基于虛實結合的“三混合”教學模式在機電一體化類課程中的應用案例

摘要：近日來，我國再次強調了職業教育的重要性和不可替代性，旨在繼續推動職業教育的發展。機械制造與自動化專業要求學生能夠將機械這種傳統領域的知識與電氣領域技能聯系起來，需要學習機電一體化類綜合課程。采用傳統教學方法教授這些課程時，經常會出現學生學習時難以理解、不夠直觀、存在安全隱患等問題，那么將虛實結合技術引入課堂就可以改善以上問題。構造出虛擬和實操界面同步動作，在虛擬中完成機械搭建和電氣線路的連接，用虛擬仿真來指導實操學習，提高了老師教學效率，同時促進了學生對知識的直觀理解。本文以《自動化設備與生產線》課程中分揀站單元的教學為例，說明虛擬仿真技術在該部分內容中的實施過程。

關鍵詞：虛實結合技術;機電一體化;教學應用

前言

在2021年4月13日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平近日對職業教育工作做出重要指示強調，在全面建設社會主義現代化國家新征程中，職業教育前途廣闊、大有可為。職業教育是培養技術技能人才、促進就業創業創新、推動中國制造和服務水平的重要基礎[1]。改革開放40多年來，我國已經建成世界規模最大的職業教育體系，職業教育實現歷史性跨越[2]。職業教育肩負著培養多樣化人才、傳承技術技能等職責。就機械制造大類專業來說，人才培養目標要求學生既掌握機械傳統領域的課程，又要求學生具備電氣自動化領域的基礎知識[3]。因此，在人才培養方案中增加了一些機電一體化類的課程，例如《PLC編程技術》、《機電設備的安裝與調試》和《自動化設備與生產線》等課程。作為機械制造專業的職業技術教育中教學的重點，這些課程的主要教授形式為實訓教學，實訓教學就是要通過模擬實際工作環境[4，5]。

就《自動化設備與生產線》課程為例，該課程根據高職高專教育對人才需求的知識、能力和素質結構的要求，以工程應用能力為培養目標。以自動化生產線為主線，綜合介紹了生產線各個站的安裝與調試、站與站之間的通信等內容，具有很強的實踐性和綜合性。其中包括電路的基本概念和定律、常用電子元器件的功能、電路圖的識讀、氣動元件、氣動回路的連接、PLC控制程序的編寫和電氣線路的典型故障排除等內容。在氣動回路、變頻器和調試運行程序中都設置了虛實結合的教學環節。遵循“以學生為中心”理念，結合班級學情特點和自動化生產線崗位工作過程，通過超星等組織課前課中和課后活動，對本單元重難點內容實施線上線下混合、理論和實踐混合、仿真和實操混合的“三混合”教學模式。以分揀站整運行調試為示例：

1 “線上、線下混合”，充分利用教學資源，提高學習效率

課前通過超星平臺發布分揀站的仿真動畫視頻，要求學生完成預習作業，熟悉分揀站各組成部分的動作順序，并以此為依據，上傳分揀站的控制要求的課前作業;課中為了檢驗和交流學生的預習情況，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，根據流程圖，完成分揀站的PLC控制程序設計，與變頻器和旋轉編碼器通訊，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，再結合教學內容重難點進行講解，采用任務驅動式教學方法實現在“做中學，做中教”強化理論聯系實際;課后發布課后拓展作業，鞏固和提升相關知識點。通過超星等組織課前課中和課后活動，在西門子中心實訓室開展氣動理論講授和實踐認知活動。在教學實施過程中突出學生主體地位，靈活運用小組教學、任務驅動、問題引導、討論、情景教學等方法組織教學，積極引導學生實施小組討論、分組模擬等，通過互動方式激發學生學習興趣，培養溝通合作能力，利用網絡平臺培養自主學習能力，充分利用資源和時間，提高了教學和學習效率。

2 “理論和實踐混合”，任務教學法培養思維與工匠精神

職業學院的學生普遍有著較強的動手能力，通過實踐能夠快速掌握分揀工作站運行的實操練習。但是，對于理論知識的理解相對差一些。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、參數設置以及確定旋轉編碼器脈沖數進行定位，是學生學習分揀站的重點，同時也是難點。

