基于混合式教學法的數控機床電氣控制與PLC 編程課程教學改革

趙 洋

（東莞理工學院 電信工程與智能化學院，廣東 東莞 523808）

伴隨新冠感染疫情防控工作的常態化，高校教學模式逐步從傳統的線下教學向線上線下相結合的混合教學模式轉變。這種轉變一方面有利于減少人員聚集，從而降低防控工作的壓力，另一方面在引導教師積極探索和實踐新型教學方法并對原有課程教學模式進行改革也有很好的驅動作用。

數控技術是一門綜合計算機、自動控制與檢測、機械設計與制造和電氣傳動等多學科知識的先進制造業基礎技術。數控機床具有高精度、高效率、柔性強和智能化程度高等特點，在智能制造領域發揮著非常重要的基礎作用[1]。在“中國制造2025”戰略規劃中也明確提出了高端數控機床和機器人這一重點領域的發展規劃[2]。

數控機床電氣控制與PLC 編程是東莞理工學院面向自動化專業（智能制造方向）和電氣工程與智能控制專業開設的一門專業選修課程。該課程的知識體系可以分為兩個較為獨立的部分，即電氣控制和PLC 編程。這兩部分內容均有很強的工程背景，因此對學生的工程實踐能力和綜合素質的培養具有重要作用[3]。依據培養計劃，在開始本課程的學習之前，學生已經修完自動控制原理、傳感器與檢測技術、PLC 原理及應用和電工實習等專業基礎和專業必修課程。因此，學生已經具備本課程所需的基礎知識。特別是通過電工實習和PLC 原理及應用的學習，學生已經對傳統基于繼電器和接觸器的電氣控制原理和邏輯實現具有比較好的認知，也基本掌握了PLC 的基礎應用知識，因此，本課程的教學內容和特點主要體現在PLC 與數控機床電氣控制的結合。為確保學生通過本課程的學習能夠熟練掌握PLC 在數控機床電氣控制中的應用、軟硬件組態和系統調試等工程實踐能力，本課程的教學過程需要特別重視工程實際案例的引入，以此增強學生在學習過程中的沉浸度。當教學模式從線下轉變為線上線下相結合的方式時，需要在對該課程知識體系和特點進行深度分析的基礎上，提出具體的教學改革措施，從而保證教學效果不會因教學方式的改變而受到影響[4]。

一 課程教學改革背景

與PLC 原理及應用課程主要講授PLC 基本原理、基本指令和基礎編程[5]不同，數控機床電氣控制與PLC 編程課程將PLC 的應用場景限定為數控機床中的電氣控制系統。實際應用中，PLC 與數控機床的結合主要有兩種架構，即集成式PLC 和獨立式PLC。集成式將PLC 系統內嵌到數控機床負責機械加工的數控（Numerical Control，NC）系統中；獨立式即PLC 和NC 之間相互獨立[6]。無論哪種架構，PLC 主要負責整個機床外圍系統的控制任務，如刀庫系統、冷卻系統和其他輔助系統等，控制方式多為邏輯控制[7]。

通過對本課程傳統教學內容和方法的細致分析，以及對線上線下兩種教學方式各自的特點進行深度調研，筆者認為在本課程中推行混合式教學法具有很好的可行性和積極的改革意義。具體分析內容如下。

1）按照機械加工工藝進行分類，數控機床的種類較為繁多。其主要有數控車床、銑床、鉆床、鏜床、磨床及車銑復合和萬能銑床等類型。而受限于實驗場地、實驗室建設經費等各種客觀因素的限制，難以在實驗室配置所有種類的數控機床。因此，本課程的教學改革首先需要解決有限的實驗教學資源和工程實際情形的矛盾問題。

線上教學的突出優點是具有較好的時間安排靈活性及教學資源的重復使用性。利用線上資源，學生可以根據自己對知識的掌握程度自行選擇是否重復學習及學習的時長。與線上教學不同，線下教學的場所和時間安排相對固定，具有較好的師生實時互動性，教師能比較及時準確地掌握學生的學習效果。如果能將課程內容與兩種教學模式的特點相結合，合理安排不同教學模式所對應的教學內容，使教學內容和教學素材能與教學模式更好地匹配，則既可以在某種程度上解決硬件資源有限的問題，又有助于學生對相關知識的掌握。

2）根據專業培養方案，本課程為2 學分，共32 學時。其中，理論教學20 學時，實踐教學12 學時。為使學生在本課程學習過程中，能熟練掌握數控機床基本控制回路的工作原理，以及PLC 控制程序的設計和實現，需要引入大量的工程案例進行講解分析。而教學時長特別是實驗學時相對較少且固定不可調整。因此，即使是在全部學時內均采用單純的線下教學也會感覺時間比較緊，很多知識點可能覆蓋不到。如果能在合理分配不同教學模式所對應教學內容的基礎上輔以豐富的教學素材，然后將部分內容作為課后作業的補充，則相當于對教學時長進行了延長，更有利于教師對教學內容的合理把握和安排。

3）線上教學對學生學習的自主性要求更高。由于在線上教學過程中，教師與學生之間缺乏面對面交流的條件，因此，教師難以直接觀察到學生的學習表現，也不能對學習態度不認真的同學及時進行指正。為了彌補這一缺點，任課教師除了積極引導學生的學習興趣，采用線上打卡等監管方式之外，更重要的是對線上教學內容和學生學習效果能進行及時跟蹤從而獲得有用的反饋信息，進而相應地調整教學內容和教學進度。因此，在設計線上和線下教學內容時最好能做到兩部分內容有交叉，時間有先后，并形成教學閉環，從而保證所講授知識的完整性、銜接性和教學過程的可控性。

