自動生產(chǎn)線裝調(diào)與設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的研究與探索

摘 要：針對日益增長的學(xué)生數(shù)量和相對不變的教學(xué)環(huán)境之間的矛盾，提出了一種利用軟件平臺的方式來輔助教學(xué)方式來解決教學(xué)之間的矛盾。通過一系列的教學(xué)改革，新的課程教學(xué)方式減輕了學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，提高了課程的信息化水平，減少了課程考核的主觀因素，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，受到了學(xué)生的好評。

關(guān)鍵詞：自動生產(chǎn)線 學(xué)習(xí)通軟件 虛擬仿真平臺 教學(xué)改革

1 緒論

在中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的今天，人們正在面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。綜合能力強(qiáng)的新機(jī)電工程師，將是新工業(yè)時(shí)代構(gòu)建數(shù)字化未來的核心驅(qū)動力。培養(yǎng)掌握自動化生產(chǎn)線裝調(diào)與設(shè)計(jì)技術(shù)，能從事自動化生產(chǎn)線設(shè)備的安裝、編程、調(diào)試、維修、運(yùn)行和管理等方面的高端技術(shù)技能人才，已經(jīng)稱為當(dāng)前高職機(jī)電類教育的主要任務(wù)。

自動生產(chǎn)線裝調(diào)與設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，目標(biāo)是讓學(xué)生掌握自動化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與維護(hù)能力。它是以機(jī)械設(shè)計(jì)、電工與電子技術(shù)、液壓與氣動技術(shù)、機(jī)電傳動與控制、傳感器及應(yīng)用、可編程控制器原理及其應(yīng)用等課程的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的一門綜合性較強(qiáng)的專業(yè)課程。該課程的整體設(shè)計(jì)思路是把課程內(nèi)容與企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)線緊密結(jié)合，形成工學(xué)結(jié)合的高職特色，以培養(yǎng)學(xué)生動手能力為核心，以實(shí)訓(xùn)室硬件設(shè)備為依托，實(shí)施教學(xué)。其課程內(nèi)容與當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)對人才的需求相聯(lián)系，以職業(yè)活動來引導(dǎo)組織教學(xué)，以“應(yīng)用”為主旨，按照突出應(yīng)用性、實(shí)踐性的原則來確定的。該課程自推出以來，受到了學(xué)生和企業(yè)的一致好評。

但是隨著學(xué)生人數(shù)的不斷增加，教學(xué)之間的矛盾日益凸顯。具體可以表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一方面，在理論教學(xué)方面，由于該課程所涉及的理論知識較多，如何把該課程所涉及的理論知識夠用、適量地傳授給學(xué)生，是值得教師思考的一個(gè)問題。另外一方面，從實(shí)踐教學(xué)來看，由于整個(gè)實(shí)訓(xùn)室由一整條自動化生產(chǎn)線組成，不可能所有的學(xué)生都從頭到尾徹底地參加實(shí)訓(xùn)教學(xué)。綜上所述，教師有必要對該課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行一定的改革來適應(yīng)學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)需求。

2 傳統(tǒng)的自動生產(chǎn)線裝調(diào)與設(shè)計(jì)課程教學(xué)的弊端

2.1 綜合性太強(qiáng)，所涉及的理論知識太多，課程難度較大，學(xué)生不易學(xué)習(xí)

由于《自動生產(chǎn)線裝調(diào)與設(shè)計(jì)》課程涉及的內(nèi)容較多，在教學(xué)過程中，學(xué)生要掌握機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感檢測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、可編程控制器原理及應(yīng)用、電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)、氣動技術(shù)以及人機(jī)界面技術(shù)等方面的內(nèi)容。雖然這些課程眾多，但是所涉及的內(nèi)容都不是很深。但是教師需要將這些內(nèi)容糅合到一起，而目前的傳統(tǒng)教學(xué)的這些內(nèi)容往往處于碎片化的教學(xué)狀態(tài)，并不能結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行展開，導(dǎo)致學(xué)生無法將學(xué)以致用。

2.2 由于硬件條件的限制，該課程的實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)往往很難有效地進(jìn)行

通過到兄弟院校的調(diào)研，大多數(shù)高職院校都建立了自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)室，它們的硬件設(shè)備是也都是一條自動化生產(chǎn)線，教師進(jìn)行該課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)非常困難。該課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)不能像其他比較成熟的實(shí)訓(xùn)采用分組的方式，每個(gè)人一臺設(shè)備或者幾個(gè)人一臺設(shè)備。通過老師安排實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，學(xué)生完成項(xiàng)目來進(jìn)行。然而，自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)是一整條生產(chǎn)線，不可能安排每個(gè)學(xué)生從頭到尾地完成實(shí)訓(xùn)操作。這間接地導(dǎo)致大部分同學(xué)在實(shí)訓(xùn)室睡覺和玩手機(jī)，無法得到充分地實(shí)際訓(xùn)練，以至于實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效果較差，學(xué)生也怨聲載道。

