“流体传动与控制综合实验”教学改革探索与实践_孙渊.pdf

第 卷 第 期 年 月：“流体传动与控制综合实验”教学改革探索与实践孙 渊，李庆龄（上海电机学院 机械学院，上海）摘 要：针对理论教学课程中出现的课程项目涉及知识体系与现实工程实际应用技术不同步，实验学习分组不科学和学生综合应用能力弱等问题，进行了实验课程教学改革。从面向现实工程问题，关注现实工程实际应用技术，建立了多知识融合课程项目；关注学生学情，探索了科学分组策略；关注学生能力，探索了实验过程中多项能力递进培养模式。教学结果表明，学生的设计创新能力和专业知识综合应用能力得到持续改进和提升，学习成效和课程目标达成度均明显提高。关键词：工程实际应用；多知识融合；能力递进培养中图分类号：；|文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；收稿日期：基金项目：年度上海电机学院重点课程建设项目（）；中国高等教育学会 年度高等教育科学研究规划课题（）作者简介：孙 渊（），女，上海人，博士，教授，研究方向为机械电子工程专业相关技术和体系、专业人才培养方案和培养模式。：；：引 言工程本质上是造物、实践活动，工程教育与传统科学教育的主要区别在于突出实践，回归工程，关注现实工程。近年来，中国工程教育界重视工程实践，强化实践教学环节，重视学生工程实践能力培养。年，国家颁布高等教育面向 世纪教学内容和课程体系改革计划，明确提出“综合性、重实践”的教学改革要求，加强工程实践能力的培养，强调课程“整合”与课程“集成”，重建课程内容和课程结构。年，在教育部指导下，构思设计实现运行（）教育模式开始在工程教育中探索与实践，让学生以主动、实践、课程之间有机联系的方式学习工程。年，教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”，其目的就是要培养工程实践能力、工程设计能力和工程第 卷创新能力。年，教育部等三部委下发的关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见指出，地方高校的人才培养应与地方经济发展需求对接，以培养能够服务地方企业的应用型工程科技创新人才和服务区域经济社会发展的科技产业人才为主，因此探索产教融合途径提升人才培养质量成为研究热点。此后，众多地方高校开始探索成果导向教育（）教育模式，开展工程教育专业认证下的课程教学改革，关注学生课程学习成效，关注学生本体，关注学生能力培养。纵观中国工程教育改革之路发现，工程活动至关重要。为此，工程教育改革更加需要强化实践的分量，重视创新设计和工程实践，尤其在实验教学中要加强研究和探索。例如，李晶等在课程实验中构建了层次化实验教学内容体系，引入虚拟仿真技术，创新教学方式，提升学生实践能力；叶回春等运用虚拟仿真技术使学生了解前沿知识与先进技术；赵劲松等结合电液伺服实验台进行实践教学研究，加深了学生对理论知识的理解，培养了学生解决实际工程问题的能力；朱玉平等构建了“三耦四融”的工程实践创新人才一体化培养体系，以提升学生工程实践创新能力。我校机械电子工程专业教学团队从专业培养方案、培养目标、培养模式、课程教学等方面开展了全面的改革与试点：以培养学生的工程实践能力为主线，开设了专项实验、综合实验和综合实践教学，实践教学比例占 以上。通过综合实验课程，创设环境让学生运用多门课程知识进行有效的综合和集成，培养学生创新设计和工程实践等综合能力。其中，笔者开设的“流体传动与控制综合实验”就是运用“液压与气压传动”“计算机辅助设计（）基础”“项目管理与经济分析”“机电控制系统”等专业课程所学知识进行多知识融合，运用液压相关专业知识，进行机电设备的液压系统及其控制系统方案设计，以及具体的系统回路设计、控制系统设计、负载连接件结构设计，既锻炼了学生分析机电领域复杂工程问题的能力，又为学生完成后续毕业设计提供了必要准备。