STEM理念下自動化生產線設計實踐課改革與探索

溫國強，趙俊英，楊 芳，關志偉

（1.天津中德應用技術大學汽車與軌道交通學院，天津 300350；2.天津大學精密儀器與光電子工程學院光電信息技術科學教育部重點實驗室，天津 300072）

0 引言

隨著“一帶一路”倡議在高等教育領域的持續發力，來華留學生人數日漸增多。留學生教育提質增效，對做強留學中國品牌，培養知華友華人士至關重要［1］。機電制造類專業是我國的傳統優勢專業，吸引越來越多的留學生主修、深造。課程是實現價值塑造、能力培養、思維訓練的主要載體，課堂是教學實施、思想碰撞、師生交流的主渠道。由于留學生存在文化差異和語言障礙，傳統的以教師講學生聽、填鴨式的教學模式，效果不佳，迫切需要對留學生授課方式進行改革創新。彭建玲等［2］把“浸入式”的教學方法應用于對外漢語教學中。常建梅等［3］在工程制圖課程中采用體驗式教學模式。胡文華［4］開設的中國概況課采用自主學習—課堂互動—探究活動有機銜接的課程結構，并結合多學科知識的融合型教學框架。

自動化生產線設計課程是高職留學生機電一體化技術專業的核心課程，涉及傳感器與檢測技術、運動控制技術、PLC 程序設計、氣動技術、網絡通信技術等多學科內容，實踐性、綜合性較強。傳統授課方式一般基于現有實訓設備，雖然包含大量實訓任務，但大多屬于模仿式、簡單化訓練，學生的工程素養、高階思維、自主創新能力培養不足。近些年，STEM 教育理念在我國興起［5-10］。楊鴻武等［11］開展STEM 背景下人工智能素養框架的研究。葉荔輝［12］進行基于STEM 教育理念的PBL教學模式設計與實踐研究。周平紅等［13］開展面向計算思維培養的STEM工程設計教學模式及應用研究。本文也基于STEM教育理念對自動化生產線設計課程進行改革嘗試。

1 STEM教育理念

STEM教育最早起源于美國，以學科交叉融合為基本特征，以培養學生工程素養和創新能力為目標。STEM 是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）4 門“元學科”的簡稱，注重培養學生運用多學科知識解決現實問題的思維和能力［12］。我國STEM教育起步較晚，2016 年教育部發布的《教育信息化“十三五”規劃》將STEM 理念作為未來人才培養的新理念［14］。STEM 教育在我國本土的實施源自對西方教育思想的不斷學習，很大程度上的受到PBL（Project Based Learning，基于項目學習）教學模式的影響，從而產生具有中國特色的STEM課程特征。

STEM理念是系統性的、終身性的教育理念，核心要素包括“學生中心”育人思想，多學科交叉融合的學習內容，體驗式的學習過程，團隊合作的學習方式，產生創新成果的學習結果［15］?！肮こ獭笔荢TEM 課程的核心要素，使其區別傳統的科學教育與數學教育?！肮こ獭逼鸬津寗恿Φ淖饔?，通過工程項目將數學、科學、技術等相關知識進行融合［16］。有了工程元素，STEM課程不會走向重知識輕應用、重技術輕素養、重模仿輕創新的歧途。高職機電類專業留學生實踐課引入STEM教育思想，學生在PBL 的過程中，主動建構知識，聚焦真實問題解決，其知識遷移、工程思維、科學素養、協同創新等高階能力得到有效培養。

2 YL-335B自動化生產線系統

自動化生產線設計課程依托圖1 所示生產線系統展開，主要包含輸送站、供料站、裝配站、加工站、分揀站5 個工作站，共64 學時。每個工作站是一個獨立的控制系統，均由光電、光纖、磁性開關等傳感器、PLC控制器、氣缸、電動機等執行器及其他輔助機構組成。每個工作站能夠獨立完成生產工序，也可5 站聯網構成生產線系統，完成工件的供料、裝配和分揀整體任務。圖2 所示為芯殼套件，芯和殼均有黑色塑料、白色塑料、金屬材質3 種類型，芯殼共有9 種組合方式。

