基于工程问题的《工业自动化应用》课程教学模式研究
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摘要：为了解决《工业自动化应用》这门气动自动化控制技术课程在培养学生主动性、创造性以及解决工程问题能力等方面的不足，本文对该课程的理论与实验教学模式进行研究。通过将课程内容与实际工程问题紧密相结合的方式，建立适用于该课程的真正意义上的以工程問题为驱动的教学模式，促进学生对所学知识的理解，从而培养学生的学习兴趣，激发学生的创新能力，提升学生解决实际工程问题的能力。
关键词：工程问题;教学模式;气动自动化
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）21-0194-03
一、前言
当前，我国制造业正经历着从量变到质变的智能化过程。2018年的《政府工作报告》提出，加快推进实施“中国制造2025”战略，实现制造业升级。智能生产方式将导致大量低技术含量岗位的消失。与此同时，基于智能制造的技术研发、产品设计等新岗位应运而生，正在形成巨大的人才需求缺口。
实现智能制造生产模式的一大条件是，生产设备必须达到高度的自动化。由于压缩空气具有清洁、安全等优点，自动化设备大量采用气动元器件作为控制或执行元件。因此，机械自动化类人才必须熟悉与掌握气动自动化控制系统的设计方法。然而，目前大部分院校机械类专业主要开设的是以“液压与气压传动”为主的课程，针对气动自动化控制技术而专门开设的课程很少[1-5]。“液压与气压传动”课程主要讲授液压与气压传动的基本原理以及相关元器件的工作原理，较少涉及气动、电气气动控制系统的设计。为了让机械类学生能够掌握气动自动化控制技术，应对工厂对机械自动化类人才的需要，厦门理工学院机械设计制造及其自动化专业设置了《工业自动化应用》这一专业课程。该课程主要讲授气动自动化技术的基本理论知识和应用知识，旨在让学生了解气动自动化这门综合技术在工厂自动化设备上的应用，并掌握现代气动自动化控制系统的设计方法。
2016年，我国正式加入国际工程教育互认组织《华盛顿协议》，标志着我国更加侧重培养工程类专业学生实际应用理论知识的能力，特别是分析和解决工程问题的能力[6]。本文将结合如何培养学生解决工程问题的能力，对《工业自动化应用》这门气动自动化控制技术课程的教学模式进行探索与研究。
二、课程教学现状分析
目前，《工业自动化应用》这门课程以课堂理论教学和实验验证相结合的方式展开。授课过程中，存在如下两大不足。
1.课堂理论教学内容较抽象，学生理解困难，不易掌握。该课程教学内容涉及大量气动元器件的工作原理以及气动、电气气动控制回路的设计。由于元器件工作原理较复杂，且气动控制回路设计过程中须考虑阀门切换、气流走向、逻辑运算、障碍信号、信号传递等诸多问题，这就对学生的抽象与逻辑思维能力提出较高的要求。学生在学习过程中往往无法理解信号的传递路径，以及在传递过程中如何使元器件产生各种符合设计需要的动作顺序。这会使学生容易产生挫败感，不利于激发他们学习的兴趣与积极性。
2.实验属验证性实验，学生学习缺乏创造性。目前，课程实验的主要任务是让学生认识各种气动元器件，了解它们的特点与应用。学生在做实验的过程中，主要按照教师给定的控制回路图，按顺序摆放元器件，通过管路将它们连接起来。由于方案是既有的，因此学生在学习过程中不需要深入思考，这不利于培养学生的创造性。
为了弥补上述教学模式的不足，笔者通过丰富与优化教学内容，应用虚拟仿真软件，并与工程问题进行有机结合的方式，研究基于工程问题的课程教学模式。
三、理论教学模式研究