在课程改革过程中，遵循回归工程，从关注现实工程、关注学生学情、关注学生能力三方面进行了探索与实践。教学中存在的问题“流体传动与控制综合实验”是机械电子工程专业必修课程之一，旨在提升学生的专业实践能力。该课程作为实践教学环节，前 年是“一人一题”，近 年采用“一组一题”的模式，或 名学生自由组合，以小组形式合作完成一个完整的机电液工程项目。本课程开设之初，即关注任务驱动、学生主导、教师引导。通过近 年的教学实践发现，目前该课程教学实施过程中亟需解决如下 个突出问题。.知识与企业技术不同步随着新兴产业和智能技术的出现，以智能制造、云计算、人工智能、机器人技术的新工科，相对于传统的工科人才，更需要实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型应用人才。如何培养具有创新意识的实践应用人才以适应当代科技发展和新工科建设需求，是值得思考与研究的问题，例如胡蔓等探索了新工科背景下工程实践教学模式，严寒冰等进行了智能制造技术引领下机电专业实践教学体系的研究等。随着技术的发展，现实工程新技术需要快速融入课程项目，以往课程项目涉及的知识体系已经滞后，有待于更新和优化。因此，需要更新课程中机电液工程项目，与目前智能化、自动化设备中工程实际应用技术保持一致，实现课程学习内容与企业技术应用同步，通过工程实践锻炼学生分析机电领域复杂工程问题的能力。.课程设计分组不科学前期的“一人一题”是基于课程设计基础上的“延续”“一组一题”是基于与其他综合实践课实施方式上的“抄袭”。通过教学，发现这两种方式均存在一定弊端，采用“一人一题”，学生之间思考和决策的互动性缺乏，往往只顾自己，缺少沟通交流，从而缺乏高阶思维和创新意识的驱动力；采用“一组一题”，学生分组进行组长选择制，带有主观性，忽略了学生学情，从而影响到学习成效总体发挥。因此，需要改进分组方法，关注学生个性，最大效果地提高学生学习成效，达到课程培养目标。.学生综合应用能力较弱课程项目开展过程中，发现学生对机电专业知识的应用能力极为欠缺。本项目需要 基础，通过机械设计对负载件进行设计装配，需要可编程逻辑控制程序（）对电磁阀实现自动控制，利用有限元数值模拟软件对液压系统进行仿真分析。其中，软件涉及三维建模软件（如 、等）、液压回路和建模仿真分析，涉及有限元数值模拟软件（如、等），需要经济决策对元器件进行选型，完成系统的设计。由于系统的设计考虑到多因素，其设计过程需考虑更多的技术耦合与系统集成，而多因素的技术耦合与系统集成，需要学生具备高阶思维能力、设计方案创新能力和机电液专业知识的综合应用能力。但是，目前由于学生在培养过程中对上述能力培养重视度不够，学生的综合应用能力较弱。第 期孙 渊，等：“流体传动与控制综合实验”教学改革探索与实践 课程教学改革举措.建立多知识融合项目关注现实工程问题，建立多知识融合项目是本课程教学改革核心内容。在现实工程问题中，着重关注企业技术应用，实现课程教学内容与企业技术应用同步，保证课程教学内容先进性，学生在学习过程中可以体验先进技术，接触现实工程复杂问题。当学生面临问题，分析问题和解决问题时，往往会伴随着“困惑和兴奋”的情感，而当问题被解决后，又可以让学生收获“学以致用”的获得感，这将大大激发学生的求知欲，并维持学习兴趣的持久性，这种由知识学习、能力培养与情感体验有机结合的培养模式，将大大提高学生学习成效。特别是，由于项目来自企业实际工程问题，可以带领学生融入制造业生产一线，亲自“看见”和“识别出”问题，并进而向着解决问题而产生学习动力。另外，来自企业生产实际需求的项目，可让学生产生一种社会需求感和责任感，能够让学生在设计中综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素，并分析和评价机电工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律、文化的影响及责任。