圖1 YL-335B型自動化生產線系統

圖2 芯殼套件

YL-335B型自動化生產線系統工作流程如下：供料站供料，將料倉中的料殼推至供料站料臺；伺服電動機驅動輸送站在直線導軌上移動，通過氣動手抓，將料殼從供料站搬運至裝配站。裝配站將料芯裝配到料殼中。由于料芯中間有橡膠圈，料芯不會完全落入料殼，成為半成品工件，如圖2（b）所示；輸送站將半成品工件搬運至加工站，加工站通過沖壓氣缸將料芯壓入料殼；輸送站將工件搬運至分揀站，分揀站根據任務要求將不同顏色組合的套件進行分揀；輸送站運動到供料站，完成一次生產任務，等待下一次生產。另外，通過人機界面可設置啟動、停止，并顯示生產狀態。

傳統教學，教師依次講解供料、加工、裝配、分揀、輸送5 個工作站的結構和工作流程，學生在老師的指導下完成各站的程序設計，使自動線系統正常運行。整個教學實施過程，學生模仿多創新少，缺乏主動建構知識的過程，自主學習能力培養和高階思維訓練不足。

3 STEM理念下自動化生產線設計課程PBL活動模型

基于STEM理念，構建自動化生產線課程PBL 活動模型，如圖3 所示。

圖3 STEM理念下自動化生產線設計課程PBL活動模型

環境層主要包括自動化生產線實驗室、YL-335B自動化生產線系統、PLC控制器、各種傳感器、電動機、氣缸、工業機器人等硬件設備以及CNKI 數據庫、Solidworks軟件等。豐富的資源為開展STEM 理念的自動化生產線設計教學活動提供重要支撐。

規則層保障教學活動有序、高效推進，主要包括自動化生產線實驗室規章制度、成本約束、時間約束、作品評分表、項目報告、完成項目的倫理道德約束等。

準備層是開展教學活動前的準備，包括留學生學情分析、確立教學目標、研究項目背景、確定項目任務書、搜集項目資源、制定考核評價體系等。充足的教學準備可保障教學活動的有序開展。

活動層是STEM 理念下自動化生產線課程PBL活動模型的核心，通過教師互動、學生互動、師生互動，構建師生學習共同體。教師發揮引導、協作、監督、評價的作用；學生是知識的建構者、任務的實施者、項目的管理者和結果的評價者。構建低階、中階、高階三類項目。項目難度層層遞進，學生能力逐步提升。項目實施過程依次為：課程導入—方案制定—項目實施—考核評價—交流改進。

目標層是課程教學設計的基本導向，貫穿于整個教學活動中，對項目的實施起引領作用。主要包括機電、控制等綜合知識應用能力的培養及系統性思維、創新思維的訓練。本課程的思政目標是培養留學生的知華、友華情感。

4 STEM 理念下自動化生產線分揀站設計PBL實施案例

項目的環境層、規則層、裝備層、活動層、目標層已構建完畢。下面分別從情境創設、項目發布、項目實施、考核評價4 個方面，展現STEM理念下自動線分揀站設計PBL實施案例。

4.1 情境創設

分揀站設計在圖3 所示的活動模型中屬于高階項目。首先，教師帶領大家參觀真實的自動化生產線分揀場景，學生體驗、感受分揀的重要性。然后，基于霍蘭德職業模型對學生進行分組。2018 級機電一體化技術霍蘭德職業性向測試結果如圖4 所示。

圖4 2018級留學生專業霍蘭德職業性向分析結果

由圖4 可知，留學生現實和社會維度得分較高，研究和企業維度得分較低。表明學生喜歡與人交往，善于動手實踐，但抽象思維、邏輯分析和領導力不足。分組時考慮學生職業性向特點，適當互補，以便推進任務實施。

