基于行動導向和理虛實一體化的自動化生產線安裝與調試課程教學改革

摘 要 自動化生產線安裝與調試課程教學需要大量的自動化生產線設備，由于購買批次、時間不同，實訓設備數量少、型號多、廠家各異，并且安裝接線需要長時間占用設備，不利于開展多個班級教學，影響教學效果。為了解決以上問題，課程組引入虛擬仿真技術，對課程內容進行拆分，將新技術、新工藝、新規范融入教學過程，以工作過程為導向，重構理虛實一體化的模塊化課程，以過程評價改革課程評價體系。通過優化、序化課程教學模塊，將實際設備教學穿插在虛擬場景教學間，解決多個班級的教學問題。經過一段時間的實施改進，取得了良好的效果。

關鍵詞 教學改革；自動化生產線；行動導向；理虛實一體化

中圖分類號：G642 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.05.024

Teaching Reform of Automation Production Line Installation and Debugging Course Based on Action Orientation and Integration of Theory， Reality and Reality

WANG Yanping， FENG Junlei

（Liupanshui Vocational and Technical College， Liupanshui， Guizhou 553000）

Abstract The installation and debugging course of automated production lines requires a large amount of automated production line equipment. Due to different purchase batches and times， the number of practical training equipment is small， the models are many， and the manufacturers are different. In addition， the installation and wiring require a long time to occupy the equipment， which is not conducive to conducting teaching in multiple classes and affects the teaching effectiveness. In order to solve the above problems， the course team introduced virtual simulation technology to break down the course content， integrate new technologies， processes， and standards into the teaching process， and reconstruct a modular course that integrates theory， reality， and virtuality with a work process orientation. The course evaluation system was reformed through process evaluation. By optimizing and sequencing course teaching modules， actual equipment teaching is interspersed in virtual scene teaching rooms to solve teaching problems for multiple classes. After a period of implementation and improvement， good results have been achieved.

Keywords teaching reform; automated production lines; action-oriented; integration of theory， virtuality， and practicality

自動化生產線安裝與調試課程是機電一體化技術專業的專業核心課程，涵蓋了機械裝配、傳感檢測技術、電機與電氣控制技術、可編程控制器技術、液壓氣動技術、運動控制技術等相關內容，對學生綜合能力要求較高。自動化生產線典型場景由供料、加工、輸送、分揀倉儲等單元組成，學校現有實訓條件為模擬一條生產線典型工作過程的YL-239C、YL-335B等實訓設備。課程內容主要為供料單元、加工單元、輸送單元、分揀單元等的機械安裝、傳感器執行器安裝、接線、編程、調試排故等。

由于實訓設備購買批次、時間的不同，數量少、型號多、廠家各異。學生在分小組實訓實操時，受實訓設備數量限制，每班需要進行分組實訓，每組學生過多，不能保障學生學習安裝、接線、編程、排故等內容的教學效果。實訓用的設備元器件位置與功能固定，教學內容固化，教學模式單一，不利于培養學生的元器件選型、安裝等需要結合實際情況分析處理問題的綜合能力。又由于設備型號不同，組成單元功能不同、PLC型號傳感器型號不同，學生實訓時教學過程和評價難以統一。傳統教學模式從熟悉傳感器、執行器，再到機械結構安裝、傳感器安裝、接線、測試，最后到該單元PLC程序編寫、功能調試，需要長時間占用實訓設備，在各班級教學輪換過程中需要對設備拆卸后再進行安裝接線，安裝、接線、編程的過程不夠連貫，不利于學生綜合能力的培養。

為了提高機電一體化技術專業學生的綜合實踐能力，課程組在教學實訓中引入Factory" IO虛擬仿真軟件[1]，對課程內容進行拆分，將新技術、新工藝、新規范融入教學過程，以工作過程為導向，重構課程模塊，保障學習效果。

1" 教學改革內容

1.1" 理虛實一體化的教學模式

虛擬仿真技術的引入，為教育教學提供了很大的便利[2]。但對于自動化生產線安裝與調試這種實踐屬性強的課程來講，過多的虛擬仿真不利于對學生分析問題、解決問題的能力和實際操作能力的培養和檢驗。

本課程從實際設備相關理論出發，讓學生建立起自動化生產線各典型場景的組成要素、傳感器類型、執行器類型等理論概念。虛擬仿真軟件便于復制粘貼擴展規模，讓每位學生都能進行自動化產線場景的搭建、信號連接、程序設計和功能調試。用實際設備來完成一次整體的安裝、接線、排故、程序設計流程，提升學生對自動化系統的理解。學生從實際設備了解自動化生產線相關理論[3]，使用虛擬仿真技術鍛煉核心能力，使用實際設備完成理論和虛擬不能完成的機械裝配、傳感器接線等，建立起理虛實一體化教學模式。

