基于虚实结合的“三混合”教学模式在机电一体化类课程中的应用案例

摘要：近日来，我国再次强调了职业教育的重要性和不可替代性，旨在继续推动职业教育的发展。机械制造与自动化专业要求学生能够将机械这种传统领域的知识与电气领域技能联系起来，需要学习机电一体化类综合课程。采用传统教学方法教授这些课程时，经常会出现学生学习时难以理解、不够直观、存在安全隐患等问题，那么将虚实结合技术引入课堂就可以改善以上问题。构造出虚拟和实操界面同步动作，在虚拟中完成机械搭建和电气线路的连接，用虚拟仿真来指导实操学习，提高了老师教学效率，同时促进了学生对知识的直观理解。本文以《自动化设备与生产线》课程中分拣站单元的教学为例，说明虚拟仿真技术在该部分内容中的实施过程。

关键词：虚实结合技术;机电一体化;教学应用

前言

在2021年4月13日，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平近日对职业教育工作做出重要指示强调，在全面建设社会主义现代化国家新征程中，职业教育前途广阔、大有可为。职业教育是培养技术技能人才、促进就业创业创新、推动中国制造和服务水平的重要基础[1]。改革开放40多年来，我国已经建成世界规模最大的职业教育体系，职业教育实现历史性跨越[2]。职业教育肩负着培养多样化人才、传承技术技能等职责。就机械制造大类专业来说，人才培养目标要求学生既掌握机械传统领域的课程，又要求学生具备电气自动化领域的基础知识[3]。因此，在人才培养方案中增加了一些机电一体化类的课程，例如《PLC编程技术》、《机电设备的安装与调试》和《自动化设备与生产线》等课程。作为机械制造专业的职业技术教育中教学的重点，这些课程的主要教授形式为实训教学，实训教学就是要通过模拟实际工作环境[4，5]。

就《自动化设备与生产线》课程为例，该课程根据高职高专教育对人才需求的知识、能力和素质结构的要求，以工程应用能力为培养目标。以自动化生产线为主线，综合介绍了生产线各个站的安装与调试、站与站之间的通信等内容，具有很强的实践性和综合性。其中包括电路的基本概念和定律、常用电子元器件的功能、电路图的识读、气动元件、气动回路的连接、PLC控制程序的编写和电气线路的典型故障排除等内容。在气动回路、变频器和调试运行程序中都设置了虚实结合的教学环节。遵循“以学生为中心”理念，结合班级学情特点和自动化生产线岗位工作过程，通过超星等组织课前课中和课后活动，对本单元重难点内容实施线上线下混合、理论和实践混合、仿真和实操混合的“三混合”教学模式。以分拣站整运行调试为示例：

1 “线上、线下混合”，充分利用教学资源，提高学习效率

课前通过超星平台发布分拣站的仿真动画视频，要求学生完成预习作业，熟悉分拣站各组成部分的动作顺序，并以此为依据，上传分拣站的控制要求的课前作业;课中为了检验和交流学生的预习情况，安排分组讨论，编制分拣站的工作流程的控制要求，绘制分拣站PLC电气控制流程图，根据流程图，完成分拣站的PLC控制程序设计，与变频器和旋转编码器通讯，并分配I/O端口和辅助继电器地址，这是能够正确编写程序的前提，再结合教学内容重难点进行讲解，采用任务驱动式教学方法实现在“做中学，做中教”强化理论联系实际;课后发布课后拓展作业，巩固和提升相关知识点。通过超星等组织课前课中和课后活动，在西门子中心实训室开展气动理论讲授和实践认知活动。在教学实施过程中突出学生主体地位，灵活运用小组教学、任务驱动、问题引导、讨论、情景教学等方法组织教学，积极引导学生实施小组讨论、分组模拟等，通过互动方式激发学生学习兴趣，培养沟通合作能力，利用网络平台培养自主学习能力，充分利用资源和时间，提高了教学和学习效率。

2 “理论和实践混合”，任务教学法培养思维与工匠精神

职业学院的学生普遍有着较强的动手能力，通过实践能够快速掌握分拣工作站运行的实操练习。但是，对于理论知识的理解相对差一些。本次课中涉及到一部分编程控制，例如频器与PLC的通信方式、分拣控制的编写，以及西门子MM420变频器的使用、参数设置以及确定旋转编码器脉冲数进行定位，是学生学习分拣站的重点，同时也是难点。