綜合以上分析可知，相對于傳統單一線下教學模式，混合式教學法具有突出的優點。但是為了將其優點更充分地發揮出來，有賴于對教學方法、課程教學內容進行深度分析和優化設計。

二 理論教學內容設計

本課程的知識體系結構圖如圖1 所示。可以看出，電氣控制部分側重于數控機床控制的基礎內容，PLC 編程部分則更側重于理論的實際應用。理論與實踐的結合一直是貫穿本課程教學過程的著眼點，基于混合式教學法的理論教學內容設計的總體思路是：充分利用線上和線下兩種教學模式各自的優點，對理論教學內容進行合理分配，實現教學內容與教學模式高度匹配，并借助多樣化的教學素材，實現理論知識在實際應用、系統分析、效果評價及創新創造等方面的高級認知[8]。

圖1 課程知識體系結構圖

本課程改革前的理論教學內容見表1。本課程理論教學內容主要有以下特點。

表1 課程理論教學內容

1）本部分內容主要側重于對數控機床控制部件的硬件介紹，此類內容所需理論基礎較少，完全可以在有實物對應的情況下進行自主學習，因此比較適合采用線上的方式進行教學，但前提是線上教學的素材要進行認真設計和篩選，盡可能給學生提供豐富的實物樣例。

2）本部分知識內容共性較強，如典型數控機床的電氣控制回路部分會介紹到鉆床、鏜床和磨床等三種機床的電氣控制回路。對于此類教學內容，完全可以分成線下和線上兩部分分開教學。其中，線下教學對較為復雜和典型的控制回路進行詳細講解，剩余部分則采用線上的方式讓學生自行學習。線下教學要先于線上教學開展，這不僅可以保證學生在自行學習之前已經對該部分內容有一定基礎和認識，還可以培養學生的自學能力。

本課程改革后的理論教學內容見表2。因為線下教學內容和線上教學內容有緊密的承接關系，所以僅在線上教學環節布置課后作業。這樣安排一方面可以對學生的自主學習起到一定督促作用，即不完成線上學習難以完成作業；另一方面由于每個教學主題基本上都形成了“線上+線下”的教學閉環，且線下教學時間安排上先于線上教學，因此作業安排的時間節點也更加合理。

表2 課程改革后的教學內容與教學素材

三 實踐教學內容設計

實踐教學是理論教學的必要補充，并且實踐教學的效果直接影響到學生對該課程整體知識體系的吸收和消化程度。因此，實踐教學內容的設置必須與理論教學內容緊密貼合，確保知識不脫節，從而有效幫助學生提高自己的動手和解決實際問題的能力。本課程改革前的實驗教學內容見表3。與理論教學內容一致，實驗安排也主要圍繞電氣控制和PLC 控制兩部分內容進行設置，前者主要為驗證性實驗，后者為設計性實驗。

表3 課程改革前的實踐教學內容

傳統線下實驗的優點是沉浸感強，實驗結果的呈現比較直觀。但是受限于實驗設備臺套數和課時的限制，在做實驗時通常安排多人一組共同完成，因此，有些缺乏學習主動性的同學在實驗過程中的參與度并不高。此外，隨著仿真軟件技術的不斷發展，其界面友好性和真實感也不斷增強，因此，很多傳統線下實驗完全可以通過仿真軟件配合教學視頻演示來讓學生自行完成。基于此，本課程的實踐環節經優化調整后見表4。其中，線上實驗為單人完成，線下實驗中除了在機床實驗臺的驗證實驗為小組完成外，其他實驗也均為單人完成，最大程度地提升了學生在實踐環節的參與度。

表4 課程改革后的實踐教學內容

四 教學改革的特色

本課程以提升學生學習效果為目的，引入混合式教學法進行教學改革，改革后的課程具有以下特色。

1）通過對課程知識體系及其內容特點的深度分析，結合線上和線下教學各自的優點，重新設計了線上教學和線下教學具體的教學內容，使得每個知識模塊均分解為“線上+線下”的教學模式，且在時間安排上，線下教學先于線上教學，有利于在形成教學閉環的同時讓學生的學習能夠循序漸進。

2）針對不同教學模式和教學內容，仔細調研和篩選適合的教學素材，包括實物照片和視頻，實際機床電氣控制部分的工程圖紙及教學內容的視頻講解等。豐富的教學素材配合混合式教學模式更有利于學生在學習過程中能夠不斷地將理論知識和工程實際進行對照，有利于知識的有效吸收。

3）在實踐教學方面，通過引入仿真軟件來完成線上實驗教學，對傳統的實驗場景在時間和空間上進行了擴展。改革后的實驗教學方法不僅可以使學生能夠學習仿真軟件的使用，掌握新的技能，同時線上和線下實驗的配合還能更好地激發學生的動手能力和創造性。

五 結束語

混合式教學法是當前及未來教育教學的主要趨勢，因此對數控機床電氣控制與PLC 編程課程進行相應的教學改革也勢在必行。從實踐結果來看，本課程引入混合式教學法后能夠有效激發學生的學習興趣。該方法不僅拓展了傳統線下教學的時間和空間，使學生的學習能夠具有更多的自主性，同時教學素材的豐富性和仿真軟件的引入也極大地提升了學生的學習主動性，受到了學生的普遍認可。