基于專創融合的“木材加工自動化”教學設計與實踐

張國梁，黃秋嫻，邢義虎

（1.河北農業大學林學院 河北 保定 071000；2.河北農業大學智慧木匠創新工作室 河北 保定 071000）

黨的二十大報告指出，創新是第一動力，要加快實施創新驅動發展戰略，要堅持面向世界科技前沿，以國家戰略需求為導向，積聚力量進行原創性引領性科技攻關，這離不開具有創新思維和創新能力的人才支撐。在當今的VUCA（volatile,uncertain,complex,ambiguous）時代，面對不確定性，高校如何在專業課的教學中培養學生的創新思維和能力是一個不斷探索和實踐的過程[1-3]。為深入貫徹《國務院關于推動創新創業高質量發展打造“雙創”升級版的意見》（國發〔2018〕32 號），各高校需根據不同學科專業的特色和優勢，深入研究不同專業的育人目標，聚焦新技術、新成果中的創新脈絡和典型技術，充分挖掘提煉專業知識蘊含的創新創業思維元素，將其有機融入專業課程，開展專創融合課程建設，引導學生運用創新創業思維剖析案例、研發項目，進一步提升學生解決實際問題的能力[4-7]。本文以河北農業大學“木材加工自動化”課程為例，介紹專創融合的建設思路和實踐過程，旨在為更好地開展專創融合課程建設提供借鑒。

1 課程簡介

“木材加工自動化”是木材科學與工程專業的一門專業課。以現代木材加工的先進制造和智能制造技術為研究對象，主要學習木材和家具的自動化/智能化生產技術，包括木材加工機床的電機控制基礎、繼電器/接觸器控制模式、PLC/觸摸屏控制方式、數控編程與加工、定制家具的智能制造等知識，具有綜合性、實踐性、設計性強的特點。通過本課程的學習，學生將能夠獲得現代木材加工的先進制造基本理論和技術，樹立正確的現代生產和制造思維，為從事木材科學與工程專業的工程技術工作和科學研究打下基礎。

1.1 層次化教學目標

基于布魯姆教育目標分類法，將“木材加工自動化”的課程教學目標解構為六個層次，如圖1 所示。

圖1 “木材加工自動化”層次化教學目標

從“知道”到“綜合/創造”，學生學完課程后應該達到的要求逐級遞進，逐步提高，有助于對課程的總體把握，并根據自己的學情設定學習目標的“天花板”。教師也可以更加有針對性地逐級引導學生掌握課程的理論知識和實踐技能，并與其他課程進行有效的連接，綜合運行多學科知識和項目式方法開展課程教學[8-9]。

1.2 專創融合知識點

以章節設置為主線，結合創新創業的思維模型和項目設置，凝練出“木材加工自動化”專創融合教學的知識點，并在其中列出了對應的創新創業元素和教學載體，部分知識點見表1。

表1 木材加工自動化課程部分專創融合知識點

2 教學實施的總體路線

以“機床電氣控制常用基本電路”部分內容為例，采用四軸協同課程設計法（課程知識軸、教學情境軸、樣本調研軸、實踐項目軸）和五步實踐教學法（創建情境、協作探討、知識建構、應用驗證、反思內化），總體教學設計如圖2 和圖3 所示（p121），二者相輔相成。

圖2 “機床電氣控制常用基本電路”的四軸協同課程設計法

圖3 “機床電氣控制常用基本電路”的五步實踐教學法

3 教學實施流程

以“機床電氣控制常用基本電路”為例，對教學實施的流程加以詳細說明。

3.1 創建情境

通過將典型的電機控制電路與木材加工所用具體機床相聯系（圖4 所示），引導學生構建電動機控制的學習情境，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機是如何實現供電和電氣控制的？

圖4 機床電機控制典型方法與應用案例

讓學生帶著問題開始本節課的內容，采用的教學工具是：書寫式頭腦風暴和思維導圖。在學生的小組合作探討后，以思維導圖的方式完成對該問題的理解，圖5 為學習通主題討論的部分情境。

圖5 學習通主題討論1

3.2 協作探討

以三相交流異步電動機的控制電路分析為例，描述學生分組協作探討的具體操作方法。

首先設計實踐項目設計流程，在電機控制的逐級遞進中將相關的知識點融入其中，如圖6 所示。

圖6 三相交流異步電動機的控制電路的實踐項目設計流程

實施過程中，采用案例分析、學習通主題討論等方法，按照流程由簡單到復雜逐級進行，并將中間繼電器、交流接觸器、空氣開關、熔斷器等電氣元件實物作為教具，讓學生組內傳看、觀察，并查閱資料回答如下問題。在此之前，要求學生課前預習線上知識模塊。