1.2" 行動導向教學模式

行動導向理念是針對職業的“行動領域”的工作過程，按照“資訊―計劃―決策―實施―檢查―評估”完整的行動方式來進行教學[4]，以能力為本位培養學生。

傳統的“復習舊課―講解新課―實訓―總結歸納―作業布置”課堂教學模式[5]在自動化生產線安裝與調試這類綜合應用型課程的教學中效果不理想。為了更好地適應高素質技術技能人才培養，課程組引入行動導向教學模式。自動化生產線安裝與調試課程內容主要為供料單元、加工單元、輸送單元、分揀單元等的機械安裝、傳感器執行器安裝、接線、編程、調試排故等，各單元相對獨立、工作流程一致，適合以行動為導向開展教學。

1.3" 多班級教學協調

課程引入虛擬仿真技術后，按照理虛實一體化、行動導向的教學模式，重構模塊化課程，將供料單元、加工單元、輸送單元、分揀單元的系統設計、信號連接、程序設計、調試等過程提升為以仿真技術為主的供料單元、加工單元、輸送項目，讓學生通過形象的虛擬仿真軟件建立自動化生產線傳感器、執行器、程序設計等設計能力，通過實際設備的裝配、接線、編程、調試項目鍛煉學生實際的動手能力。虛擬仿真各單元間可以穿插實際設備的裝配、接線、編程、調試項目。在進行教學時，不同的班級可以調整實際設備的裝配、接線、編程、調試項目位置，來保證在一段時間內學生對設備的獨占，達到系統的教學效果。

2" 課程內容重構

2.1" 設計虛擬工作場景

根據設備的各單元功能，在虛擬仿真軟件中進行各要素搭建，在整個供料、加工等單元，傳感器選擇為漫反射傳感器，而分揀單元根據物品的材質不同，選擇電感式傳感器。供料倉選擇供料發射器，供料站的供料推桿選擇氣動推式分揀機。在Factory" IO中采用兩個傳送帶橫放來代替供料站的供料臺。在加工站上，因為設備的加工站工作動作太簡單，為了體現加工站的功能，選擇了有加工功能的加工中心模塊來模擬設備的加工站。分揀站選用傳送帶和氣動推式分揀機相互配合，有三臺氣動式分揀機，分別用于推出不同顏色的金屬工件。設計的Factroy" IO虛擬場景如圖1所示（p73）。

2.2" 課程內容重構

經過對核心能力的細化，對課程案例進行優化、序化，引入Factory" IO虛擬仿真技術，將典型的供料單元、加工單元、分揀單元和倉儲單元場景進行重新設計。引入輥式傳送帶、大型立體倉庫等實際應用的大型設備，讓每位學生都有機會身臨其境地提升傳感器選型、位置調整、信號連接、程序設計、調試等核心能力。通過不同型號的自動化生產線設備，對學生的裝配、接線、運動控制設備參數設置等能力進行強化培養，減少對大量實際設備的需求。改革后的自動化生產線安裝與調試課程教學模塊如表1所示。

按照實際自動化生產線工作流程，課程教學時，建議從模塊1至模塊4順序進行，模塊5可根據多個班級教學的實際情況穿插在模塊1―4之間，保證學生安裝接線調試過程中對設備的獨占。

3" 教學方法研究

完整的教學過程可以分為輸入階段、任務階段和輸出階段。自動化生產線安裝與調試課程是綜合性很強的課程，課程知識和技能涵蓋廣，學生開展實踐所需的知識和技能已在前期課程中學習。行動導向教學模式貫穿整個課程，選擇合適的教學方法，可以提高教學效果。

3.1" 適合輸入階段使用的教學方法

自動化生產線安裝與調試所需的知識和技能已在前期課程中學過，在任務需求導入后，學生要對前期知識進行查缺補漏。此過程適合采用拼圖式教學。拼圖式教學適合多種理論知識的學習，學習開始時先進行重新分組，每小組領取一種學習資料，組內成員互相討論交流學習經驗，成長為此知識點的“專家”。學習時間結束，各成員返回原小組，原小組就有了具有多種知識的“專家”，“專家”可幫助其他同學學習各自的知識點。

3.2" 適合任務階段使用的教學方法

任務階段，學生需要根據任務需求進行計劃、決策、實施。計劃階段影響后續實施環節，學生需要對實施過程中的工作流程、工藝規范、所需元器件和耗材進行計劃。為了輔助學生完成相應過程，教師可以采用過程打鉤的教學方法。在任務開始前，教師向學生發放過程打鉤表格，通過過程打鉤，可以用于學生自評和互評。學生根據表格內容完成計劃、決策及實施。