建立多知识融合项目，关注多知识综合应用，实现高阶思维、创新能力和知识应用能力提升，是综合实验课程改革任务。综合实验课程培养目标是将两门及以上课程知识有机集成，运用两种或两种以上的实验方法和手段完成实验项目，本课程将液压与气压传动、机械设计、项目管理与经济分析、工程制图、基础、液压系统建模与仿真、机电控制系统等多门课程和知识有机融合（见图），运用现代绘图设计软件、系统建模仿真软件和自动控制软件完成项目设计和实验研究，具体设计分为：项目需求分析；理论计算成本决策；系统建模与装配；液压回路建立与仿真；图 综合实验课程设计流程和多知识融合 编程及运行；液压系统实验搭建、系统自动控制、回路运行、实验验证 个流程。在项目需求分析、拟订方案时，需考虑到企业生产需求、加工工艺、成本和环境友好性等多因素，其过程会带来更多挑战性，有助于培养学生解决复杂问题的综合能力。此外，按照发明问题解决理论（），能为学生在产生创新思维后提供新的思考方式和实践素质，现实工程复杂问题同样会引发更多的创新思维，可以锻炼学生、培养学生的高阶思维能力、设计创新能力和机电液专业知识的综合应用能力，达到学习成效。.探索科学分组策略本课程作为一门实践性课程，一定要让学生成为课堂主角，学生作为学习主体，参与到实践学习中，教师角色已不再是以传授知识为主，而是帮助学生去发现和探索问题、组织和管理知识、形成思路、解决问题，因此，关注学生学情，探索科学分组策略也是本课程改革核心内容。当交给学生一个多知识融合的现实工程实际项目，并教会他们如何运用已有知识，如何获取企业生产中新知识和新技术之后，教师仅需做到适时引导，让学生去自由、自主发现解决问题和可能的技术冲突，真正学到本领。但由于班级学生学习能力和学情不同，面对一个复杂工程问题的课程项目，可能造成部分学生学习能力不足而导致学习成效下降。因此，有必要基于分层教学理念，探索综合实验课程的科学分组问题。分层教学是指教师根据学生现有的知识、能力和潜力把学生分成几个彼此水平相近的群体并实施区别教学。学生分层是分层教学法应用的关键，根据学生的学习能力和学情，将学生分为基础优秀、基础中等、基础较差 个层次，并根据其学情来安排不同难度的教学内容。分层目的是为了因材施教，关注学生特点和个性差异，进而采取分类指导。而分组是基于学生分层的基础之上，对于不同学习能力和学情的学生进行优化组合，使小组成员最大限度的发挥各自能力，并且互相促进，其原则是各组总体实力要相当，同组组员搭配要合理，每个组尽可能拥有不同程度的学生，包括学生基础、接受能力等。在分组中，学生们之间开展互动和合作，可对学习成效产生巨大影响，每位学生都可以向他人学习，每位学生都有机会为他人做出贡献，同时分享他人的贡献。近 年来，笔者在该课程的教学过程中，根据学生分层进行了科学分组教学。例如，学年承担该课程时，在学生分组前做分层调研，主要考察三方面内容：专业知识评价，主要根据机械设计、工程制图、液压与气压传动、三维建模软件、仿真软件、机电控制系统等既往成绩来判断；思维能力和创新意识评价，主要根据学生参与科技活动、大学生科创经历、发第 卷表论文、申请专利、比赛获奖等来评价；工程实践经历，主要考查学生参与暑期实习、企业实习、社会实践活动等情况。根据调研，了解学生学习成绩、思维能力和创新意识、工程实践经历，然后将“层次不同”的学生归入同一组，如图 所示。将学生按照专业知识、思维能力和创新意识、工程实践经历方面的强、中、弱 个不同层次进行组合，发挥小组成员各自优势，取长补短，优势互补，相互学习，达到课程目标。图 基于学生分层的分组策略.探索能力培养模式.高阶思维和创新能力培养本课程项目内容基于现实工程问题，具有一定的复杂性，涉及多种知识和技术手段方能解决的题目，以培养学生的综合应用能力，因此，关注能力培养，探索了多项能力递进培养模式。