林秉敬

摘要：為了解決《工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用》這門氣動(dòng)自動(dòng)化控制技術(shù)課程在培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)性、創(chuàng)造性以及解決工程問題能力等方面的不足，本文對該課程的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行研究。通過將課程內(nèi)容與實(shí)際工程問題緊密相結(jié)合的方式，建立適用于該課程的真正意義上的以工程問題為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)知識(shí)的理解，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提升學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：工程問題;教學(xué)模式;氣動(dòng)自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2019）21-0194-03

一、前言

當(dāng)前，我國制造業(yè)正經(jīng)歷著從量變到質(zhì)變的智能化過程。2018年的《政府工作報(bào)告》提出，加快推進(jìn)實(shí)施“中國制造2025”戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)升級。智能生產(chǎn)方式將導(dǎo)致大量低技術(shù)含量崗位的消失。與此同時(shí)，基于智能制造的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等新崗位應(yīng)運(yùn)而生，正在形成巨大的人才需求缺口。

實(shí)現(xiàn)智能制造生產(chǎn)模式的一大條件是，生產(chǎn)設(shè)備必須達(dá)到高度的自動(dòng)化。由于壓縮空氣具有清潔、安全等優(yōu)點(diǎn)，自動(dòng)化設(shè)備大量采用氣動(dòng)元器件作為控制或執(zhí)行元件。因此，機(jī)械自動(dòng)化類人才必須熟悉與掌握氣動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。然而，目前大部分院校機(jī)械類專業(yè)主要開設(shè)的是以“液壓與氣壓傳動(dòng)”為主的課程，針對氣動(dòng)自動(dòng)化控制技術(shù)而專門開設(shè)的課程很少[1-5]?！耙簤号c氣壓傳動(dòng)”課程主要講授液壓與氣壓傳動(dòng)的基本原理以及相關(guān)元器件的工作原理，較少涉及氣動(dòng)、電氣氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了讓機(jī)械類學(xué)生能夠掌握氣動(dòng)自動(dòng)化控制技術(shù)，應(yīng)對工廠對機(jī)械自動(dòng)化類人才的需要，廈門理工學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)設(shè)置了《工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用》這一專業(yè)課程。該課程主要講授氣動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的基本理論知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)，旨在讓學(xué)生了解氣動(dòng)自動(dòng)化這門綜合技術(shù)在工廠自動(dòng)化設(shè)備上的應(yīng)用，并掌握現(xiàn)代氣動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2016年，我國正式加入國際工程教育互認(rèn)組織《華盛頓協(xié)議》，標(biāo)志著我國更加側(cè)重培養(yǎng)工程類專業(yè)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用理論知識(shí)的能力，特別是分析和解決工程問題的能力[6]。本文將結(jié)合如何培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力，對《工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用》這門氣動(dòng)自動(dòng)化控制技術(shù)課程的教學(xué)模式進(jìn)行探索與研究。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，《工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用》這門課程以課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式展開。授課過程中，存在如下兩大不足。

1.課堂理論教學(xué)內(nèi)容較抽象，學(xué)生理解困難，不易掌握。該課程教學(xué)內(nèi)容涉及大量氣動(dòng)元器件的工作原理以及氣動(dòng)、電氣氣動(dòng)控制回路的設(shè)計(jì)。由于元器件工作原理較復(fù)雜，且氣動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)過程中須考慮閥門切換、氣流走向、邏輯運(yùn)算、障礙信號(hào)、信號(hào)傳遞等諸多問題，這就對學(xué)生的抽象與邏輯思維能力提出較高的要求。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往無法理解信號(hào)的傳遞路徑，以及在傳遞過程中如何使元器件產(chǎn)生各種符合設(shè)計(jì)需要的動(dòng)作順序。這會(huì)使學(xué)生容易產(chǎn)生挫敗感，不利于激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣與積極性。

2.實(shí)驗(yàn)屬驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏創(chuàng)造性。目前，課程實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)各種氣動(dòng)元器件，了解它們的特點(diǎn)與應(yīng)用。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過程中，主要按照教師給定的控制回路圖，按順序擺放元器件，通過管路將它們連接起來。由于方案是既有的，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不需要深入思考，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性。

為了彌補(bǔ)上述教學(xué)模式的不足，筆者通過豐富與優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)用虛擬仿真軟件，并與工程問題進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的方式，研究基于工程問題的課程教學(xué)模式。

三、理論教學(xué)模式研究

理論教學(xué)處于整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中的首要位置，對構(gòu)建學(xué)生的理論知識(shí)體系發(fā)揮著重要的作用。理論教學(xué)過程應(yīng)深入淺出，并注重理論教學(xué)內(nèi)容的趣味性與實(shí)用性，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性。

