系统教学法在技工院校的研究与应用*——以“通风控制系统”课程为例

王 波 ，马桂潮 ，陈奕辉

（广东省机械技师学院，广东 广州 510450）

随着我国工业化进程的不断加快，社会对创新型、应用型和技能型人才的需求与日俱增。近年来，国家在教育改革和发展规划报告文件中明确提出要大力发展职业教育，建设知识型、技能型、创新型劳动者大军，弘扬劳模精神和工匠精神[1]。技工教育在培养技能型人才，推动我国经济发展和产业转型升级方面发挥着重要作用[2]。因此，为了更好地培养满足时代需求的高技能人才，技工教育教学改革工作迫在眉睫，需要不断探索和实践符合实际教学需求的一体化教学模式[3]。

1 系统教学法的概念

系统教学法源自德国西门子教育体系，教学过程是在系统化平台上进行，从系统化的角度，应用系统化的方法去实现教学目标的教学活动[4]。系统教学法注重学习过程中的系统性和完整性，以实际工程项目为载体，以解决实际工程问题为目标，以研究为手段，主动分析问题、解决问题，使学生创造性地掌握知识，获取经验。并且，系统教学法实施策略是在德国机电一体化领域课堂中使用最为广泛、最能培养学习者系统化行动能力的方法。

系统教学法的开展需要改变传统的教学思维，在教学过程中将复杂的系统进行细分，精心设置每个学习任务需要解决的实际工程问题，将知识点和技能点嵌入其中，引导学生进行探索，激发学生的学习潜能。在系统教学法的引导下，学生对课程知识的学习具备系统性和连续性，通过完成各细分模块的知识点和技能点的学习，确保学生能够更好地融汇复杂系统的所有知识，最终形成一个完整的闭环系统。系统教学法闭环过程如图1所示。

图1 系统教学法闭环过程示意图

可见，一个复杂的“机电一体化系统”可分为多个不同的“模块”，如模块1、模块2、模块n等。系统教学法闭环过程分为左右两个部分：1）左边的“系统分析”，主要是理论知识的学习；2）右边的“综合技能”，主要是综合技能的实践。

学生通过对每个模块的认知和学习，可初步对复杂系统有整体的了解，但往往还不够深入。此时，抽取复杂系统中的某个模块展开深入的学习，能够达成以下几点学习目标：1）掌握该模块在系统中的功能和作用；2）能够正确列出该模块的关键组成部件或器件；3）对任意关键部件或器件，能够查阅相关资料，正确叙述其型号、规格、特征参数、极限值、故障来源等；4）能够根据某一故障现象，独立完成信号流的分析和跟踪，找到故障原因，最终排除故障。

2 “通风控制系统”课程实例研究

“通风控制系统”课程是西门子教育特色课程，广东省机械技师学院通过与西门子公司展开深度的校企合作，全面引进该课程，共建实训场地，共同开发教学资源，共同培养师资。文章以该课程为例，探索并实践了系统教学法在技工院校一体化教学中的应用。学生在系统教学法的引导下展开学习，首先从宏观层面认识复杂的通风控制系统。然后，开始对复杂的通风控制系统进行模块的细分，找出各模块中包含的关键部件，分析不同部件之间的关系。学生掌握系统中每个关键部件的物理属性、特征参数等理论知识，再用所掌握的知识分析系统的能量流和信息流，进行实际测量，以查明故障位置和原因。通过完整的学习流程，学生能够确定一个部件是否损坏，能量流或信息流是否有问题，或者控制系统的硬件是否有异常。

2.1 课程内容设计

西门子教育中，“通风控制系统”属于机电一体化专业课程，涉及电子技术、传感器技术、气动与液压、PLC控制技术、机械装配等内容[5]。学生在校学习时间有限，很难做到全面掌握该课程所涉及的全部内容，因此，对课程内容进行合理的选取和整合就显得尤为重要。整个课程包括机电一体化系统分析、机械技术与应用、气动技术应用、检测技术与应用、运动控制技术与应用和PLC技术与应用六个部分的内容。在此，文章重点选取了气动技术、检测技术、运动控制技术和PLC技术这四个部分，并且每个部分的内容以系统教学法为导向，解决实际工程应用中的具体问题。当学生在实践过程中遇到理解不到位的知识点和技能点时，教师将在课堂上予以重点补充。这样不仅激发了学生的学习兴趣、积极性和自主性，还培养了学生的实际工程意识，明确了所学知识可以应用于实际工程中的哪些方面。

2.1.1 课程内容的序化结构

在进行一体化课程内容设计时，需合理选取实际工程应用中的典型问题，突破传统课程以独立知识点为主的结构模式[6-7]。在采用工作过程系统化教学模式展开教学时，需将授课内容按工作过程系统化模式进行重新构建和整合[8]。文章对“通风控制系统”课程知识点和技能点进行了结构化设计，对关联度较高的知识点和技能点进行了划分、集成和凝练，形成关键知识点和技能点，最后融合形成“通风控制系统”课程体系。一体化课程序化结构设计如下。

