STEM理念下自动化生产线设计实践课改革与探索

温国强，赵俊英，杨 芳，关志伟

（1.天津中德应用技术大学汽车与轨道交通学院，天津 300350；2.天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室，天津 300072）

0 引言

随着“一带一路”倡议在高等教育领域的持续发力，来华留学生人数日渐增多。留学生教育提质增效，对做强留学中国品牌，培养知华友华人士至关重要［1］。机电制造类专业是我国的传统优势专业，吸引越来越多的留学生主修、深造。课程是实现价值塑造、能力培养、思维训练的主要载体，课堂是教学实施、思想碰撞、师生交流的主渠道。由于留学生存在文化差异和语言障碍，传统的以教师讲学生听、填鸭式的教学模式，效果不佳，迫切需要对留学生授课方式进行改革创新。彭建玲等［2］把“浸入式”的教学方法应用于对外汉语教学中。常建梅等［3］在工程制图课程中采用体验式教学模式。胡文华［4］开设的中国概况课采用自主学习—课堂互动—探究活动有机衔接的课程结构，并结合多学科知识的融合型教学框架。

自动化生产线设计课程是高职留学生机电一体化技术专业的核心课程，涉及传感器与检测技术、运动控制技术、PLC 程序设计、气动技术、网络通信技术等多学科内容，实践性、综合性较强。传统授课方式一般基于现有实训设备，虽然包含大量实训任务，但大多属于模仿式、简单化训练，学生的工程素养、高阶思维、自主创新能力培养不足。近些年，STEM 教育理念在我国兴起［5-10］。杨鸿武等［11］开展STEM 背景下人工智能素养框架的研究。叶荔辉［12］进行基于STEM 教育理念的PBL教学模式设计与实践研究。周平红等［13］开展面向计算思维培养的STEM工程设计教学模式及应用研究。本文也基于STEM教育理念对自动化生产线设计课程进行改革尝试。

1 STEM教育理念

STEM教育最早起源于美国，以学科交叉融合为基本特征，以培养学生工程素养和创新能力为目标。STEM 是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）4 门“元学科”的简称，注重培养学生运用多学科知识解决现实问题的思维和能力［12］。我国STEM教育起步较晚，2016 年教育部发布的《教育信息化“十三五”规划》将STEM 理念作为未来人才培养的新理念［14］。STEM 教育在我国本土的实施源自对西方教育思想的不断学习，很大程度上的受到PBL（Project Based Learning，基于项目学习）教学模式的影响，从而产生具有中国特色的STEM课程特征。

STEM理念是系统性的、终身性的教育理念，核心要素包括“学生中心”育人思想，多学科交叉融合的学习内容，体验式的学习过程，团队合作的学习方式，产生创新成果的学习结果［15］。“工程”是STEM 课程的核心要素，使其区别传统的科学教育与数学教育。“工程”起到驱动力的作用，通过工程项目将数学、科学、技术等相关知识进行融合［16］。有了工程元素，STEM课程不会走向重知识轻应用、重技术轻素养、重模仿轻创新的歧途。高职机电类专业留学生实践课引入STEM教育思想，学生在PBL 的过程中，主动建构知识，聚焦真实问题解决，其知识迁移、工程思维、科学素养、协同创新等高阶能力得到有效培养。

2 YL-335B自动化生产线系统

自动化生产线设计课程依托图1 所示生产线系统展开，主要包含输送站、供料站、装配站、加工站、分拣站5 个工作站，共64 学时。每个工作站是一个独立的控制系统，均由光电、光纤、磁性开关等传感器、PLC控制器、气缸、电动机等执行器及其他辅助机构组成。每个工作站能够独立完成生产工序，也可5 站联网构成生产线系统，完成工件的供料、装配和分拣整体任务。图2 所示为芯壳套件，芯和壳均有黑色塑料、白色塑料、金属材质3 种类型，芯壳共有9 种组合方式。

图1 YL-335B型自动化生产线系统

图2 芯壳套件

YL-335B型自动化生产线系统工作流程如下：供料站供料，将料仓中的料壳推至供料站料台；伺服电动机驱动输送站在直线导轨上移动，通过气动手抓，将料壳从供料站搬运至装配站。装配站将料芯装配到料壳中。由于料芯中间有橡胶圈，料芯不会完全落入料壳，成为半成品工件，如图2（b）所示；输送站将半成品工件搬运至加工站，加工站通过冲压气缸将料芯压入料壳；输送站将工件搬运至分拣站，分拣站根据任务要求将不同颜色组合的套件进行分拣；输送站运动到供料站，完成一次生产任务，等待下一次生产。另外，通过人机界面可设置启动、停止，并显示生产状态。

传统教学，教师依次讲解供料、加工、装配、分拣、输送5 个工作站的结构和工作流程，学生在老师的指导下完成各站的程序设计，使自动线系统正常运行。整个教学实施过程，学生模仿多创新少，缺乏主动建构知识的过程，自主学习能力培养和高阶思维训练不足。

3 STEM理念下自动化生产线设计课程PBL活动模型

基于STEM理念，构建自动化生产线课程PBL 活动模型，如图3 所示。

图3 STEM理念下自动化生产线设计课程PBL活动模型

环境层主要包括自动化生产线实验室、YL-335B自动化生产线系统、PLC控制器、各种传感器、电动机、气缸、工业机器人等硬件设备以及CNKI 数据库、Solidworks软件等。丰富的资源为开展STEM 理念的自动化生产线设计教学活动提供重要支撑。

规则层保障教学活动有序、高效推进，主要包括自动化生产线实验室规章制度、成本约束、时间约束、作品评分表、项目报告、完成项目的伦理道德约束等。

准备层是开展教学活动前的准备，包括留学生学情分析、确立教学目标、研究项目背景、确定项目任务书、搜集项目资源、制定考核评价体系等。充足的教学准备可保障教学活动的有序开展。

