基于混合式教学法的数控机床电气控制与PLC编程课程教学改革

摘  要：随着新冠感染疫情防控工作的常态化以及对克服不可控因素影响的需要，数控机床电气控制与PLC编程课程的教学模式有必要向线上线下混合教学法进行转变。该文在深度分析该课程教学内容以及线上和线下教学方法各自特点的基础上，分别针对理论和实践教学内容提出具体的改革方案。改革后的教学内容与混合式教学法的优点有机结合，同时引入丰富的教学素材和仿真软件辅以教学过程。实践表明，混合式教学法不仅拓展传统线下教学的时间和空间，使学生能有更多的学习自主性，还有助于有效提升学生分析和解决实际问题的能力。

关键词：数控机床；电气控制；PLC；混合教学法；案例教学法

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）24-0145-04

Abstract： With the normalization of the COVID-19's prevention and control and the need to overcome the influence of uncontrollable factors， the teaching mode of the NC Machine Tool Electrical Control and PLC Programming course needs to be transformed to the mixed online and offline teaching method. Based on the in-depth analysis of the teaching content of the course and the respective characteristics of online and offline teaching methods， specific reform plans were proposed for theoretical and practical teaching content. The reformed teaching content is organically combined with the advantages of online and offline hybrid teaching methods. At the same time， rich teaching materials and simulation software were introduced to supplement the teaching process. Practice shows that the mixed teaching method not only expands the time and space of traditional offline teaching， which enables students to have more learning autonomy， but also helps to effectively improve students' ability to analyze and solve practical problems.

Keywords： numerical control machine tool; electrical control; PLC; mixed teaching method; case-based teaching

伴随新冠感染疫情防控工作的常态化，高校教学模式逐步从传统的线下教学向线上线下相结合的混合教学模式转变。这种转变一方面有利于减少人员聚集，从而降低防控工作的压力，另一方面在引导教师积极探索和实践新型教学方法并对原有课程教学模式进行改革也有很好的驱动作用。

数控技术是一门综合计算机、自动控制与检测、机械设计与制造和电气传动等多学科知识的先进制造业基础技术。数控机床具有高精度、高效率、柔性强和智能化程度高等特点，在智能制造领域发挥着非常重要的基础作用[1]。在“中国制造2025”战略规划中也明确提出了高端数控机床和机器人这一重点领域的发展规划[2]。

数控机床电气控制与PLC编程是东莞理工学院面向自动化专业（智能制造方向）和电气工程与智能控制专业开设的一门专业选修课程。该课程的知识体系可以分为两个较为独立的部分，即电气控制和PLC编程。这两部分内容均有很强的工程背景，因此对学生的工程实践能力和综合素质的培养具有重要作用[3]。依据培养计划，在开始本课程的学习之前，学生已经修完自动控制原理、传感器与检测技术、PLC原理及应用和电工实习等专业基础和专业必修课程。因此，学生已经具备本课程所需的基础知识。特别是通过电工实习和PLC原理及应用的学习，学生已经对传统基于继电器和接触器的电气控制原理和逻辑实现具有比较好的认知，也基本掌握了PLC的基础应用知识，因此，本课程的教学内容和特点主要体现在PLC与数控机床电气控制的结合。为确保学生通过本课程的学习能够熟练掌握PLC在数控机床电气控制中的应用、软硬件组态和系统调试等工程实践能力，本课程的教学过程需要特别重视工程实际案例的引入，以此增强学生在学习过程中的沉浸度。当教学模式从线下转变为线上线下相结合的方式时，需要在对该课程知识体系和特点进行深度分析的基础上，提出具体的教学改革措施，从而保证教学效果不会因教学方式的改变而受到影响[4]。

一  课程教学改革背景

与PLC原理及应用课程主要讲授PLC基本原理、基本指令和基础编程[5]不同，数控机床电气控制与PLC编程课程将PLC的应用场景限定为数控机床中的电气控制系统。实际应用中，PLC与数控机床的结合主要有两种架构，即集成式PLC和独立式PLC。集成式将PLC系统内嵌到数控机床负责机械加工的数控（Numerical Control，NC）系统中；独立式即PLC和NC之间相互独立[6]。无论哪种架构，PLC主要负责整个机床外围系统的控制任务，如刀库系统、冷却系统和其他辅助系统等，控制方式多为逻辑控制[7]。

通过对本课程传统教学内容和方法的细致分析，以及对线上线下两种教学方式各自的特点进行深度调研，笔者认为在本课程中推行混合式教学法具有很好的可行性和积极的改革意义。具体分析内容如下。

1）按照机械加工工艺进行分类，数控机床的种类较为繁多。其主要有数控车床、铣床、钻床、镗床、磨床及车铣复合和万能铣床等类型。而受限于实验场地、实验室建设经费等各种客观因素的限制，难以在实验室配置所有种类的数控机床。因此，本课程的教学改革首先需要解决有限的实验教学资源和工程实际情形的矛盾问题。

线上教学的突出优点是具有较好的时间安排灵活性及教学资源的重复使用性。利用线上资源，学生可以根据自己对知识的掌握程度自行选择是否重复学习及学习的时长。与线上教学不同，线下教学的场所和时间安排相对固定，具有较好的师生实时互动性，教师能比较及时准确地掌握学生的学习效果。如果能将课程内容与两种教学模式的特点相结合，合理安排不同教学模式所对应的教学内容，使教学内容和教学素材能与教学模式更好地匹配，则既可以在某种程度上解决硬件资源有限的问题，又有助于学生对相关知识的掌握。