3 改進(jìn)后的自動生產(chǎn)線裝調(diào)與設(shè)計(jì)的課程教學(xué)方式

3.1 通過超星學(xué)習(xí)通軟件對理論教學(xué)進(jìn)行重構(gòu)

超星學(xué)習(xí)通是由北京超星教育集團(tuán)所開發(fā)的，以在線教學(xué)為主體，涵蓋課前、課中、課后教學(xué)服務(wù)全過程的智慧教學(xué)系統(tǒng)。它可以在不增加硬件投入的前提下，將互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)與教育相結(jié)合。將其引入自動生產(chǎn)線裝調(diào)與設(shè)計(jì)課程教學(xué)的主要優(yōu)勢列舉如下。

3.1.1 功能齊全，操作便捷

學(xué)習(xí)通涵蓋線上建課、上課考勤、主題討論、作業(yè)發(fā)布、直播教學(xué)、自動閱卷、群聊互動、選人答題、搶答環(huán)節(jié)、調(diào)查問卷、投票活動、考試測驗(yàn)等功能。操作頁面簡潔直觀，教師及學(xué)生可在短時(shí)間內(nèi)掌握其使用方法。

3.1.2 資源豐富，易于拓展

學(xué)習(xí)通引進(jìn)先進(jìn)的MOOC理念，匯聚各方名師名課，其所包含的爾雅示范教學(xué)包包含公共必修等共約2000門課程，其中百分之九十的課程來自國內(nèi)外知名科研機(jī)構(gòu)。教師可運(yùn)用示范教學(xué)包快速建課，并利用其中包含的視頻、課件、試題庫等教學(xué)資料直接進(jìn)行教學(xué)，或可在電腦端進(jìn)行資源的剪輯、添加、修改、拓展，整合成為適用于自己的教學(xué)內(nèi)容。

3.1.3 加強(qiáng)互動，講學(xué)結(jié)合

學(xué)習(xí)通包含強(qiáng)大全面的教學(xué)互動功能包含通知、作業(yè)、考試、討論、搶答、群聊、直播等。老師可靈活快速實(shí)時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)及學(xué)習(xí)成效，有的放矢地進(jìn)行課程改良，為師生間提供高效互動。

實(shí)踐證明，在自動生產(chǎn)線裝調(diào)與設(shè)計(jì)的理論課程中引入學(xué)習(xí)通軟件大大提高了學(xué)習(xí)效率，減輕了教師的工作量，改善了師生之間的互動，由此獲得了比較良好的學(xué)習(xí)效果。

3.2 通過引入自動生產(chǎn)線虛擬仿真軟件來進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)

在自動化生產(chǎn)線裝調(diào)與設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)課程中，實(shí)訓(xùn)室硬件的矛盾尤為突出。然而一味地增加硬件的數(shù)量不僅會增加學(xué)校的教學(xué)成本，而且會帶來實(shí)訓(xùn)室硬件的維護(hù)保養(yǎng)的問題。如何破解這一矛盾呢？這里需要采用硬件軟件化的思維來解決這個(gè)問題。通過引入自動化生產(chǎn)線的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺融人實(shí)訓(xùn)的教學(xué)環(huán)節(jié)，把硬件實(shí)訓(xùn)變成軟件實(shí)訓(xùn)，這里所采用的是北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)公司的自動化生產(chǎn)線虛擬仿真軟件來實(shí)現(xiàn)的。它依托虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將真實(shí)操作技術(shù)與虛擬機(jī)構(gòu)相互結(jié)合，通過通訊插件結(jié)合數(shù)學(xué)建模軟件，將可編程控制器和自動化生產(chǎn)線虛擬實(shí)訓(xùn)設(shè)備的模型建立聯(lián)系，將占大空間、高成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備轉(zhuǎn)化為占地小、成本較低的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺。

自動生產(chǎn)線虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件包含但不限于按學(xué)?，F(xiàn)有自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試硬件設(shè)備還原結(jié)構(gòu)與功能，完全還原真實(shí)的實(shí)訓(xùn)操作的PLC控制環(huán)節(jié)?？蓪?shí)現(xiàn)五個(gè)工作站的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配、氣路調(diào)試、電氣系統(tǒng)配置（控制單元裝配、端子接線及線纜敷設(shè)），并可以通過PLC控制器實(shí)現(xiàn)虛擬場景中各站點(diǎn)的策略控制。自動生產(chǎn)線裝調(diào)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件，具有學(xué)習(xí)、練習(xí)兩種模式，覆蓋用戶實(shí)訓(xùn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，做到用戶利用軟件即可完成整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程，即能通過數(shù)字資源多維度了解實(shí)訓(xùn)過程，又能通過虛擬仿真達(dá)到反復(fù)練習(xí)，通過練習(xí)結(jié)果檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。圖1為自動生產(chǎn)線虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件界面。