活动层是STEM 理念下自动化生产线课程PBL活动模型的核心，通过教师互动、学生互动、师生互动，构建师生学习共同体。教师发挥引导、协作、监督、评价的作用；学生是知识的建构者、任务的实施者、项目的管理者和结果的评价者。构建低阶、中阶、高阶三类项目。项目难度层层递进，学生能力逐步提升。项目实施过程依次为：课程导入—方案制定—项目实施—考核评价—交流改进。

目标层是课程教学设计的基本导向，贯穿于整个教学活动中，对项目的实施起引领作用。主要包括机电、控制等综合知识应用能力的培养及系统性思维、创新思维的训练。本课程的思政目标是培养留学生的知华、友华情感。

4 STEM 理念下自动化生产线分拣站设计PBL实施案例

项目的环境层、规则层、装备层、活动层、目标层已构建完毕。下面分别从情境创设、项目发布、项目实施、考核评价4 个方面，展现STEM理念下自动线分拣站设计PBL实施案例。

4.1 情境创设

分拣站设计在图3 所示的活动模型中属于高阶项目。首先，教师带领大家参观真实的自动化生产线分拣场景，学生体验、感受分拣的重要性。然后，基于霍兰德职业模型对学生进行分组。2018 级机电一体化技术霍兰德职业性向测试结果如图4 所示。

图4 2018级留学生专业霍兰德职业性向分析结果

由图4 可知，留学生现实和社会维度得分较高，研究和企业维度得分较低。表明学生喜欢与人交往，善于动手实践，但抽象思维、逻辑分析和领导力不足。分组时考虑学生职业性向特点，适当互补，以便推进任务实施。

4.2 项目发布

项目需求：自动化生产线生产出一批工件，现将其进行入库分拣，其中黑色套件（黑壳白芯、黑壳金芯）进1 号库，白色套件（白壳金芯、白壳白芯）进2 号库，其余类型入3 号库，如图5 所示。教学目标分析如表1 所示，通过项目实现多学科知识融会贯通。

图5 待分拣的套件

表1 分拣站设计教学目标分析

4.3 项目实施

本项目共计16 学时，每周4 学时，时间跨度为1个月。前4 学时主要是情境创设，任务发布和开题指导。学生根据任务需求，通过查阅资料、交流研讨初步确定方案，并进行开题展示，教师从可行性、先进性等方面进行指导、点评。中间8 学时主要是教学任务实施。学生根据任务分工，分别进行机械结构设计，电气系统设计，PLC 控制程序设计，项目管理，教师主导课程进展，并进行答疑解惑。学生设计的典型方案如表2 所示。

表2 学生设计的典型方案

由表2 可知，学生设计的分拣站方案的区别，主要体现在工件识别方法、执行机构选择两个方面。工件识别可选择光纤传感器、金属传感器两个一维传感器组合识别的方式，也可选择采用一个二维传感器摄像头的方式。执行机构可采用气缸、电动机、传送带的组合方式，或采用一个工业机器人的方式。

4.4 考核评价

学生完成方案设计后，进行答辩展示，教师对方案进行点评，并给出参考方案，如图6 所示。采用光纤传感器、金属传感器组合的方式识别工件，电动机驱动传送带将工件运送至不同的位置，再由气缸将其推入料仓，完成分拣。

图6 分拣站设计的参考方案

最终本项目成绩构成由在线成绩（15%）、学生自评（15%）、学生互评（20%）、教师评价（50%）4 部分构成。系统成绩根据学生观看教师发布的视频、微课及测试题作答情况得出；学生自评是小组内学生根据完成任务的贡献度的自我评价；学生互评是组间同学根据任务完成质量的评价；教师评价根据学生课堂表现、作品功能、质量、外观等给出。实现评价主体、评价方式、评价内容多元化。

5 改革成效

改革成效主要从学习投入、能力提升、学习体验及满意度3 个维度展开分析。

5.1 学习投入

学习投入包含课后学习时间和深度学习两个方面。通过调研，100%的同学在课后参与过项目组的研讨，并花时间完成自己的任务。80%同学课后参与组内项目研讨达4 次及以上；50%的同学与其他小组进行过交流研讨；30%的同学课后与老师互动超过2 次。结果表明，教学改革使得学生学习投入显著增加，同时促进深度学习和探究学习习惯的养成。

5.2 能力提升

完成课程后，对学生进行访谈，能力提升分为没有提升、得到提升、提升较大、提升显著4 个档次。70%的学生认为自己的信息检索能力提升显著；60%的学生认为自己跨学科知识应用能力提升较大；51%的同学认为自己解决问题的能力得到提升。可见，该教学模式能够促进学生综合能力的提升。

5.3 学习体验及满意度

通过调研，学生表示项目的完成过程伴随着压力、焦虑和迷茫，但更多的是解决问题时的愉悦和成就感，学习过程印象深刻。解决问题的方法可以迁移到其他项目。评教成绩提高5%。绝大部分同学对课程比较满意，认为STEM 理念下PBL 的教学模式，比传统课堂教学学习质量和效率更高。倾向于将该课程成果进一步优化升级，参加挑战杯竞赛、大学生科技创新等项目。

6 结语

留学生高质量的人才培养是开发国际人力资源的重要手段。基于STEM 教育理念，对自动化生产线设计课程进行教学改革创新。通过项目推进课程实施，学生在完成项目的过程中，信息检索能力、主动学习能力、跨学科知识应用能力、创新力得到有效培养。学生学习投入显著增加、多方面能力得到不同程度的提升、教学体验深刻，教学满意度总体较好。该课程的改革路径对留学生其他课程创新设计具有借鉴意义。