2）根据专业培养方案，本课程为2学分，共32学时。其中，理论教学20学时，实践教学12学时。为使学生在本课程学习过程中，能熟练掌握数控机床基本控制回路的工作原理，以及PLC控制程序的设计和实现，需要引入大量的工程案例进行讲解分析。而教学时长特别是实验学时相对较少且固定不可调整。因此，即使是在全部学时内均采用单纯的线下教学也会感觉时间比较紧，很多知识点可能覆盖不到。如果能在合理分配不同教学模式所对应教学内容的基础上辅以丰富的教学素材，然后将部分内容作为课后作业的补充，则相当于对教学时长进行了延长，更有利于教师对教学内容的合理把握和安排。

3）线上教学对学生学习的自主性要求更高。由于在线上教学过程中，教师与学生之间缺乏面对面交流的条件，因此，教师难以直接观察到学生的学习表现，也不能对学习态度不认真的同学及时进行指正。为了弥补这一缺点，任课教师除了积极引导学生的学习兴趣，采用线上打卡等监管方式之外，更重要的是对线上教学内容和学生学习效果能进行及时跟踪从而获得有用的反馈信息，进而相应地调整教学内容和教学进度。因此，在设计线上和线下教学内容时最好能做到两部分内容有交叉，时间有先后，并形成教学闭环，从而保证所讲授知识的完整性、衔接性和教学过程的可控性。

综合以上分析可知，相对于传统单一线下教学模式，混合式教学法具有突出的优点。但是为了将其优点更充分地发挥出来，有赖于对教学方法、课程教学内容进行深度分析和优化设计。

二  理论教学内容设计

本课程的知识体系结构图如图1所示。可以看出，电气控制部分侧重于数控机床控制的基础内容，PLC编程部分则更侧重于理论的实际应用。理论与实践的结合一直是贯穿本课程教学过程的着眼点，基于混合式教学法的理论教学内容设计的总体思路是：充分利用线上和线下两种教学模式各自的优点，对理论教学内容进行合理分配，实现教学内容与教学模式高度匹配，并借助多样化的教学素材，实现理论知识在实际应用、系统分析、效果评价及创新创造等方面的高级认知[8]。

本课程改革前的理论教学内容见表1。本课程理论教学内容主要有以下特点。

1）本部分内容主要侧重于对数控机床控制部件的硬件介绍，此类内容所需理论基础较少，完全可以在有实物对应的情况下进行自主学习，因此比较适合采用线上的方式进行教学，但前提是线上教学的素材要进行认真设计和筛选，尽可能给学生提供丰富的实物样例。

2）本部分知识内容共性较强，如典型数控机床的电气控制回路部分会介绍到钻床、镗床和磨床等三种机床的电气控制回路。对于此类教学内容，完全可以分成线下和线上两部分分开教学。其中，线下教学对较为复杂和典型的控制回路进行详细讲解，剩余部分则采用线上的方式让学生自行学习。线下教学要先于线上教学开展，这不仅可以保证学生在自行学习之前已经对该部分内容有一定基础和认识，还可以培养学生的自学能力。

本课程改革后的理论教学内容见表2。因为线下教学内容和线上教学内容有紧密的承接关系，所以仅在线上教学环节布置课后作业。这样安排一方面可以对学生的自主学习起到一定督促作用，即不完成线上学习难以完成作业；另一方面由于每个教学主题基本上都形成了“线上+线下”的教学闭环，且线下教学时间安排上先于线上教学，因此作业安排的时间节点也更加合理。

三  实践教学内容设计

实践教学是理论教学的必要补充，并且实践教学的效果直接影响到学生对该课程整体知识体系的吸收和消化程度。因此，实践教学内容的设置必须与理论教学内容紧密贴合，确保知识不脱节，从而有效帮助学生提高自己的动手和解决实际问题的能力。本课程改革前的实验教学内容见表3。与理论教学内容一致，实验安排也主要围绕电气控制和PLC控制两部分内容进行设置，前者主要为验证性实验，后者为设计性实验。

传统线下实验的优点是沉浸感强，实验结果的呈现比较直观。但是受限于实验设备台套数和课时的限制，在做实验时通常安排多人一组共同完成，因此，有些缺乏学习主动性的同学在实验过程中的参与度并不高。此外，随着仿真软件技术的不断发展，其界面友好性和真实感也不断增强，因此，很多传统线下实验完全可以通过仿真软件配合教学视频演示来让学生自行完成。基于此，本课程的实践环节经优化调整后见表4。其中，线上实验为单人完成，线下实验中除了在机床实验台的验证实验为小组完成外，其他实验也均为单人完成，最大程度地提升了学生在实践环节的参与度。

四  教学改革的特色

本课程以提升学生学习效果为目的，引入混合式教学法进行教学改革，改革后的课程具有以下特色。

1）通过对课程知识体系及其内容特点的深度分析，结合线上和线下教学各自的优点，重新设计了线上教学和线下教学具体的教学内容，使得每个知识模块均分解为“线上+线下”的教学模式，且在时间安排上，线下教学先于线上教学，有利于在形成教学闭环的同时让学生的学习能够循序渐进。