3.2.1 學(xué)習(xí)模式

學(xué)習(xí)模式操作界面提供：任務(wù)來源、任務(wù)描述、相關(guān)知識與技能、知識準(zhǔn)備、設(shè)備認(rèn)知、理論學(xué)習(xí)等內(nèi)容。完成每個(gè)訓(xùn)練任務(wù)的知識準(zhǔn)備和理論知識學(xué)習(xí)，系統(tǒng)將自動完成理論水平測試。包括且不限于如下內(nèi)容。

①實(shí)訓(xùn)目的：了解訓(xùn)練任務(wù)完成后應(yīng)能夠全面掌握的基本技能、關(guān)鍵技能、知識目標(biāo)和職業(yè)素養(yǎng)目標(biāo)。

②實(shí)訓(xùn)所需元件明細(xì)表：詳細(xì)列明任務(wù)所需的電氣元件清單，包括圖形符號、名稱、型號、數(shù)量及參數(shù)備注。

③電氣控制圖紙：電路原理圖、電氣接線圖等。

④相關(guān)知識與技能模塊：提供與訓(xùn)練任務(wù)相關(guān)的專業(yè)理論知識學(xué)習(xí)。

3.2.2 練習(xí)模式

練習(xí)模式提供3D模擬實(shí)訓(xùn)場景，學(xué)生可以通過鼠標(biāo)或鍵盤控制視角在場景中任意漫游，并且可以進(jìn)行設(shè)備選型、裝配、接線、調(diào)試等練習(xí)。同時(shí)提供教學(xué)視頻、操作手冊、系統(tǒng)接線圖、示范操作任務(wù)等相關(guān)資料，通過展示設(shè)備結(jié)構(gòu)、接線效果、操作指引和功能演示，了解任務(wù)內(nèi)容和場景，掌握實(shí)操方法。

①裝配：對于已經(jīng)選定型號的元器件及設(shè)備，可將其安裝擺放到三維場景中。安裝方式可分為模塊組裝、單站裝配、整站裝配和組裝和拆分。

②接線：系統(tǒng)可以判斷設(shè)備接線端口的類型，若設(shè)備端口類型與線材不符，則無法連接提示錯(cuò)誤。學(xué)生通過選擇線材可以接線，接線包括氣路連接和電氣連接。

③調(diào)試：包括但不限于對如下虛擬設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

④評價(jià)：系統(tǒng)記錄學(xué)生練習(xí)過程的耗時(shí)和操作記錄，給出評價(jià)報(bào)告，據(jù)此能判定學(xué)生成績。

4 分析與結(jié)論

采用新的教學(xué)方式之后，學(xué)生有如下反饋。

4.1 理論課程的學(xué)生的體驗(yàn)感有一定的提高

通過采用學(xué)習(xí)通軟件對理論課程的數(shù)字化重構(gòu)，學(xué)生普遍對理論知識的興趣大大提高，學(xué)習(xí)的參與度有一定增強(qiáng)，對理論考試成績的質(zhì)疑的人數(shù)大大減少。

4.2 實(shí)訓(xùn)教學(xué)的規(guī)范性有一定提高

采用自動化生產(chǎn)線虛擬仿真平臺進(jìn)行實(shí)訓(xùn)大大減輕了教師的壓力，實(shí)訓(xùn)設(shè)備的壓力，乃至實(shí)訓(xùn)設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)的壓力。學(xué)生普遍反映，參加實(shí)訓(xùn)有一種娛樂的感覺，大大增強(qiáng)了學(xué)生對課程的體驗(yàn)感，從而學(xué)生實(shí)訓(xùn)的參與程度大大提高。

5 結(jié)語

綜上所述，引入軟件平臺的形式對課程的理論和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行一定程度的改革。通過學(xué)習(xí)通軟件對理論教學(xué)的數(shù)字化重構(gòu)不等于完全摒棄傳統(tǒng)的教學(xué)方式，而是在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字化的改革。而采用虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺方式來進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)的改革，也不等于說完全脫離硬件，而是在學(xué)生充分熟悉硬件的情況上，通過軟件平臺的形式讓學(xué)生充分參與實(shí)訓(xùn)活動。新的課程教學(xué)改革方式減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，提高了課程的數(shù)字化程度，增加了學(xué)生對課程學(xué)習(xí)興趣，降低了學(xué)生對課程考核成績的質(zhì)疑，學(xué)生普遍反應(yīng)學(xué)習(xí)效果良好。與此同時(shí)，教師對自動生產(chǎn)線裝調(diào)與設(shè)計(jì)的課程改革的探索是永無止境的，希望更多的教師加入到其中。

基金項(xiàng)目：1.武漢城市學(xué)院文件，城院教[2024]21號，2024CYYBJY013；2.武漢城市學(xué)院文件，城院科技［2021］7號，2021年度湖北省教育廳科研計(jì)劃指導(dǎo)項(xiàng)目，編號：B2021415。

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