4.2 項目發布

項目需求：自動化生產線生產出一批工件，現將其進行入庫分揀，其中黑色套件（黑殼白芯、黑殼金芯）進1 號庫，白色套件（白殼金芯、白殼白芯）進2 號庫，其余類型入3 號庫，如圖5 所示。教學目標分析如表1 所示，通過項目實現多學科知識融會貫通。

圖5 待分揀的套件

表1 分揀站設計教學目標分析

4.3 項目實施

本項目共計16 學時，每周4 學時，時間跨度為1個月。前4 學時主要是情境創設，任務發布和開題指導。學生根據任務需求，通過查閱資料、交流研討初步確定方案，并進行開題展示，教師從可行性、先進性等方面進行指導、點評。中間8 學時主要是教學任務實施。學生根據任務分工，分別進行機械結構設計，電氣系統設計，PLC 控制程序設計，項目管理，教師主導課程進展，并進行答疑解惑。學生設計的典型方案如表2 所示。

表2 學生設計的典型方案

由表2 可知，學生設計的分揀站方案的區別，主要體現在工件識別方法、執行機構選擇兩個方面。工件識別可選擇光纖傳感器、金屬傳感器兩個一維傳感器組合識別的方式，也可選擇采用一個二維傳感器攝像頭的方式。執行機構可采用氣缸、電動機、傳送帶的組合方式，或采用一個工業機器人的方式。

4.4 考核評價

學生完成方案設計后，進行答辯展示，教師對方案進行點評，并給出參考方案，如圖6 所示。采用光纖傳感器、金屬傳感器組合的方式識別工件，電動機驅動傳送帶將工件運送至不同的位置，再由氣缸將其推入料倉，完成分揀。

圖6 分揀站設計的參考方案

最終本項目成績構成由在線成績（15%）、學生自評（15%）、學生互評（20%）、教師評價（50%）4 部分構成。系統成績根據學生觀看教師發布的視頻、微課及測試題作答情況得出；學生自評是小組內學生根據完成任務的貢獻度的自我評價；學生互評是組間同學根據任務完成質量的評價；教師評價根據學生課堂表現、作品功能、質量、外觀等給出。實現評價主體、評價方式、評價內容多元化。

5 改革成效

改革成效主要從學習投入、能力提升、學習體驗及滿意度3 個維度展開分析。

5.1 學習投入

學習投入包含課后學習時間和深度學習兩個方面。通過調研，100%的同學在課后參與過項目組的研討，并花時間完成自己的任務。80%同學課后參與組內項目研討達4 次及以上；50%的同學與其他小組進行過交流研討；30%的同學課后與老師互動超過2 次。結果表明，教學改革使得學生學習投入顯著增加，同時促進深度學習和探究學習習慣的養成。

5.2 能力提升

完成課程后，對學生進行訪談，能力提升分為沒有提升、得到提升、提升較大、提升顯著4 個檔次。70%的學生認為自己的信息檢索能力提升顯著；60%的學生認為自己跨學科知識應用能力提升較大；51%的同學認為自己解決問題的能力得到提升?？梢?，該教學模式能夠促進學生綜合能力的提升。

5.3 學習體驗及滿意度

通過調研，學生表示項目的完成過程伴隨著壓力、焦慮和迷茫，但更多的是解決問題時的愉悅和成就感，學習過程印象深刻。解決問題的方法可以遷移到其他項目。評教成績提高5%。絕大部分同學對課程比較滿意，認為STEM 理念下PBL 的教學模式，比傳統課堂教學學習質量和效率更高。傾向于將該課程成果進一步優化升級，參加挑戰杯競賽、大學生科技創新等項目。

6 結語

留學生高質量的人才培養是開發國際人力資源的重要手段?；赟TEM 教育理念，對自動化生產線設計課程進行教學改革創新。通過項目推進課程實施，學生在完成項目的過程中，信息檢索能力、主動學習能力、跨學科知識應用能力、創新力得到有效培養。學生學習投入顯著增加、多方面能力得到不同程度的提升、教學體驗深刻，教學滿意度總體較好。該課程的改革路徑對留學生其他課程創新設計具有借鑒意義。