基于专创融合的“木材加工自动化”教学设计与实践

张国梁，黄秋娴，邢义虎

（1.河北农业大学林学院 河北 保定 071000；2.河北农业大学智慧木匠创新工作室 河北 保定 071000）

党的二十大报告指出，创新是第一动力，要加快实施创新驱动发展战略，要坚持面向世界科技前沿，以国家战略需求为导向，积聚力量进行原创性引领性科技攻关，这离不开具有创新思维和创新能力的人才支撑。在当今的VUCA（volatile,uncertain,complex,ambiguous）时代，面对不确定性，高校如何在专业课的教学中培养学生的创新思维和能力是一个不断探索和实践的过程[1-3]。为深入贯彻《国务院关于推动创新创业高质量发展打造“双创”升级版的意见》（国发〔2018〕32 号），各高校需根据不同学科专业的特色和优势，深入研究不同专业的育人目标，聚焦新技术、新成果中的创新脉络和典型技术，充分挖掘提炼专业知识蕴含的创新创业思维元素，将其有机融入专业课程，开展专创融合课程建设，引导学生运用创新创业思维剖析案例、研发项目，进一步提升学生解决实际问题的能力[4-7]。本文以河北农业大学“木材加工自动化”课程为例，介绍专创融合的建设思路和实践过程，旨在为更好地开展专创融合课程建设提供借鉴。

1 课程简介

“木材加工自动化”是木材科学与工程专业的一门专业课。以现代木材加工的先进制造和智能制造技术为研究对象，主要学习木材和家具的自动化/智能化生产技术，包括木材加工机床的电机控制基础、继电器/接触器控制模式、PLC/触摸屏控制方式、数控编程与加工、定制家具的智能制造等知识，具有综合性、实践性、设计性强的特点。通过本课程的学习，学生将能够获得现代木材加工的先进制造基本理论和技术，树立正确的现代生产和制造思维，为从事木材科学与工程专业的工程技术工作和科学研究打下基础。

1.1 层次化教学目标

基于布鲁姆教育目标分类法，将“木材加工自动化”的课程教学目标解构为六个层次，如图1 所示。

图1 “木材加工自动化”层次化教学目标

从“知道”到“综合/创造”，学生学完课程后应该达到的要求逐级递进，逐步提高，有助于对课程的总体把握，并根据自己的学情设定学习目标的“天花板”。教师也可以更加有针对性地逐级引导学生掌握课程的理论知识和实践技能，并与其他课程进行有效的连接，综合运行多学科知识和项目式方法开展课程教学[8-9]。

1.2 专创融合知识点

以章节设置为主线，结合创新创业的思维模型和项目设置，凝练出“木材加工自动化”专创融合教学的知识点，并在其中列出了对应的创新创业元素和教学载体，部分知识点见表1。

表1 木材加工自动化课程部分专创融合知识点

2 教学实施的总体路线

以“机床电气控制常用基本电路”部分内容为例，采用四轴协同课程设计法（课程知识轴、教学情境轴、样本调研轴、实践项目轴）和五步实践教学法（创建情境、协作探讨、知识建构、应用验证、反思内化），总体教学设计如图2 和图3 所示（p121），二者相辅相成。

图2 “机床电气控制常用基本电路”的四轴协同课程设计法

图3 “机床电气控制常用基本电路”的五步实践教学法

3 教学实施流程

以“机床电气控制常用基本电路”为例，对教学实施的流程加以详细说明。

3.1 创建情境

通过将典型的电机控制电路与木材加工所用具体机床相联系（图4 所示），引导学生构建电动机控制的学习情境，并追问如下问题：纵剖锯的压辊升降所用三相交流异步电动机是如何实现供电和电气控制的？

图4 机床电机控制典型方法与应用案例

让学生带着问题开始本节课的内容，采用的教学工具是：书写式头脑风暴和思维导图。在学生的小组合作探讨后，以思维导图的方式完成对该问题的理解，图5 为学习通主题讨论的部分情境。

图5 学习通主题讨论1

3.2 协作探讨

以三相交流异步电动机的控制电路分析为例，描述学生分组协作探讨的具体操作方法。

首先设计实践项目设计流程，在电机控制的逐级递进中将相关的知识点融入其中，如图6 所示。

图6 三相交流异步电动机的控制电路的实践项目设计流程

实施过程中，采用案例分析、学习通主题讨论等方法，按照流程由简单到复杂逐级进行，并将中间继电器、交流接触器、空气开关、熔断器等电气元件实物作为教具，让学生组内传看、观察，并查阅资料回答如下问题。在此之前，要求学生课前预习线上知识模块。

