研軸、實(shí)踐項(xiàng)目軸）和五步實(shí)踐教學(xué)法（創(chuàng)建情境、協(xié)作探討、知識(shí)建構(gòu)、應(yīng)用驗(yàn)證、反思內(nèi)化），總體教學(xué)設(shè)計(jì)如圖2 和圖3 所示（p121），二者相輔相成。

圖2 “機(jī)床電氣控制常用基本電路”的四軸協(xié)同課程設(shè)計(jì)法

圖3 “機(jī)床電氣控制常用基本電路”的五步實(shí)踐教學(xué)法

3 教學(xué)實(shí)施流程

以“機(jī)床電氣控制常用基本電路”為例，對(duì)教學(xué)實(shí)施的流程加以詳細(xì)說明。

3.1 創(chuàng)建情境

通過將典型的電機(jī)控制電路與木材加工所用具體機(jī)床相聯(lián)系（圖4 所示），引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建電動(dòng)機(jī)控制的學(xué)習(xí)情境，并追問如下問題：縱剖鋸的壓輥升降所用三相交流異步電動(dòng)機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)供電和電氣控制的？

圖4 機(jī)床電機(jī)控制典型方法與應(yīng)用案例

讓學(xué)生帶著問題開始本節(jié)課的內(nèi)容，采用的教學(xué)工具是：書寫式頭腦風(fēng)暴和思維導(dǎo)圖。在學(xué)生的小組合作探討后，以思維導(dǎo)圖的方式完成對(duì)該問題的理解，圖5 為學(xué)習(xí)通主題討論的部分情境。

圖5 學(xué)習(xí)通主題討論1

3.2 協(xié)作探討

以三相交流異步電動(dòng)機(jī)的控制電路分析為例，描述學(xué)生分組協(xié)作探討的具體操作方法。

首先設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程，在電機(jī)控制的逐級(jí)遞進(jìn)中將相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)融入其中，如圖6 所示。

圖6 三相交流異步電動(dòng)機(jī)的控制電路的實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程

實(shí)施過程中，采用案例分析、學(xué)習(xí)通主題討論等方法，按照流程由簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐級(jí)進(jìn)行，并將中間繼電器、交流接觸器、空氣開關(guān)、熔斷器等電氣元件實(shí)物作為教具，讓學(xué)生組內(nèi)傳看、觀察，并查閱資料回答如下問題。在此之前，要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)線上知識(shí)模塊。

問題1：中間繼電器的工作原理？

問題2：中間繼電器控制交流接觸器怎么做？

問題3：你拿到手的中繼器和接觸器的型號(hào)是什么？各是多大電壓供電？

問題4：三相交流異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的原理是什么？

然后，對(duì)基本電路設(shè)計(jì)與分析，通過案例式不斷深化練習(xí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)通中參與主題討論情境如圖7 所示。

圖7 學(xué)習(xí)通主題討論2

3.3 知識(shí)建構(gòu)

通過對(duì)電動(dòng)機(jī)不同控制方法的階段性總結(jié)進(jìn)行知識(shí)的建構(gòu)。采用“Me-We-Us”教學(xué)方法，學(xué)習(xí)小組以思維導(dǎo)圖的方式對(duì)電機(jī)不同的控制方法，主電路、控制電路的設(shè)計(jì)方法與繪圖技術(shù)做階段性總結(jié)。

3.4 應(yīng)用驗(yàn)證

針對(duì)具體木材加工中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的自動(dòng)控制項(xiàng)目開展研究實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)習(xí)小組通力合作，從工藝分析、總體控制邏輯、機(jī)電聯(lián)系單、電氣元件選型、圖紙繪制到仿真分析逐步進(jìn)行，合作共創(chuàng)。以人造板材生產(chǎn)中多層貼面熱壓機(jī)自動(dòng)上下料控制技術(shù)研究為例，學(xué)生應(yīng)用四軸協(xié)同方法進(jìn)行項(xiàng)目的研究和知識(shí)的應(yīng)用驗(yàn)證，成果如圖8 所示。

圖8 基于四軸協(xié)同方法的應(yīng)用驗(yàn)證

3.5 反思內(nèi)化

反思內(nèi)化階段重點(diǎn)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制邏輯檢測(cè)與技術(shù)完善。針對(duì)各自小組的實(shí)踐項(xiàng)目，首先對(duì)使用到的普通電機(jī)的控制方法，步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)的常用控制技術(shù)等知識(shí)體系進(jìn)行知識(shí)的梳理和復(fù)盤，然后對(duì)控制邏輯進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)，進(jìn)一步完善控制技術(shù)。