1）气动技术应用，主要知识点和技能点：气压传动常用元件、气压传动典型回路、机械手气动控制。

2）检测技术与应用，主要知识点和技能点：常用传感器及其分类、接近开关原理与特性、光栅与电子编码器。

3）运动控制技术与应用，主要知识点和技能点：步进电机结构原理、伺服电机结构原理、驱动器硬件连接、驱动器参数设定。

4）PLC技术与应用，主要知识点和技能点：PLC结构与原理、PLC控制系统设计、PLC程序编写与调试。

本课程内容采取序化结构设计，以实际工程问题为导向，强调学生对知识、经验的主观建构，采取递进的序化结构设计不同的学习任务。教学过程符合学习者的认知学习规律，学习任务采取封闭式定向任务、半开放式程序任务、开放式问题任务三个层次的排列方式，遵循技能人才培养的逻辑规律，采取“跟着做、学着做、独立做”三个阶段的学习方式。

在系统教学法实施过程中，课程内容的序化结构设计同样符合学习者的认知学习规律，遵循技能人才培养的逻辑规律。系统教学法实施策略有效地将知识点、技能点以系统化的工作过程串联起来，各个部分不再是孤立的内容，而是系统生态中密切相关的一环。系统教学实施策略的运用，有助于学习者辩证地掌握每一个知识点、技能点以及它们之间的内在联系，使之形成系统化的学习观，这也将是学习者未来在职场中可迁移的“处事”思政观。

2.1.2 课程内容的选择标准

课程内容的选择标准以过程性知识为主、陈述性知识为辅。本课程是由“通风控制系统”课程学习情境构成的、以过程逻辑为中心的行动体系，因此，课程内容以习得实际应用的经验和策略为主、以适度的概念和原理的理解为辅。同时，课程内容的选择需要遵循认知学习规律和技能人才培养的逻辑规律，关键做法是：1）依据科学的认知学习规律分层排列知识点和技能点；2）遵循职业能力发展规律设计任务内容。

2.1.3 实际工程问题拆解

在一体化课程序化结构设计的基础上，根据课程内容选择标准，选择了以“电动气动控制单元的构建”实际工程问题为主线，将工程问题拆解成两个主要问题，再将主要问题拆解成若干个简单问题。问题拆解后的具体情况如表1所示。

表1 实际工程问题的拆解

1）实际工程问题。“实际工程问题”来自企业调研与专家论证，即典型性工作任务。本课程选取来自机电行业具备应用广泛性、工艺典型性的学习情境载体，比如表1中的“电动气动控制”，该部分对应系统教学法闭环过程的某个“模块”，也将作为本课程的一个重要学习任务。

2）主要问题。“主要问题”是将“电动气动控制”核心部件进行拆解细分，有助于学生从整体到局部去了解某个“模块”组成以及各个组成部件在系统中的功能。

3）简单问题。“简单问题”则是对“主要问题”的再一次细分，更深层次地去分析各个组成部件的型号规格、安装工艺和安全调试等内容。

正是通过对上述问题的拆解，使得复杂的学习任务做到了层层递进，由易到难。

2.1.4 一体化课程层次划分

在完成实际工程问题拆解的基础上，还需进行一体化课程层次划分和归类，进一步凝练课程内容。一体化课程层次划分结合了一体化课程标准，并将解决实际工程问题所需掌握的理论知识点和实践技能点进行凝练，设计相关一体化教学内容，形成问题层、实践层和知识层三个层面。三个层面之间紧密关联，有机统一，结合实际的工程实践内容加深学生对知识的理解，有利于培养学生分析和解决实际工程问题的能力，做到有针对性地开展教学和学习任务。

其中，问题层提升学生对系统模块存在问题的挖掘能力，实践层锻炼学生的动手实践能力和故障排除能力，知识层详细列举系统模块涉及的关键知识点和技能点。一体化课程层次划分如图2所示。

图2 一体化课程层次划分

2.2 教学过程实例设计

本课程教学实施过程依托典型的学习情境载体，将职业过程中的专业知识和技能进行系统化处理，获取“通风控制系统”课程的学习经验和工作策略，形成课程的学习任务。教学过程实例设计充分考虑通风控制系统机电设备的难度，做到难易层次递进，注重实用性和可操作性。

2.2.1 学习载体的确定

本课程学习载体的确定，是由具体的工作任务转化得到的。在此，教学过程实例以“气缸控制模块的调试”为学习载体进行设计。假设“气缸控制模块”相关器件安装和接线已完成，但是在调试过程中发现问题：PLC编程控制气缸动作，气缸本该伸出，但是气缸并没有做出相应的动作。根据问题现象，运用系统教学法的闭环过程引导学生从信号流着手，进行信号的追踪和分析。其中，“气缸控制模块”涉及三种信号流，包括气源回路、PLC输入输出回路、电源回路。具体的信号流如图3所示。