基于现实工程项目，设计活动是一个高阶思维过程，也是一个创新过程。高阶思维是不规则的、复杂的，能够产生多种解决方法，需要多种应用标准，自动调节，且包含不确定性，产生不同创新方案。在项目需求分析、方案拟定过程中需要学生的思维能力和创新能力，需要分析、判断、推理、假设、预测、验证、决策、反思一系列过程。作为一门综合性实验课程，培养学生采用多种技术手段，最终协作完成一项项目任务，学生需要从项目需求分析开始，完成多种方案的拟定，通过理论计算、成本决策等得到最后方案，从而驱动学生高阶思维和创新能力。.综合应用能力培养本课程设计方案确定后，后续任务为液压元器件建模与装配、液压回路建立与仿真、编程及运行、液压系统实验搭建、系统自动控制、回路运行、实验验证等，在全流程设计过程中，需要运用多门课程知识融合来完成现实工程项目。在项目设计的全流程中，上述各环节之间往往存在技术依赖和信息依赖：在设计上游阶段，如设计方案中参数变化会影响到下阶段液压元器件建模与装配；又如液压系统设计又会影响到下个阶段液压系统仿真。这些技术问题出现和解决，是需要学生全方位、系统性考虑的，需要分析和掌握整个流程中各技术环节之间知识和技术互联和集成，因此通过后续设计任务，全面培养学生机电液专业知识的综合应用能力。.践行成果导向教育（）在项目需求分析、方案拟定过程中，培养了学生高阶思维和创新能力，后续实验过程中，着重培养学生专业知识的综合应用能力，从而实现了多项能力递进培养模式，在此基础上，开展了 的实践教学方法研究。已成为教育改革的主流理念，并将其贯穿于工程教育认证标准的始终，是指教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果，关注学习成果，因此在课程实践教学上实施“任务引领、项目驱动，学生主体、教师引导”的实践教学方法，老师给出项目任务，提出设计要求，学生自主设计，独立思考，创新思维解决问题，完成实验，获得与之对应的课程实践能力。在项目过程中，实现了“学生为主体，教师启发引导”，由教师“教会”转变为学生“学会”；由教师的知识“传授型”转变为学生的能力“形成型”（学习成果），因此践行 的实践教学方法，保证学生在综合实验课程中多项能力的渐进形成，最终实现综合应用能力和工程实践能力的培养目标。改革成效经过近几年的教学实践，形成了初步的研究雏形和一些阶段性成果。（）课程项目。回归工程，关注现实工程，课程项目更新为面向现实企业技术应用问题，面向数字化、智能化生产，运用现代先进设计开发软件和实验手段，完成了课程项目设计和实验全流程。具体包括：液压系 统 数 字 化 设 计 与 建 模 仿 真（）、负 载 和 执 行 元 件 设 计 与 装 配（）、液压系统 控制（梯形图、状态图）、液压系统搭建和控制实验等系统集成各个组成模块，实现了多知识融合和集成。坚持 教学，实施了“任务引领、项目驱动”“学生主体、教师引导”的实践教学方法，关注学习成效，基于分层基础上科学分组策略，学生们之间开展互动和合作，高质量地完成了课程项目。（）教学成效。聚焦能力培养，关注现实工程问题，培养了学生高阶思维和创新能力，培养了学生综合分析和解决问题的能力，培养了机电液专业知识的综合应用能力，获得了工程实践能力。基于分层科学分组，开展全过程自主设计和实验，增进了学生组织协调和团队合作能力，弥补了同学间不足之处，全方位调动了学生学习力，全面提升了学生各项能力的形成。第 期孙 渊，等：“流体传动与控制综合实验”教学改革探索与实践 结 语应用型本科专业建设以实践能力为主线，构建了实验课程、综合实验课程和综合实践环节，本课程是综合实验课程，其开设是运用多知识进行实验学习，培养学生综合应用能力和工程实践能力。