分揀單元綜合了本生產線上全部傳感器的使用，需要全面復習前節課內容，在學習通網絡課程平臺上傳前面講授的變頻器和旋轉編碼器的課程資料，為分揀站PLC控制流程圖設計的學習做準備?？偨Y學生線上作業完成情況，在上交的作業中挑選出控制要求書寫正確和出現典型錯誤的作業，在課堂上打開學習通網絡課程平臺的作業界面，逐條向學生展示出典型錯誤。目的是引導學生獨立思考，解決問題，明確分揀站各部分功能的具體實施過程，為PLC程序的設計提供依據。繪制控制流程圖后使用Portal V15.0軟件進行分揀站的控制梯形圖設計，將流程圖轉化成梯形圖。分小組整站運行實操練習，教師根據學生在運行中遇到的問題針對性講解。針對學生學習情況，結合教學內容重難點，靈活運用口訣，進行講解和小組實操演練，強化理論聯系實際。理論結合實踐，培養學生獨立思考的能力，梳理梯形圖，反復思考是否合理，是否符合控制要求的說法。引導學生出現故障的原因，從硬件安裝、調試的角度和軟件程序編寫角度出發。

3“仿真和實操混合”，促進技能的掌握，提升學生自我效能感

在教師的指導下，學生自主搭建數字孿生系統，基于NX數字孿生仿真系統，連接虛擬電路后實現了虛實同步，對照仿真界面，調試程序，并逐漸完善程序。調試變頻器的輸出頻率和旋轉編碼器發出的脈沖數。學生分小組實操練習，將程序編譯下載到PLC模塊中，并按下動作按鈕，觀察工作站各部分是否按照預設動作執行。教師根據學生在運行中遇到的問題針對性講解，引導學生使用NX虛擬仿軟件，結合實物模型展示，增強對程序設計和元件順序動作的直觀體驗，活躍直播課堂氣氛，解決教學重點，通過小組分工合作，結合整站運行實操，突破教學難點。理論結合實踐，排除故障，調試成功后，學生整理遇到的問題和解決方法，記錄到故障手冊。學生在學習過程中借助自己搭建的平臺，提升了學生的自我效能感和自豪感。

4 總結

職業教育是國民教育體系和人力資源開發的重要組成部分，是廣大青年打開通往成功成才大門的重要途徑，肩負著培養多樣化人才、傳承技術技能、促進就業創業的重要職責，必須高度重視、加快發展。本文以《自動化設備與生產線》課程中分揀單元為例，說明了虛實結合技術在教學中的重要作用，實施線上線下虛實結合、理論和實踐的虛實結合、仿真和實操的虛實結合，從以上三個角度探討了虛實結合的多方位應用。先通過線上學習讓學生對本單元的學習目標進行完整的觀察，認知對接企業、崗位、1+X證書、新技術和新規范等等，引導激發學生對學習的興趣。通過理論學習和實踐操，完成老師所布置的任務。通過成果評價促進學生成果優化，與知識鞏固。通過素質拓展達到教學升華，思政素質的融入，打造善思考、懂業務、能操作、會運用的高素質機電技能人才。

參考文獻：

[1]朱國仁. 以高質量教育體系助力高質量發展[N]. 學習時報，2021-07-16（006）.

[2]花永劍.基于1+X證書制度的高職“三教”改革實施路徑研究[J].江蘇商論，2021，{4}（07）：120-123.

[3]吳芬.“虛實結合”工業機器人設備在高職教育中的應用——以機電一體化技術專業人才培養為例[J].無線互聯科技，2019，16（15）：69-71.

[4]張偉雄，成玲，張文福.虛擬仿真技術在機械拆裝教學中的應用[J].機電信息，2020（30）：130-131.

[5]羋天.基于虛擬仿真技術的機械制造在線課程教學研究[J].工業技術與職業教育，2020，18（03）：48-51.

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。

廣州番禺職業技術學院校級科研項目“大型精密電火花成形加工機床的熱態特性研究”（2021KJ23）;廣州番禺職業技術學院教育教學改革項目“機械制造專業虛擬仿真技術的應用教學研究”（2021JG42）。