3.6 拓展與引申

引導(dǎo)學(xué)習(xí)小組對(duì)各自的實(shí)踐項(xiàng)目深入分析，考慮傳統(tǒng)技術(shù)的升級(jí)改造。此處，設(shè)置如下問題加以引導(dǎo)：

問題1：如何將傳統(tǒng)的繼電器―接觸器控制改為PLC控制？應(yīng)該怎么做？主要的設(shè)計(jì)點(diǎn)是什么？

問題2：選用哪種PLC？

問題3：哪些元器件可以去掉？哪些元器件的類型需要更換，換成哪種類型？

隨后，要求學(xué)習(xí)小組以所選用的PLC 為核心，繪制電路圖，并嘗試設(shè)計(jì)梯形圖程序。

4 教學(xué)效果

專創(chuàng)融合教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施有效提高了課程的兩性一度，切實(shí)鍛煉了學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作、即時(shí)學(xué)習(xí)、鉆研進(jìn)取的品格和精神。對(duì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)來講，專創(chuàng)融合式教學(xué)也是一次洗禮和提升，從教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)到課程內(nèi)容重構(gòu)，再到教學(xué)過程實(shí)施，都是全新的體驗(yàn)。教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施激發(fā)了學(xué)生對(duì)更高層次數(shù)控技術(shù)乃至先進(jìn)制造技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，也使其更加勇于接受高難度任務(wù)的挑戰(zhàn)。

2022―2023 學(xué)年第一學(xué)期授課后對(duì)河北農(nóng)業(yè)大學(xué)2019 級(jí)木材科學(xué)與工程專業(yè)的選課同學(xué)進(jìn)行了問卷調(diào)查（匿名），學(xué)生總體反饋為：結(jié)合線上線下、以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維為底層邏輯的教學(xué)方式獲得了普遍歡迎，不但增加了趣味性，而且重點(diǎn)突出，增加了挑戰(zhàn)度。在每一個(gè)研究項(xiàng)目的解決過程中，學(xué)生漸漸對(duì)“先行動(dòng)，后學(xué)習(xí)”、利用已有資源與人共創(chuàng)的學(xué)習(xí)方式有了深入的理解和認(rèn)可。調(diào)查問卷及其詞云分析如圖9 所示。

圖9 最近一學(xué)期的授課調(diào)查問卷結(jié)果

從已經(jīng)進(jìn)行的專創(chuàng)融合教學(xué)實(shí)施過程和取得的成效看，“木材加工自動(dòng)化”比較有效地支撐了教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。但調(diào)查問卷也顯示，還有少部分同學(xué)覺得課程相對(duì)偏難。專創(chuàng)融合教學(xué)是落實(shí)OBE 理念的重要手段，必然要求課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。如此一來，學(xué)生感受到課程帶來的學(xué)習(xí)動(dòng)力的同時(shí)，也切身體會(huì)到課程學(xué)習(xí)的壓力和難度，這種現(xiàn)狀應(yīng)該說是正常的。這就要求課程組對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行持續(xù)的提升和改進(jìn)，更加要求課程組不斷學(xué)習(xí)新的教育教學(xué)理念和技術(shù)方法，理論與實(shí)踐相結(jié)合，并堅(jiān)持開放式授課，勇于接受正反兩方面的意見和建議，高標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)課程建設(shè)。

5 結(jié)語

“木材加工自動(dòng)化”具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和與行業(yè)技術(shù)的緊密聯(lián)系性，而在信息時(shí)代，技術(shù)的進(jìn)步飛速發(fā)展，課程內(nèi)容往往滯后于行業(yè)技術(shù)。要求學(xué)生掌握全部的當(dāng)下技術(shù)是不現(xiàn)實(shí)的，“授人以魚不如授人以漁”，因此培養(yǎng)學(xué)生“先行動(dòng)、后學(xué)習(xí)”的創(chuàng)業(yè)思維，并在項(xiàng)目實(shí)踐中培養(yǎng)創(chuàng)新思維和能力才是可取之路。專創(chuàng)融合是以“?！睘橹鳎o之以“創(chuàng)”，立足于專業(yè)知識(shí)和技能的培養(yǎng)，比較好地契合了課程教學(xué)需要，并且是可以推廣到幾乎所有專業(yè)課的教學(xué)方法，對(duì)于提升人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要作用。在教育教學(xué)數(shù)字化持續(xù)推進(jìn)的時(shí)代，海量的數(shù)據(jù)和信息獲取將更為便捷，信息技術(shù)和人工智能等技術(shù)的應(yīng)用必然導(dǎo)致既有的若干工作崗位的流失，唯有保持創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)、提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力并與所在行業(yè)和專業(yè)進(jìn)行深度融合才能在風(fēng)云變幻的社會(huì)和科技浪潮中勇立潮頭。