氣動實驗教學中實踐卓越計劃的啟示

摘要：卓越工程師培養計劃要求東北石油大學按照行業標準和通用標準來培養學生的工程能力與創新能力，面向油田的機械設計制造及其自動化專業學生的培養目標是培養具有實踐能力和創新精神的石油機械工程師。“液壓與氣動”課程是一門實踐性較強的課程，在實驗教學中，利用FESTO公司的氣動教學平臺，按照卓越工程師培養計劃要求，改進實驗教學方法，建立開放性實驗室，增加綜合設計性實驗內容，能夠顯著提高學生的動手能力、創新意識和團隊精神。

關鍵詞：FESTO氣動教學平臺；卓越計劃；液壓與氣動；實驗教學

作者簡介：任永良（1973-），男，河南新野人，東北石油大學機械科學與工程學院，副教授；賈光政（1965-），男，山東梁山人，東北石油大學機械科學與工程學院，教授。（黑龍江 大慶 163318）

基金項目：本文系教育部—歐特克公司專業綜合改革項目“東北石油大學機械設計制造及其自動化專業綜合改革”、黑龍江省高教綜合改革試點專項“基于CDIO的機自專業卓越工程師培養模式探索與實踐”、黑龍江省重點專業建設項目的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0156-02

“卓越工程師教育培養計劃”（以下簡稱“卓越計劃”）是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項目，也是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措。“卓越計劃”旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才。[1]“卓越計劃”參考了國外較為成功的教學方法，[2，3]也吸收了國內高校的一些實際經驗，[4]是一種比較適合我國現階段人才培養模式的教學方法。東北石油大學機械設計制造及其自動化專業作為教育部第二批CDIO試點高校，在人才培養模式上進行了有效改革，并在課程教學方面為實踐“卓越計劃”進行了新的探索。

一、改革思路

“液壓與氣動”是一門理論性和實踐應用性都很強的機械類專業課程，油田生產中的鉆采設備、修井設備等裝置都大量采用液壓與氣動技術。對于面向油田的機械設計制造及其自動化專業學生來說，需要掌握本課程的基礎知識，具備基本的實踐能力。“卓越計劃”的培養目標對學生的工程實踐能力提出了更高的要求，因此，對“液壓與氣動”的課程內容和授課方式進行了改革：[5]將實驗教學環節由原來的4學時增加為8學時；將實驗室對學生開放；利用Festo公司的FluidSIM仿真軟件和教學實驗臺，加大綜合性和設計性實驗內容；進行以小組為單位的團隊合作學習形式；采用目標確定、方案設計、原理分析、仿真運行、硬件實現的工程設計和實施步驟，完全踐行CDIO的教學模式，[6]最終實現“卓越計劃”的培養要求，并在此基礎上進行教學質量評估和經驗總結。

由于液壓傳動與氣壓傳動之間的相似性，加之氣壓傳動實驗具有成本低、無污染、回路連接快捷等優點，因此在學生進行實驗設計時，應盡量先利用液壓與氣動仿真軟件FluidSIM進行模擬，然后利用氣動試驗臺進行實際的管線連接實驗以驗證模擬結果。通過氣動回路的設計、模擬和連接及功能實現，學生能夠更好地掌握相關知識和技術，具備一定的實踐經驗，同時鍛煉了團隊精神和協作精神，這對他們以后的工作具有非常重要的指導意義。

二、實踐內容舉例

延時氣動控制回路的連接圖如圖1所示，其原理圖如圖2所示，目的是熟悉和掌握延時閥的工作原理以及在具體回路中的應用、掌握行程開關在控制回路中的應用、掌握氣控元件的連接。實驗所需元件有：常開式延時閥1個、氣控二位五通閥1個、機控二位三通閥2個、雙作用氣壓缸1個、氣源1個、分氣站1個、氣動連接管線若干、壓力表若干。兩機控閥開關作為雙作用氣缸活塞桿的行程開關，分別設置在0mm和100mm行程位置。打開氣源開關后，氣壓缸活塞自動伸出，達到行程100mm后，觸動行程開關S2，延時一定時間后，換向閥切換，氣缸活塞自動縮回，返回到最左端時觸發S1，二位五通閥又換向，氣缸活塞重新伸出，如此周而復始。反復調整延時開關旋鈕開度的大小，從而可以控制延時時間的長短，即活塞桿縮進時間的長短。

首先利用氣動仿真軟件FluidSIM按照圖1連接氣動元件，設定各元件的系統參數運行仿真，圖1右上角為部分元件的運行狀態圖。通過仿真，可以檢驗管路連接是否正確、邏輯關系是否正確、元件參數是否滿足要求、運行結果是否正確等。通過軟件仿真模擬無誤后，在氣動實驗臺上進行實際的氣動回路連接并運行。該回路的工作原理是：打開氣源開關，由于氣缸活塞桿處于行程開關S1位置，與S1相連的二位三通閥自動調整到左位，使二位五通閥左位通氣從而控制雙作用缸的伸出；當活塞桿到達終點時，觸發行程開關S2，使與其相連的二位三通切換到左位而導通，延時閥控制口進氣，內部氣囊開始充氣并開始延時，充氣時間決定了延時時間，通過調整延時閥上面的旋鈕可以改變節流閥開度并改變充氣時間。氣囊充氣到一定程度，延時閥導通，使二位五通閥切換到右位從而控制雙作用氣缸活塞桿回縮。調整S1、S2的位置，可以控制氣缸活塞的行程和切換頻率（見圖2）。