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是什么？各是多大電壓供電？

問題4：三相交流異步電動機正反轉控制的原理是什么？

然后，對基本電路設計與分析，通過案例式不斷深化練習。學生在學習通中參與主題討論情境如圖7 所示。

圖7 學習通主題討論2

3.3 知識建構

通過對電動機不同控制方法的階段性總結進行知識的建構。采用“Me-We-Us”教學方法，學習小組以思維導圖的方式對電機不同的控制方法，主電路、控制電路的設計方法與繪圖技術做階段性總結。

3.4 應用驗證

針對具體木材加工中驅動電機的自動控制項目開展研究實踐，引導學習小組通力合作，從工藝分析、總體控制邏輯、機電聯系單、電氣元件選型、圖紙繪制到仿真分析逐步進行，合作共創。以人造板材生產中多層貼面熱壓機自動上下料控制技術研究為例，學生應用四軸協同方法進行項目的研究和知識的應用驗證，成果如圖8 所示。

圖8 基于四軸協同方法的應用驗證

3.5 反思內化

反思內化階段重點進行電動機控制邏輯檢測與技術完善。針對各自小組的實踐項目，首先對使用到的普通電機的控制方法，步進電機，伺服電機的常用控制技術等知識體系進行知識的梳理和復盤，然后對控制邏輯進行詳細檢測，進一步完善控制技術。

3.6 拓展與引申

引導學習小組對各自的實踐項目深入分析，考慮傳統技術的升級改造。此處，設置如下問題加以引導：

問題1：如何將傳統的繼電器―接觸器控制改為PLC控制？應該怎么做？主要的設計點是什么？

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，要求學習小組以所選用的PLC 為核心，繪制電路圖，并嘗試設計梯形圖程序。

4 教學效果

專創融合教學設計與實施有效提高了課程的兩性一度，切實鍛煉了學生團結協作、即時學習、鉆研進取的品格和精神。對教學團隊來講，專創融合式教學也是一次洗禮和提升，從教學目標設計到課程內容重構，再到教學過程實施，都是全新的體驗。教學項目的實施激發了學生對更高層次數控技術乃至先進制造技術的學習興趣，也使其更加勇于接受高難度任務的挑戰。

2022―2023 學年第一學期授課后對河北農業大學2019 級木材科學與工程專業的選課同學進行了問卷調查（匿名），學生總體反饋為：結合線上線下、以創新創業思維為底層邏輯的教學方式獲得了普遍歡迎，不但增加了趣味性，而且重點突出，增加了挑戰度。在每一個研究項目的解決過程中，學生漸漸對“先行動，后學習”、利用已有資源與人共創的學習方式有了深入的理解和認可。調查問卷及其詞云分析如圖9 所示。

圖9 最近一學期的授課調查問卷結果

從已經進行的專創融合教學實施過程和取得的成效看，“木材加工自動化”比較有效地支撐了教學目標的達成。但調查問卷也顯示，還有少部分同學覺得課程相對偏難。專創融合教學是落實OBE 理念的重要手段，必然要求課程的高階性、創新性和挑戰度。如此一來，學生感受到課程帶來的學習動力的同時，也切身體會到課程學習的壓力和難度，這種現狀應該說是正常的。這就要求課程組對教學方法和教學設計進行持續的提升和改進，更加要求課程組不斷學習新的教育教學理念和技術方法，理論與實踐相結合，并堅持開放式授課，勇于接受正反兩方面的意見和建議，高標準推進課程建設。

5 結語

“木材加工自動化”具有很強的實踐性和與行業技術的緊密聯系性，而在信息時代，技術的進步飛速發展，課程內容往往滯后于行業技術。要求學生掌握全部的當下技術是不現實的，“授人以魚不如授人以漁”，因此培養學生“先行動、后學習”的創業思維，并在項目實踐中培養創新思維和能力才是可取之路。專創融合是以“專”為主，輔之以“創”，立足于專業知識和技能的培養，比較好地契合了課程教學需要，并且是可以推廣到幾乎所有專業課的教學方法，對于提升人才培養質量具有重要作用。在教育教學數字化持續推進的時代，海量的數據和信息獲取將更為便捷，信息技術和人工智能等技術的應用必然導致既有的若干工作崗位的流失，唯有保持創新創業意識、提升創新創業能力并與所在行業和專業進行深度融合才能在風云變幻的社會和科技浪潮中勇立潮頭。