（一）理論教學(xué)內(nèi)容的豐富與優(yōu)化

《工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用》這門氣動(dòng)自動(dòng)化控制技術(shù)課程的理論教學(xué)內(nèi)容包含大量常用氣動(dòng)、電氣、傳感器元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、工作特性和功用。這部分內(nèi)容若一一詳細(xì)介紹，不僅難以記憶，且枯燥無味。因此，這部分內(nèi)容的教學(xué)，應(yīng)從實(shí)用性角度出發(fā)，注重元器件的功用，不必過分追求工作原理。此外，此部分內(nèi)容的教學(xué)還應(yīng)結(jié)合圖片、動(dòng)畫與實(shí)物來開展。通過授課過程中播放相關(guān)圖片與動(dòng)畫，使課堂更加立體生動(dòng)，充滿畫面感，有效吸引學(xué)生的注意力，同時(shí)幫助學(xué)生理解與吸收理論知識(shí)。有條件的情況，將實(shí)物帶至課堂，讓學(xué)生親眼見到甚至觸摸到這些實(shí)物，能極大增強(qiáng)對這些元器件的整體感知，加深印象，提升課堂的趣味性。

此外，理論教學(xué)還應(yīng)根據(jù)當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的最新狀況或熱點(diǎn)，如“工業(yè)4.0”、“中國制造2025”，為學(xué)生補(bǔ)充一些與新技術(shù)與新應(yīng)用相關(guān)的知識(shí)，如“大數(shù)據(jù)”、“物聯(lián)網(wǎng)”、“人工智能”等，從而開拓學(xué)生的眼界與知識(shí)面，使學(xué)生更好地認(rèn)清氣動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的未來發(fā)展方向。

（二）虛擬仿真軟件的應(yīng)用

本門課程理論教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于氣動(dòng)、電氣氣動(dòng)控制回路的設(shè)計(jì)。此部分內(nèi)容對學(xué)生的抽象思維與邏輯思維能力有較高的要求。理論授課過程中，通過使用虛擬仿真軟件FluidSIM、AMESim等，搭建授課內(nèi)容中的每個(gè)控制回路，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，向?qū)W生展示控制回路的工作原理。這種方法能讓學(xué)生直觀看到控制回路中信號(hào)的傳遞與元器件的動(dòng)作過程，幫助學(xué)生理解回路中的閥門切換、氣流走向、邏輯運(yùn)算、障礙信號(hào)、信號(hào)傳遞等諸多問題，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（三）基于工程問題的理論教學(xué)方法

由于學(xué)生普遍缺乏現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，單純的理論講解是無法讓學(xué)生體會(huì)到課程所授知識(shí)的應(yīng)用點(diǎn)與實(shí)用性的。因此，為了讓學(xué)生做到學(xué)以致用，應(yīng)在理論教學(xué)過程中注重理論知識(shí)與工程實(shí)際的結(jié)合，用企業(yè)工程實(shí)例引入理論內(nèi)容，使課程講授更具實(shí)用性。例如，可通過講解自動(dòng)化生產(chǎn)線中的分揀機(jī)構(gòu)，來闡述繼電器、傳感器、電磁閥等元器件在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，以及如何設(shè)計(jì)多氣缸協(xié)同工作的電氣氣動(dòng)控制回路。待講授完工程實(shí)例后，再向?qū)W生提出一些工程問題，讓學(xué)生思考可能的解決方案，之后根據(jù)學(xué)生提供的方案使用虛擬仿真軟件進(jìn)行現(xiàn)場仿真驗(yàn)證。最后，根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合工程問題對學(xué)生方案的可行性進(jìn)行點(diǎn)評與總結(jié)。通過這種一邊講解工程案例一邊教授理論知識(shí)再提出讓學(xué)生解決的工程問題，最后進(jìn)行驗(yàn)證與點(diǎn)評總結(jié)的理論教學(xué)模式，可充分體現(xiàn)理論知識(shí)的實(shí)用性，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使他們能主動(dòng)參與到學(xué)習(xí)中，并做到觸類旁通和舉一反三。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

實(shí)驗(yàn)教學(xué)用于幫助學(xué)生鞏固和掌握理論知識(shí)，并學(xué)會(huì)在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用這些知識(shí)。它對培養(yǎng)學(xué)生分析與解決工程問題，提升工程實(shí)踐能力，有著至關(guān)重要的作用。