三、啟示

上述實驗是實驗小組在教師提出目標的基礎上自己獨立設計并進行模擬和連接的。通過設計實驗，學生能夠直觀地掌握氣動回路、了解氣動元件，也增強了對理論知識的掌握和延伸。在此基礎上，很多學生都充分發揮自己的想象力，利用氣動實驗臺構建了很多具有特殊功能的氣動回路，豐富了氣動知識。通過在氣動教學中實施“卓越計劃”，可以得到如下啟示：

1.“卓越計劃”強調的是創新，但創新的前提是對基本知識的掌握

在實驗中發現，基礎知識好的學生往往理解能力較強，所設計的回路適用性更強；而學習很差的學生，則基本上對團隊沒有什么貢獻；學習成績居中的學生呈兩級分化，動手能力強的學生則對團隊貢獻很大，動手能力差的學生則貢獻較小。

2.理論與實踐結合需要一個過程

液壓與氣動元件的符號圖雖然直觀，但與實際元件相比還是很抽象。因此在實際連接回路時總是找不到元件或者找到了不知該如何連接，有時甚至不知道指的是什么。比如在氣動回路中用到的機控閥兼做行程開關，學生總認為行程開關應該是一個單獨的元件。這些問題通過2次實驗基本上都能克服。

3.團隊之間的協作非常重要

一個復雜的回路實驗往往需要團隊之間的共同努力，出現問題需要共同想辦法。在實驗中發現，凡是能夠順利完成任務或者有創新思維的都是團隊協作較好的小組；團隊成員參與度不夠或者協作不好的小組，其士氣往往低落且創新意識很淡薄。思想活躍、成員參與度良好且具有競爭意識的團隊能激發成員的創新思維，調動成員的創新積極性，使小組的收獲更大。

4.團隊之間要有一定的競爭

在實驗中發現，對于同一個課題，如果在各個小組之間引入競爭機制，則往往能夠激發他們發現不同的解題思路，以表現其與眾不同；如果沒有具有可比性的競爭，則往往達不到類似的效果。因此，對于任何一個目標的實現，如果安排2個以上的小組參與并引入競爭機制，能夠更好、更快的完成任務。

四、總結

通過對“液壓與氣動”課程試行“卓越計劃”教學實驗，開展以實驗為主，教學與實驗并重的教學改革，要求在實驗和學習過程中，學生以小組為單位獨立完成設計任務，獨立分析設計中所遇到的問題，這就要求小組中每個個體之間都要相互協作、相互配合，遇到問題要相互探討，提高了組員之間的協作精神。在現代化的科研和生產過程中，需要多部門、多學科之間的相互配合和協作。基于“卓越計劃”教育的課程改革適應了現在社會對學科與團隊協作、實踐精神的需求。東北石油大學作為普通的工科院校，并不以培養高級研究型人才為主，而是以培養石油工業廣泛需求的具有實踐性、團隊協作性的工程技術人員為主，因此，“卓越計劃”教育的意義就體現在此。以“液壓與氣動”課程為例，“卓越計劃”教學理念+專業課程改革+Festo氣動實驗臺能夠充分實現“卓越計劃”教育的宗旨。從教學效果來看，該方法能夠大大促進學生的自主學習積極性，使學生不僅能掌握基礎理論知識，更能把這些知識運用到實踐中去，且能夠對問題進行深入思考，這是傳統教學難以實現的。

參考文獻：

[1]卓越工程師教育培養計劃[EB/OL].[2013-04-24].http：//baike.baidu.com/view/3810178.htm？fromId=4131329.

[2]劉建強.德國應用科學大學模式對實施“卓越工程師培養計劃的啟示”[J].中國高教研究，2010，（6）：50-52.

[3]婁平，張小梅，江雪梅.美、德工程師培養模式對我國“卓越工程師”培養的啟示[J].中國電力教育，2012，（3）：57，75.

[4]崔媛.基于學科專業特色的卓越工程師培養模式——來自哈爾濱工程大學的實踐[J].煤炭高等教育，2011，29（1）：66-68.

[5]張海，王小明.FESTO MPS自動化控制系統在實驗教學上的應用[J].機床與液壓，2007，35（11）：134-136.

[6]Johan Bankel，etc.The CDIO Syllabus A comparative study of expected student proficiency[J].European Journal of Engineering Education，2003，（3）：26.

（責任編輯：孫晴）