新工科、學(xué)科交叉背景下機(jī)電專業(yè)學(xué)生教學(xué)改革探討
——以江蘇大學(xué)液壓與氣壓傳動(dòng)課程為例

錢鵬飛，張 兵，程廣貴，張忠強(qiáng)

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 前言

“新工科”研究和實(shí)踐是一種新的工程教育發(fā)展模式，它不僅要培養(yǎng)具備更強(qiáng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力的新型工程科技人才，更著眼于面向未來新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，著力推動(dòng)學(xué)科交叉融合和跨界整合，并構(gòu)建工程教育的新理念、新結(jié)構(gòu)、新質(zhì)量和新體系。“新工科和學(xué)科交叉”強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，對(duì)機(jī)械電子工程學(xué)科而言，尤其應(yīng)注重傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)與前言技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、軟件技術(shù)等新技術(shù)的緊密結(jié)合。那么如何培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力，部分相關(guān)研究的討論對(duì)策如下：沈陽師范大學(xué)的李堯[1]總結(jié)了美國培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的措施和特點(diǎn)，指出了我國在完善大學(xué)生教育方面的推進(jìn)方向；河南科技大學(xué)的曹付義等人[2]從生源質(zhì)量、課程設(shè)置、導(dǎo)師隊(duì)伍、學(xué)術(shù)道德水平等幾個(gè)方面分析了目前工科大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中存在問題及其產(chǎn)生原因；中國礦業(yè)大學(xué)尹世平[3]認(rèn)為大學(xué)生科研創(chuàng)新情況不容樂觀，現(xiàn)行考試制度、大學(xué)生培養(yǎng)模式、科研創(chuàng)新氛圍等都對(duì)其有著不同程度的影響，提出了相關(guān)改革方案以提高工科大學(xué)生科研創(chuàng)新能力；江蘇科技大學(xué)鐘偉等人[4]在分析新工科對(duì)科技人才的能力需求后，針對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的不足之處和課堂教學(xué)中前沿性弱、實(shí)用性低等問題，提出若干從多元化科研實(shí)踐改革方面增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的措施。

在新工科建設(shè)和學(xué)科交叉背景下，大學(xué)生能力培養(yǎng)應(yīng)注重學(xué)科交叉、課程改革，以為學(xué)生提供自由和創(chuàng)新的發(fā)展空間。本文以江蘇大學(xué)機(jī)電專業(yè)液壓與氣壓傳動(dòng)課程為例，同時(shí)結(jié)合特殊時(shí)期的特點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)教學(xué)改革的探討。

1 理論教學(xué)

為響應(yīng)國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的發(fā)展戰(zhàn)略，落實(shí)“學(xué)生中心、目標(biāo)導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的教育理念，江蘇大學(xué)機(jī)電專業(yè)本科生培養(yǎng)計(jì)劃和課程體系不斷進(jìn)行更新改革。目前，全校僅兩個(gè)專業(yè)保留了液壓與氣壓傳動(dòng)課程（40學(xué)時(shí)），分別是機(jī)械電子工程和農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專業(yè)。而機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)已取消獨(dú)立的液壓與氣壓傳動(dòng)課程，開設(shè)了將傳感與檢測(cè)、機(jī)電傳動(dòng)控制、液壓與氣壓傳動(dòng)、控制工程基礎(chǔ)等方面融合到一起的64學(xué)時(shí)大課程《機(jī)電液控制技術(shù)》。其中，液壓與氣壓傳動(dòng)部分的授課學(xué)時(shí)縮減為20學(xué)時(shí)。可以想象，原先其他課程部分的內(nèi)容也必被大幅壓縮。在上述嚴(yán)峻的形勢(shì)下，課堂教學(xué)難免會(huì)出現(xiàn)浮于表面、淺嘗輒止的情況。大部分的學(xué)生需要在課下自學(xué)，以彌補(bǔ)課堂上少講或不講的那部分基礎(chǔ)知識(shí)，這就需要學(xué)生認(rèn)真自覺地課前、課后預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)了。

盡管江蘇大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)的液壓與氣壓傳動(dòng)課程有40學(xué)時(shí)（課堂34學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)），但是仍然課堂上少講了該門課的很多知識(shí)，如液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算、液壓與氣壓伺服系統(tǒng)以及整個(gè)氣動(dòng)部分。為此，液壓課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)于2018年錄制了《液壓與氣壓傳動(dòng)》課程的各知識(shí)點(diǎn)視頻（每個(gè)視頻10分左右），并成功在智慧樹平臺(tái)運(yùn)行，用以補(bǔ)充課程上未講或理解不透的知識(shí)點(diǎn)。該在線課程每個(gè)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)過程中都有在線問答，每章節(jié)學(xué)完還有章節(jié)測(cè)試，最后還有期末考試。這樣學(xué)生可以有針對(duì)性的、快速的、隨時(shí)隨地的通過手機(jī)獲取知識(shí)，不受時(shí)間和空間的限制，為學(xué)生提供自由的學(xué)習(xí)空間。