理论教学处于整个教学环节中的首要位置，对构建学生的理论知识体系发挥着重要的作用。理论教学过程应深入浅出，并注重理论教学内容的趣味性与实用性，从而激发学生学习的兴趣与积极性。
（一）理论教学内容的丰富与优化
《工业自动化应用》这门气动自动化控制技术课程的理论教学内容包含大量常用气动、电气、传感器元件的结构、工作原理、工作特性和功用。这部分内容若一一详细介绍，不仅难以记忆，且枯燥无味。因此，这部分内容的教学，应从实用性角度出发，注重元器件的功用，不必过分追求工作原理。此外，此部分内容的教学还应结合图片、动画与实物来开展。通过授课过程中播放相关图片与动画，使课堂更加立体生动，充满画面感，有效吸引学生的注意力，同时帮助学生理解与吸收理论知识。有条件的情况，将实物带至课堂，让学生亲眼见到甚至触摸到这些实物，能极大增强对这些元器件的整体感知，加深印象，提升课堂的趣味性。
此外，理论教学还应根据当前工业发展的最新状况或热点，如“工业4.0”、“中国制造2025”，为学生补充一些与新技术与新应用相关的知识，如“大数据”、“物联网”、“人工智能”等，从而开拓学生的眼界与知识面，使学生更好地认清气动自动化技术的未来发展方向。
（二）虚拟仿真软件的应用
本门课程理论教学的重点与难点在于气动、电气气动控制回路的设计。此部分内容对学生的抽象思维与逻辑思维能力有较高的要求。理论授课过程中，通过使用虚拟仿真软件FluidSIM、AMESim等，搭建授课内容中的每个控制回路，进行仿真实验，向学生展示控制回路的工作原理。这种方法能让学生直观看到控制回路中信号的传递与元器件的动作过程，帮助学生理解回路中的阀门切换、气流走向、逻辑运算、障碍信号、信号传递等诸多问题，提升学生学习兴趣。
（三）基于工程问题的理论教学方法
由于学生普遍缺乏现场经验，单纯的理论讲解是无法让学生体会到课程所授知识的应用点与实用性的。因此，为了让学生做到学以致用，应在理论教学过程中注重理论知识与工程实际的结合，用企业工程实例引入理论内容，使课程讲授更具实用性。例如，可通过讲解自动化生产线中的分拣机构，来阐述继电器、传感器、电磁阀等元器件在工业领域的应用，以及如何设计多气缸协同工作的电气气动控制回路。待讲授完工程实例后，再向学生提出一些工程问题，让学生思考可能的解决方案，之后根据学生提供的方案使用虚拟仿真软件进行现场仿真验证。最后，根据仿真结果，结合工程问题对学生方案的可行性进行点评与总结。通过这种一边讲解工程案例一边教授理论知识再提出让学生解决的工程问题，最后进行验证与点评总结的理论教学模式，可充分体现理论知识的实用性，从而调动学生学习兴趣，使他们能主动参与到学习中，并做到触类旁通和举一反三。 四、实验教学模式研究
实验教学用于帮助学生巩固和掌握理论知识，并学会在生产实践中应用这些知识。它对培养学生分析与解决工程问题，提升工程实践能力，有着至关重要的作用。
（一）基于工程问题的实验教学方法
目前，《工业自动化应用》这门气动自动化控制技术课程的实验环节属验证性实验，学生只是按照教师指导的步骤进行操作，创造性受到极大限制，不利于培养学生的自主思考能力。因此，在实验教学过程中，应引入工程问题，让学生针对问题进行气动、电气气动控制回路的方案设计、仿真验证和实物验证，从而培养学生解决实际工程问题的能力，激发创新力。
基于工程问题的实验教学模式是指，教师将实际工程问题布置给学生，让学生以小组为单位通过自主思考与探讨、查阅资料以及教师的适当引导从而解决这个问题。以工程问题为主线，以学生为主体和以教师为引导，是它的最显著特点。
（二）基于工程问题的实验教学实施方案
基于工程问题的实验教学方案，实施的首要条件是收集整理难易适中的工程问题。这需要授课教师大量走访相关企业，并从走访企业的生产设备设计或改造的需求中，提炼出符合气动自动化设备设计的工程问题。掌握一定量的工程问题后，便可按如下方式实施实验教学。