計劃、決策是行動導向教學模式中的重要環節，計劃、決策結果可以通過集市式展示與評比。集市式展示與評比在學生作出計劃、決策結果后，將結果展示在黑板上，一人負責講解，其他同學觀察、學習別人的成果，可從中學習更多、更優的解決方案。

3.3" 適合輸出階段使用的教學方法

受設備數量限制，進行實際操作時學生需要分組進行，此時可以采用觀察清單法，讓一名或多名學生觀察操作學生的操作過程、要素、安全操作等是否符合要求，并根據實際情況進行判斷填寫清單。待操作人員完成后，輪換進行此過程，學生可以實際操作一遍，并觀察其他同學學習和提高。

任務輸出階段，學生將觀察結果或者操作心得體會分享給大家，可以提升其語言表達能力。每小組派一名代表向班內同學進行分享，其他組進行點評，教師在鼓勵學生的基礎上，讓學生總結自己做得好的地方和不足的地方。

4" 課程評價方式改革

合理設計課程評價方式，不僅可以作為學生學習的引導，還能增強學生的學習興趣、提高學習效果[6]。

以行動導向作為評價體系的主線，對“咨詢”“計劃”“決策”“實施”“檢查”“評估”進行過程性評價，綜合評價學生能力。咨詢環節是對實施后續任務所需知識進行學習，計劃環節培養學生對項目實施過程、實施所需元器件、工具、耗材等事前規劃計劃的能力，決策環節通過對比其他小組的決策過程和決策結果增強學生的決策能力，實施環節中重點檢驗學生對操作規范和安全生產的意識，檢查環節通過檢查表對實施結果進行檢查、排故，評估環節對項目整體實施進行評估，完善改進后續項目。

過程性評價需要學生先進行自評，教師再進行評價。為了減少因學生對評價標準掌握的不同影響學生自評的效果，學生評價不計入評價成績。以對學生評價的評價（教師評價和學生評價的差值）和教師評價作為成績的主要組成部分。各環節配合不同的成績比重，體現學生的綜合能力。設計的評價體系中以模塊5實際設備安裝與調試檢測環節的目測檢查表為例，目測檢查評分表如表2所示。

5" 教學改革成效

引入Factory" IO虛擬仿真技術后，自動化生產線安裝與調試課程從之前的一人做三人看，轉變成了人人做人人會。通過行動導向的課程內容重構，引入虛擬仿真技術，學生可以直觀地看到實際生產中用到的先進設備、生產場景，對自動化生產線設備有了系統性的認識。通過改革評價方式，學生的學習更加有目標性，通過過程考核的積累，學生的學習積極性得到了充分提高。通過調整課程項目的順序，有效地避免了中斷實際設備安裝與調試，提高了學生學習效果。減少了對昂貴、體積巨大的自動化生產線實訓設備的需求，大大減少了實訓室建設經費投入。從2020級開始引入Factory" IO虛擬仿真教學后，評教成績逐年提高，學生獲得了2022年貴州省職業院校師生技能大賽機電一體化項目學生組二等獎，教師獲得了2023年師生技能大賽機電一體化項目教師組二等獎，取得了新的突破。

基金項目：2022年貴州省職業教育“技能貴州”行動計劃省級教師教學創新團隊“煤礦智能開采技術專業群教師教學創新團隊”（黔教函〔2022〕108號）；六盤水職業技術學院科研項目“基于PLCSIM的機電控制實訓裝置設計與實現”（LYK2208）；六盤水職業技術學院2023年院級教師教學創新團隊“機電一體化技術專業教師教學創新團隊”（院辦通〔2024〕3號）。

參考文獻

[1] 張珠玲，梁亮，王麗華，等.基于FactoryIO的物料分揀和組裝虛擬仿真實驗設計[J].實驗科學與技術，2021，19（3）：122-126.

[2] 馮軍磊，王艷平.基于MCGS和PLCSim的虛擬教學實驗平臺的設計與實現[J].機電信息，2020（6）：70-71.

[3] 梁生龍.基于行動導向的“自動生產線安裝與調試”課程開發與實踐[J].機械職業教育，2016（11）：38-41.

[4] 姜大源.“學習領域”——工作過程導向的課程模式：德國職業教育課程改革的探索與突破[J].職教論壇，2004（24）：63-66.

[5] 和學新，田尊道.論凱洛夫教育學中國化的經驗及其啟示[J].西南大學學報（社會科學版），2015，41（6）：89-98，191.

[6] 閻金剛，靳大偉，張吉利，等.高質量發展背景下機電一體化技術專業群模塊化課程構建研究[J].工業技術與職業教育，2024，22（2）：45-49.