问题1：中间继电器的工作原理？

问题2：中间继电器控制交流接触器怎么做？

问题3：你拿到手的中继器和接触器的型号是什么？各是多大电压供电？

问题4：三相交流异步电动机正反转控制的原理是什么？

然后，对基本电路设计与分析，通过案例式不断深化练习。学生在学习通中参与主题讨论情境如图7 所示。

图7 学习通主题讨论2

3.3 知识建构

通过对电动机不同控制方法的阶段性总结进行知识的建构。采用“Me-We-Us”教学方法，学习小组以思维导图的方式对电机不同的控制方法，主电路、控制电路的设计方法与绘图技术做阶段性总结。

3.4 应用验证

针对具体木材加工中驱动电机的自动控制项目开展研究实践，引导学习小组通力合作，从工艺分析、总体控制逻辑、机电联系单、电气元件选型、图纸绘制到仿真分析逐步进行，合作共创。以人造板材生产中多层贴面热压机自动上下料控制技术研究为例，学生应用四轴协同方法进行项目的研究和知识的应用验证，成果如图8 所示。

图8 基于四轴协同方法的应用验证

3.5 反思内化

反思内化阶段重点进行电动机控制逻辑检测与技术完善。针对各自小组的实践项目，首先对使用到的普通电机的控制方法，步进电机，伺服电机的常用控制技术等知识体系进行知识的梳理和复盘，然后对控制逻辑进行详细检测，进一步完善控制技术。

3.6 拓展与引申

引导学习小组对各自的实践项目深入分析，考虑传统技术的升级改造。此处，设置如下问题加以引导：

问题1：如何将传统的继电器―接触器控制改为PLC控制？应该怎么做？主要的设计点是什么？

问题2：选用哪种PLC？

问题3：哪些元器件可以去掉？哪些元器件的类型需要更换，换成哪种类型？

随后，要求学习小组以所选用的PLC 为核心，绘制电路图，并尝试设计梯形图程序。

4 教学效果

专创融合教学设计与实施有效提高了课程的两性一度，切实锻炼了学生团结协作、即时学习、钻研进取的品格和精神。对教学团队来讲，专创融合式教学也是一次洗礼和提升，从教学目标设计到课程内容重构，再到教学过程实施，都是全新的体验。教学项目的实施激发了学生对更高层次数控技术乃至先进制造技术的学习兴趣，也使其更加勇于接受高难度任务的挑战。

2022―2023 学年第一学期授课后对河北农业大学2019 级木材科学与工程专业的选课同学进行了问卷调查（匿名），学生总体反馈为：结合线上线下、以创新创业思维为底层逻辑的教学方式获得了普遍欢迎，不但增加了趣味性，而且重点突出，增加了挑战度。在每一个研究项目的解决过程中，学生渐渐对“先行动，后学习”、利用已有资源与人共创的学习方式有了深入的理解和认可。调查问卷及其词云分析如图9 所示。

图9 最近一学期的授课调查问卷结果

从已经进行的专创融合教学实施过程和取得的成效看，“木材加工自动化”比较有效地支撑了教学目标的达成。但调查问卷也显示，还有少部分同学觉得课程相对偏难。专创融合教学是落实OBE 理念的重要手段，必然要求课程的高阶性、创新性和挑战度。如此一来，学生感受到课程带来的学习动力的同时，也切身体会到课程学习的压力和难度，这种现状应该说是正常的。这就要求课程组对教学方法和教学设计进行持续的提升和改进，更加要求课程组不断学习新的教育教学理念和技术方法，理论与实践相结合，并坚持开放式授课，勇于接受正反两方面的意见和建议，高标准推进课程建设。

5 结语

“木材加工自动化”具有很强的实践性和与行业技术的紧密联系性，而在信息时代，技术的进步飞速发展，课程内容往往滞后于行业技术。要求学生掌握全部的当下技术是不现实的，“授人以鱼不如授人以渔”，因此培养学生“先行动、后学习”的创业思维，并在项目实践中培养创新思维和能力才是可取之路。专创融合是以“专”为主，辅之以“创”，立足于专业知识和技能的培养，比较好地契合了课程教学需要，并且是可以推广到几乎所有专业课的教学方法，对于提升人才培养质量具有重要作用。在教育教学数字化持续推进的时代，海量的数据和信息获取将更为便捷，信息技术和人工智能等技术的应用必然导致既有的若干工作岗位的流失，唯有保持创新创业意识、提升创新创业能力并与所在行业和专业进行深度融合才能在风云变幻的社会和科技浪潮中勇立潮头。