针对本课程教学中出现的问题，进行了课程教学改革，从面向现实工程问题，关注工程实际应用技术，建立了多知识融合项目库，实施了不同学情学生科学分组，探索了多项能力递进培养模式，从而全方位调动学生学习力，培养学生的高阶思维能力、设计创新能力和专业知识综合应用能力。参考文献（）：朱高峰 关于工程教育和一般教育问题的再思考 高等工程教育研究，（）：许江波，骆永震，包 含 论 理念下的工程类高校教育模式改革 大学教育，（）：李学光，王淑坤，高艺，等 机械类专业“卓越工程师教育培养计划”运行机制研究 高教学刊，（）：胡良斌，高丽娟，李必文，等 新工科背景下校企产教融合协同育人模式探索与实践 中国教育技术装备，（）：顾 涵，房勇 基于工程教育专业认证标准和 理念对毕业设计环节的创新探索与实践 实验技术与管理，（）：肖 念，芮 言 认证背景下成果导向的专业课程教学改革教学研究，（）：王丽伟，吴静怡，张执南 构建面向未来的工程教育体系 高等工程教育研究，（）：李 晶，姜歌东，陶 岳 面向智能制造的数控技术实验教学探索与实践 实验室研究与探索，（）：叶回春，张洪伟，倪向贵 虚拟仿真技术在超精密加工实验教学中的应用 实验室研究与探索，（）：赵劲松，孙鑫宇，董杰 电液伺服实验台在实践教学中的应用 实验室研究与探索，（）：朱玉平，张学军，高翔，等 工程实践创新能力融合培养研究 实验科学与技术，（）：胡 蔓，赵云龙，栾晓娜 新工科背景下工程训练实践教学模式探索 实验技术与管理，（）：严寒冰，姚兰，秦东兴 面向智能制造的机电专业实践教学体系研究 西南师范大学学报（自然科学版），（）：焦连志 理论视野下的高校大学生创新创业能力培养现代教育科学，（）：徐则阳，周庆平，李显良 理念下“计算机应用基础”分层教学考核评价的研究 江苏科技信息，（）：陈军涛 最近发展区理论在教学模式中的应用 当代教育论坛（宏观教育研究），（）：张广兵，董发勤，谢鸿全 成果导向教育模式之溯源、澄清与反思 黑龙江高教研究，（）：（上接第 页）战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖、智能汽车竞赛国家级二等奖等奖励，形成了测控专业学生积极参加实训实践、学科竞赛的良好风尚和创新人才培养特色。参考文献（）：卢晶琦，邓春健，师向群，等 新工科视域下的电子信息创新人才培养实践 实验技术与管理，（）：吴爱华，侯永峰，杨秋波，等 加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济 高等工程教育，（）：洪海涛“新工科”背景下的视觉检测与机器人技术 大学教育，（）：杜义浩，马俊霞，谢 平 新工科人才创新创业能力培养探索与实践 电气电子教学学报，（）：委福祥，王延庆，刘洪涛，等“新工科”背景下材料专业实践教学体系探索 实验室研究与探索，（）：葛 青，赵晓云，甘 媛 测控专业工程实践教学改革探讨教育教学论坛，（）：宋爱国，吴 涓，崔建伟 测控技术与仪器专业学生工程意识培养与创新教育的探索 中国大学教学，（）：梁 军，侯迪波，张光新 新工科背景下自动化专业课程教学体系的优化重构 中国大学教学，（）：马子骥，汪沨，蔡立军 从学科竞赛和训练基地角度探索创新能力培养模式 实验技术与管理，（）：戴 蓉，赵 燕，胡 剑，等 测控技术与仪器专业卓越工程师课程体系整体优化研究 中国电力教育，（）：杨泽青，肖艳军，刘丽冰 基于华盛顿协议的测控专业实践教学体系优化重构 实验室研 究与 探索，（）：滕召胜，温 和，高云鹏，等“教 学 做 研”一体化的单片机教学模式研究 实验室科学，（）：曾飞，王涛 冶金高校智能测控虚拟仿真实验平台建设 实验技术与管理，（）：杨洪涛，王小兵 工程教育专业认证标准下的测控专业实践 实验技术与管理，（）：唐 求，高云鹏，曹琳琳 虚拟仪器课程教学改革与实践教学环节的建设实施 实验技术与管理，（）：芮 杰，张 健，陈 华 新工科背景下高等院校创新人才培养研究 教育教学论坛，（）：