（一）基于工程問題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

目前，《工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用》這門氣動(dòng)自動(dòng)化控制技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)屬驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只是按照教師指導(dǎo)的步驟進(jìn)行操作，創(chuàng)造性受到極大限制，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主思考能力。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，應(yīng)引入工程問題，讓學(xué)生針對問題進(jìn)行氣動(dòng)、電氣氣動(dòng)控制回路的方案設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證和實(shí)物驗(yàn)證，從而培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力，激發(fā)創(chuàng)新力。

基于工程問題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是指，教師將實(shí)際工程問題布置給學(xué)生，讓學(xué)生以小組為單位通過自主思考與探討、查閱資料以及教師的適當(dāng)引導(dǎo)從而解決這個(gè)問題。以工程問題為主線，以學(xué)生為主體和以教師為引導(dǎo)，是它的最顯著特點(diǎn)。

（二）基于工程問題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施方案

基于工程問題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，實(shí)施的首要條件是收集整理難易適中的工程問題。這需要授課教師大量走訪相關(guān)企業(yè)，并從走訪企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)或改造的需求中，提煉出符合氣動(dòng)自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)的工程問題。掌握一定量的工程問題后，便可按如下方式實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.分組確定工程問題：將授課班級劃分為幾個(gè)小組，每個(gè)小組選出一個(gè)小組長，而后將實(shí)際工程問題分配給每個(gè)小組，確保分配給每個(gè)小組的工程問題不一樣。

2.方案初步制訂與修改：學(xué)生接到工程問題后，將以小組為單位，通過自主思考、自由討論，查閱相關(guān)資料和小組表決方式確定初步方案。教師待學(xué)生提出初步解決方案后，與各組學(xué)生分別討論方案的可行性，并為學(xué)生指出一些明顯的問題，并給出一些意見。

3.方案修改與仿真：學(xué)生根據(jù)教師提供的意見再次展開討論，修改初步方案，并使用虛擬仿真軟件進(jìn)行初步驗(yàn)證。

4.最終方案的確定與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：學(xué)生的方案通過仿真驗(yàn)證后，就可以在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行電氣、氣動(dòng)元器件的連接與設(shè)置。在此過程中，學(xué)生將根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際條件對方案進(jìn)行適當(dāng)修改并確定最終方案，而后進(jìn)行方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

5.點(diǎn)評與總結(jié)：教師對各小組的最終方案以及在解決方案過程中的表現(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)評并給出評價(jià)分?jǐn)?shù)。最后，教師對整個(gè)班級的表現(xiàn)情況做總結(jié)。

（三）基于工程問題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

工程問題：某一衛(wèi)浴企業(yè)需要設(shè)計(jì)一臺(tái)自動(dòng)上料機(jī)，將一節(jié)銅管從料倉中取出后放到指定位置以便后續(xù)加工。

基于工程問題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)如下：

1.分組確定工程問題：將此工程問題分配給一個(gè)小組的學(xué)生，并將現(xiàn)場人工上料的圖片或視頻播放給學(xué)生觀看，說明設(shè)計(jì)要求。

2.方案初步制訂與修改：學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)要求與現(xiàn)場情況，設(shè)計(jì)了先將銅管從料倉中頂出至某一定點(diǎn)位置，再通過抓手將在定點(diǎn)位置的銅管抓取至指點(diǎn)位置的初步方案。教師肯定了該方案的可行性，并提出添加檢測料倉儲(chǔ)料的傳感器與料倉出料到定點(diǎn)位置的定位傳感器，來保證銅管出料的可靠性。

3.方案修改與仿真：學(xué)生根據(jù)教師的意見優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)控制回路圖，并通過虛擬仿真軟件對控制回路進(jìn)行初步驗(yàn)證與完善。

4.最終方案的確定與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：學(xué)生在氣動(dòng)自動(dòng)化試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行電氣氣動(dòng)控制回路的搭建。由于試驗(yàn)臺(tái)缺少氣動(dòng)抓手，學(xué)生修改設(shè)計(jì)方案，使用普通氣缸模擬氣動(dòng)抓手的動(dòng)作，完成控制回路的調(diào)試工作，確保動(dòng)作的準(zhǔn)確性與連續(xù)性。

5.點(diǎn)評與總結(jié)：教師針對該組學(xué)生在方案解決過程中的表現(xiàn)給出評價(jià)，公布自己的設(shè)計(jì)方案，讓學(xué)生對比兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，完成最終點(diǎn)評與總結(jié)

五、結(jié)語

本文對《工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用》這門氣動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)課程的教學(xué)模式進(jìn)行研究。針對課程目前存在的理論教學(xué)內(nèi)容較抽象、不易掌握以及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏創(chuàng)造性等問題進(jìn)行教學(xué)模式改革，通過豐富與優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)用虛擬仿真軟件和引入工程問題，有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力。

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