分拣单元综合了本生产线上全部传感器的使用，需要全面复习前节课内容，在学习通网络课程平台上传前面讲授的变频器和旋转编码器的课程资料，为分拣站PLC控制流程图设计的学习做准备。总结学生线上作业完成情况，在上交的作业中挑选出控制要求书写正确和出现典型错误的作业，在课堂上打开学习通网络课程平台的作业界面，逐条向学生展示出典型错误。目的是引导学生独立思考，解决问题，明确分拣站各部分功能的具体实施过程，为PLC程序的设计提供依据。绘制控制流程图后使用Portal V15.0软件进行分拣站的控制梯形图设计，将流程图转化成梯形图。分小组整站运行实操练习，教师根据学生在运行中遇到的问题针对性讲解。针对学生学习情况，结合教学内容重难点，灵活运用口诀，进行讲解和小组实操演练，强化理论联系实际。理论结合实践，培养学生独立思考的能力，梳理梯形图，反复思考是否合理，是否符合控制要求的说法。引导学生出现故障的原因，从硬件安装、调试的角度和软件程序编写角度出发。

3“仿真和实操混合”，促进技能的掌握，提升学生自我效能感

在教师的指导下，学生自主搭建数字孪生系统，基于NX数字孪生仿真系统，连接虚拟电路后实现了虚实同步，对照仿真界面，调试程序，并逐渐完善程序。调试变频器的输出频率和旋转编码器发出的脉冲数。学生分小组实操练习，将程序编译下载到PLC模块中，并按下动作按钮，观察工作站各部分是否按照预设动作执行。教师根据学生在运行中遇到的问题针对性讲解，引导学生使用NX虚拟仿软件，结合实物模型展示，增强对程序设计和元件顺序动作的直观体验，活跃直播课堂气氛，解决教学重点，通过小组分工合作，结合整站运行实操，突破教学难点。理论结合实践，排除故障，调试成功后，学生整理遇到的问题和解决方法，记录到故障手册。学生在学习过程中借助自己搭建的平台，提升了学生的自我效能感和自豪感。

4 总结

职业教育是国民教育体系和人力资源开发的重要组成部分，是广大青年打开通往成功成才大门的重要途径，肩负着培养多样化人才、传承技术技能、促进就业创业的重要职责，必须高度重视、加快发展。本文以《自动化设备与生产线》课程中分拣单元为例，说明了虚实结合技术在教学中的重要作用，实施线上线下虚實结合、理论和实践的虚实结合、仿真和实操的虚实结合，从以上三个角度探讨了虚实结合的多方位应用。先通过线上学习让学生对本单元的学习目标进行完整的观察，认知对接企业、岗位、1+X证书、新技术和新规范等等，引导激发学生对学习的兴趣。通过理论学习和实践操，完成老师所布置的任务。通过成果评价促进学生成果优化，与知识巩固。通过素质拓展达到教学升华，思政素质的融入，打造善思考、懂业务、能操作、会运用的高素质机电技能人才。

参考文献：

[1]朱国仁. 以高质量教育体系助力高质量发展[N]. 学习时报，2021-07-16（006）.

[2]花永剑.基于1+X证书制度的高职“三教”改革实施路径研究[J].江苏商论，2021，{4}（07）：120-123.

[3]吴芬.“虚实结合”工业机器人设备在高职教育中的应用——以机电一体化技术专业人才培养为例[J].无线互联科技，2019，16（15）：69-71.

[4]张伟雄，成玲，张文福.虚拟仿真技术在机械拆装教学中的应用[J].机电信息，2020（30）：130-131.

[5]芈天.基于虚拟仿真技术的机械制造在线课程教学研究[J].工业技术与职业教育，2020，18（03）：48-51.

作者简介：赵朝夕，女，1990年生，博士，讲师，主要从事电火花成形加工的研究。

广州番禺职业技术学院校级科研项目“大型精密电火花成形加工机床的热态特性研究”（2021KJ23）;广州番禺职业技术学院教育教学改革项目“机械制造专业虚拟仿真技术的应用教学研究”（2021JG42）。