1.分组确定工程问题：将授课班级划分为几个小组，每个小组选出一个小组长，而后将实际工程问题分配给每个小组，确保分配给每个小组的工程问题不一样。
2.方案初步制订与修改：学生接到工程问题后，将以小组为单位，通过自主思考、自由讨论，查阅相关资料和小组表决方式确定初步方案。教师待学生提出初步解决方案后，与各组学生分别讨论方案的可行性，并为学生指出一些明显的问题，并给出一些意见。
3.方案修改与仿真：学生根据教师提供的意见再次展开讨论，修改初步方案，并使用虚拟仿真软件进行初步验证。
4.最终方案的确定与实验验证：学生的方案通过仿真验证后，就可以在实验平台上进行电气、气动元器件的连接与设置。在此过程中，学生将根据实验平台的实际条件对方案进行适当修改并确定最终方案，而后进行方案的实验验证。
5.点评与总结：教师对各小组的最终方案以及在解决方案过程中的表现进行点评并给出评价分数。最后，教师对整个班级的表现情况做总结。
（三）基于工程问题的实验教学实例
工程问题：某一卫浴企业需要设计一台自动上料机，将一节铜管从料仓中取出后放到指定位置以便后续加工。
基于工程问题的实验教学如下：
1.分组确定工程问题：将此工程问题分配给一个小组的学生，并将现场人工上料的图片或视频播放给学生观看，说明设计要求。
2.方案初步制订与修改：学生根据设计要求与现场情况，设计了先将铜管从料仓中顶出至某一定点位置，再通过抓手将在定点位置的铜管抓取至指点位置的初步方案。教师肯定了该方案的可行性，并提出添加检测料仓储料的传感器与料仓出料到定点位置的定位传感器，来保证铜管出料的可靠性。
3.方案修改与仿真：学生根据教师的意见优化方案，设计控制回路图，并通过虚拟仿真软件对控制回路进行初步验证与完善。
4.最终方案的确定与实验验证：学生在气动自动化试验台上进行电气气动控制回路的搭建。由于试验台缺少气动抓手，学生修改设计方案，使用普通气缸模拟气动抓手的动作，完成控制回路的调试工作，确保动作的准确性与连续性。
5.点评与总结：教师针对该组学生在方案解决过程中的表现给出评价，公布自己的设计方案，让学生对比两种方案的优缺点，完成最终点评与总结
五、结语
本文对《工业自动化应用》这门气动自动控制技术课程的教学模式进行研究。针对课程目前存在的理论教学内容较抽象、不易掌握以及实验环节属于验证性实验、学生学习缺乏创造性等问题进行教学模式改革，通过丰富与优化教学内容，应用虚拟仿真软件和引入工程问题，有效提升学生学习的主动性和创造性，培养学生解决工程问题的能力。
参考文献：
[1]管建峰，胡朝斌，张敬妹.工程教育认证背景下机电类专业课“液压与气压传动”教育探索[J].教育教学论坛，2018.
[2]孟利民，王传礼，张立祥，朱家祥，尹中会，梁超，李永梅.基于工程教育认证的液压控制元件教学研究[J].中国現代教育装备，2017：30-32.
[3]沈伟，麦云飞，钱炜，黄洪磊.基于工程教育认证的液压传动课程教学改革研究[J].液压与气动，2017：73-78.
[4]孙月华，徐鹏，刘春生，刘元林.液压与气压传动实验教学的改革与实践[J].实验技术与管理，2016，（33）：123-126.
[5]孙中圣，郭钟华，滕燕.“液压与气压传动”课程教学改革探索与实践——基于“卓越工程师”培养及工程教育认证视角[J].工业和信息化教育，2017：71-73.
[6]谢胜利，李卫军，蔡述庭，章云.以复杂工程问题解决能力培养为导向的课程体系改革——以广东工业大学自动化专业为例[J].高教学刊，2017：4-9.
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