江玉才,徐巧玲
(六安职业技术学院,安徽 六安 237158)
为进一步探索机电一体化技术专业教学改革,学校组建了机电一体化技术专业“胡格教学模式”实验班(以下简称实验班),采用基于德国职业教育专家托马斯·胡格提出“能力模型+课程大纲+方法大纲”三位一体的课程和教学模式,即胡格教学模式[1]。“胡格教学模式”的要素特点是:理论依据的精髓在于行动导向;操作程序是打造鲜活的教学组织形式和教学方法;实现条件则需要师生互动、团队的建设与合作以及硬件的保障等;教学评价是通过课程考核与职业行动能力测评进行[2]。因此,从学生的学习成果导向出发,需要做好硬件保障工作。
为了创设集教学做一体,且满足专业技术综合应用能力培养的实训教学环境,同时实现体验式学习和陪伴式教学的运行目标[3]。在对机电一体化技术专业课程教学内容梳理、解析后,明确教学目标,通过逆向开发设计机电实训装置(以下简称装置),即分拣机系统,作为正向组织开展胡格模式教学的实践载体。
分拣机系统是工业生产中常见的机电一体化设备,控制方法与组成形式多样,从专业教学内容实际出发,解构并重新设计产品。产品的组成及使用,要有机融入机械制图与CAD、传感器与自动检测技术、数控机床编程与操作、可编程序控制器技术、液压与气动技术、组态软件技术、变频与调速技术、电机及电气控制等专业课程内容。学生以小组为单位(两人一组),辅以教师的陪伴式教学,可以通过对分拣机系统的设计、加工(分拣零件的加工)、组装、编程、调试等一系列教学过程,完成最终学习成果——分拣机系统设计与应用。
为体现工厂实际操作的要求,拉近与机电类相关岗位的距离,本分拣机系统控制侧设备放置在电气柜中,装置侧在工作台上,两者通过电气端子排(航空插头)连接。电气柜按照工厂常用电气柜进行设计,学生可根据控制要求,自主选择低压电器,完成电气接线。工作台上的各部件按照控制任务的要求不同,可进行自由布置、灵活拆装。
分拣机系统以三菱FX3U-48MTPLC作为控制核心,接入FX3U-3A-ADP模拟量输入输出适配器。整个系统主要分为工作台上的装置侧与电气柜中的电气控制侧。其中装置侧的主要结构有:铝合金型材工作台、搬运机构装置、分拣机构装置、供料机构装置、人机界面等。具体细节组成与实物结构如图1和图2所示。
图1 自动分拣系统整体结构示意图
图2 自动分拣系统实物图
电气柜规格尺寸(长×宽×高)约为800 mm×600 mm×1600 mm。内部装有镀锌板制作的网孔板,网孔板间距采用科学合理的布局和尺寸,分拣系统相关的电气设备如:PLC、变频器、伺服驱动器、接触器、开关电源、低压断路器等布置在网孔板上。为方便所有电气元件的拆装,电气控制柜配有接线端子排和多芯航空插座,可以实现电气控制柜和工作台装置间的快速电气连接。
系统启动运行后,分拣机系统通过分拣机构顶料气缸、退料气缸的动作配合,推出工件到传感带滚筒上,待工件被光电传感器检测到位后,电机运行,驱动传感带把工件带往检测区。经检测区的光纤传感器、霍尔传感器、电容传感器等多种传感器检测判断,按照工艺要求,工件运行至指定滑槽位置,推料气缸把不同类型的工件推向相应的滑槽。然后机械手在伺服电机、步进电机和直线气缸作用下,分别可实现x、y、z三个方向的运动定位,把滑槽中的不同零件送到不同料仓中。其整机工作参考框图如图3所示。
图3 系统整体运行流程框图
装置经过多轮教学使用,取得了良好的使用效果。强化了学生对课程理论知识的理解,提升了学生的实践技能水平,通过灵活组合变动、培养了学生专业知识的综合运用能力。该装置在的特点及应用情况总结如下:
装置的设计开发,从机电一体化技术专业的专业课程出发,融机、电、气为一体,突出对专业课程知识的综合运用。装置应用时所包含的工作任务与课程(知识)对应关系如表1所示。
表1 工作任务与课程(知识)对应情况表
通过每个工作任务的逐步推进实施,分拣机系统也逐步搭建完成。此外,为了满足学生个性化、多样化的学习需求[4]。在整体的结构设计上,预留多处相应的位置(部件),丰富控制要求,如:在分拣区搭建多级门型架预留孔位安装不同类型传感器、机械手夹具可换接气动手指和气动吸盘、供料机构预装多个满足不同尺寸工件推料动作的笔形气缸等。此外,在工作任务设置上还增加了拓展部分,引入了工业机器人、智能视觉识别等新技术、新工艺,推进专业教学紧贴技术进步。
传统的单一课程配套的实训室装置,往往只围绕该门课程的知识点展开相应的技能训练,存在“单打独斗”“只知其一”的状况[5]。该装置基于成果导向,采用工作任务驱动,让学生通过一个个任务的解决,和前后课程内容的衔接、融汇,最终完成整个分拣系统。在此过程中,每个人都是参与者,更是专业课程知识的综合运用者,全面提升学生的创新思维和创造能力、实践能力、解决复杂问题等综合能力[6]。
装置的应用过程中,按照从简单到复杂,层层推进完成分拣机系统的各部分。学生针对明确的学习任务目标,采用小组合作(两人一组),自主分析,自主解决问题的方式极大地提高学习的积极性和主动性。同时,采取陪伴式教学,让教师与学生应成为课堂上合作的探索者、平等的对话者,学生与学生成为协同的学习者[7]。大家围绕同一目标,各司其职,相互协作,通过每一个学习成果的达成(即工作任务的完成),最终汇集组合成整个分拣机系统。
通过装置在教学中的实际应用,课堂气氛变得更加活跃,学生对相关专业知识点的理解、掌握更加透彻,实践技能操作更加娴熟,取得了良好的教学成效。实验班学生平均成绩较普通班高24%,在学校组织的校级“自动线安装与调试”技能竞赛中,前5名中均是实验班学生。尽管在软硬件方面,装置已经做出了很多的优化和改进,尽可能真实反映工厂的岗位实际。但与企业生产还是有较大的差距,下一步在教学中应用好装置的同时,还须尝试引入企业简单的研发或技改项目,让学生利用装置,在掌握一定专业知识的前提下,以小组为单位,完成相应项目或项目中的部分内容,锤炼学生的实际知识应用能力,继续提高教育教学质量。