图3 气缸控制回路信号流图

以“PLC输入输出回路”为例，讲解信号流追踪分析过程。PLC输入输出回路由图3中的④⑤⑥组成，当该回路导致故障发生，同样也有三种分析和解决问题的思路。通过这个环节，培养了学生阅读电路图的能力、电气故障的分析和解决能力。PLC输入输出回路信号流如图4所示。

图4 PLC输入输出回路信号流图

通过上述三种信号流跟踪、分析和排查，加深学生对系统模块各个部件的理解，进而对整个系统的掌握也更加深入。通过多个不同“模块”的反复性学习，提升学生“发现问题，分析问题，解决问题”的能力。同时，该方法还可以迁移到其他模块的安装、接线、调试和故障排除当中去，提升了学生知识和技能的迁移能力。

2.2.2 教学实施过程

教学过程以“气缸控制模块的调试”为例，分为“课前、课中、课后”三个阶段。

1）课前。教师通过信息化平台上传学习资源，发布学习任务，引导学生在信息化平台完成学前准备。同时，进行线上问题汇总，提前收集学生课前预习遇到的疑问。

2）课中。按照系统教学法完整的闭环过程，进行知识内化，实现对通风控制系统实训设备中“气缸控制模块的调试”模块的故障排除，最终完成学习活动。

3）课后。以学生为中心，通过信息化平台进行任务拓展，实现能力迁移，达成课前、课中、课后的学习目标。

2.2.3 学习方法与教学方法

本课程围绕系统教学法，以学生为中心，采取小组合作学习、自主探究学习和教师课堂教学为辅的方法，突出学生主体地位的同时也不能忽略教师的主导作用[9]。

1）小组合作学习。采用“组内异质、组间同质”的原则，根据学生兴趣、学习基础、个性特征等进行合理搭配。

2）自主探究学习。自主探究学习过程中，学生在没有教师和其他同学直接帮助的情况下，独立完成课前、课中和课后的学习任务，提升独立发现问题和解决问题的能力。

3）教师课堂教学。学生在学习的初始阶段，往往会缺乏开展课程实践的专业理论基础、学习经验，缺乏课程实施的工作流程等。因此，需要在教师的示范操作下，引领学生快速进入职业角色，快速了解工作流程等。在学习任务实施过程中，教师的课堂讲授，在一定程度上保证了学习的正确性和深度性。

3 考核与评价体系设计

考核与评价作为检验教学成果的关键手段，对教师教学和学生学习具有重要作用[10-11]。系统教学法的课程考核与评价，采用过程性考核和终结性考核相结合的模式，设计多元化教学考核与评价指标，综合体现学生各个方面的能力。

主要包括8个方面能力的考核：1）提出问题的能力；2）查阅资料的能力；3）分析问题的能力；4）理论联系实际的能力；5）决策能力；6）团队协作的能力；7）围绕实际工程问题开展有效沟通、交流、表达以及撰写相关总结文稿的能力；8）基于正确的理论依据、借助工具采用多种技术手段解决实际工程问题的实践动手能力。

3.1 过程性考核

过程性考核从职业素养和专业能力两方面进行评价，采用学生自评、小组互评和教师评价相结合的方式进行考核。让学生学会自我评价的同时，教师在课堂环节要善于观察学生的学习情况，及时进行记录，结合学生的自我评价、小组评价进行总评并提出改进建议。具体的考核评价指标设计如下：

1）课堂考核。包括出勤、课堂纪律、提问和回答、小组合作与展示等。

2）作业考核。包括任务完成、课后练习等情况。

3.2 终结性考核

终结性考核侧重于学生综合能力的评价，是“知识型、技能型、创新型”技能人才的重要体现，旨在改变传统课堂“灌输书本知识—记忆书本知识—考核书本知识”的考核评价模式，通过“明确工作任务→制定工作方案→独立或团队执行任务→解决问题，完成任务”的过程，培养学生的综合职业能力。学生根据实际任务，在系统化的教学模式下，从复杂的通风控制系统中任意选取某个模块，分析该模块在整个系统中的功能，明确该模块的关键器件组成。然后，学生根据工作过程中的故障现象，结合自己所掌握的知识，分析可能的原因，制定故障排除策略，并根据不同信号流，完成故障的排除，最终检查验收。

通过上述的过程性考核和终结性考核，有助于学生掌握知识技能，促进学生职业素养的养成，促进学生通用能力的发展，对学生今后的就业和生涯发展起到了一定的作用。

4 结论

技工院校的学生容易对所学专业领域以及相关课程感到茫然，从而导致学习目标不明确、学习动力不足、学习兴趣缺乏、自主性不够、对知识和技能掌握不到位等问题。针对这些问题，本文在广东省机械技师学院机电一体化专业的“通风控制系统”课程教学中，探索实践了系统教学法在一体化教学中的应用。通过实际教学验证，发现该教学模式下，学生的学习热情得到了一定的激发，学生在专业方向和学习目标方面的感知更为明确，自信心更足。系统教学法不仅能够培养学生对课程知识和技能的综合应用能力，也可以引导学生从实际的工程问题出发，提高学生分析和解决实际工程问题的能力，为学生今后的工作走向指明道路。