2020年5月教育部印發(fā)了《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，要求把思政教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)。為此，課程教學(xué)中不僅要講授理論知識(shí)，還需要開展學(xué)生思政教育。這就要求老師將價(jià)值觀塑造、知識(shí)講授和創(chuàng)新能力培養(yǎng)融合起來，通過加強(qiáng)工程倫理教育、弘揚(yáng)創(chuàng)新意識(shí)和工匠精神，培養(yǎng)出滿足新工科、學(xué)科交叉背景的具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力的新型工程科技人才，從而達(dá)到潤物細(xì)無聲的育人效果。然而，課程思政不是簡(jiǎn)單地將思政教育與專業(yè)知識(shí)拼接，而是應(yīng)該有機(jī)融合、隱形傳播，還要不引起學(xué)生的反感，在學(xué)生獲取專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，思想得到升華、情感得到升溫。這給老師增添了壓力，也向原本就不富足的教學(xué)時(shí)間提出了挑戰(zhàn)。下面對(duì)液壓與氣壓傳動(dòng)課程理論教學(xué)中課程思政元素的運(yùn)用給出簡(jiǎn)單示例。在第一章緒論中，列舉液壓傳動(dòng)在工業(yè)中的應(yīng)用例子時(shí)，介紹我國1961年江南造船廠研制出的第一臺(tái)萬噸液壓機(jī)和2013年二重研制出的8萬噸液壓機(jī)的情況，指出8萬噸大型模鍛壓機(jī)可以使成形的機(jī)械構(gòu)件具有精確外形與高精度尺寸，而飛機(jī)上85%左右的零件都是構(gòu)件。尤其在制造飛機(jī)起落架、主梁等大型航空模鍛件，都需要得力的“大壓機(jī)”，而我國8萬噸大型模鍛壓機(jī)的列裝使中國成為擁有世界最高等級(jí)模鍛裝備的國家。之后提醒下，我國的大飛機(jī)C919就是在8萬噸模鍛壓機(jī)列裝后才在2017年完成試飛交付的，暗示8萬噸大型模鍛壓機(jī)功不可沒。最后再提一嘴“盡管C919是客機(jī)，但是客機(jī)不僅可以民用裝人還可以軍用裝物”，以暗示液壓技術(shù)強(qiáng)間接表明軍事實(shí)力強(qiáng)，無形中對(duì)學(xué)生進(jìn)行了一番愛國主義教育。在講授執(zhí)行元件、控制元件章節(jié)時(shí)，介紹2020年11月10日，“奮斗者”號(hào)載人潛水器在馬里亞納海溝（深度10909米處）成功坐底。接著講述我國深海潛水器的奮斗之路，從2012年“蛟龍”號(hào)到2017年“深海勇士”號(hào)再到2020年“奮斗者”號(hào)，中國深潛載人潛水器不斷挑戰(zhàn)洋底最深處的極限。這說明人類認(rèn)識(shí)世界的廣度深度在不斷拓展深化。最后不要忘了收回來強(qiáng)調(diào)這些載人深潛器的成功輝煌背后是液壓關(guān)鍵核心基礎(chǔ)件（液壓泵、液壓閥）在萬米深海承受著超高壓、強(qiáng)腐蝕的挑戰(zhàn)。緊接著，引入浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李鐵風(fēng)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合之江實(shí)驗(yàn)室開展跨學(xué)科交叉研究，率先提出機(jī)電系統(tǒng)軟-硬共融的壓力適應(yīng)原理，成功研制了無須耐壓外殼的仿生軟體智能機(jī)器人，首次實(shí)現(xiàn)了在萬米深海自帶能源軟體人工肌肉驅(qū)控和軟體機(jī)器人深海自主游動(dòng)，成功“打卡”馬里亞納海溝。上述思政元素，既結(jié)合了前沿技術(shù)，也體現(xiàn)學(xué)科交叉融通，充分展示了我國在工業(yè)、軍事和科技方面的發(fā)展，大幅地提起學(xué)生聽課的興趣。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

現(xiàn)有江蘇大學(xué)機(jī)電專業(yè)液壓與氣壓傳動(dòng)課程的實(shí)驗(yàn)主要有液壓泵性能實(shí)驗(yàn)、溢流閥靜態(tài)性能實(shí)驗(yàn)和節(jié)流調(diào)速回路性能實(shí)驗(yàn)，共計(jì)6課時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。原來的雙缸全氣控行程順序動(dòng)作回路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)計(jì)劃修訂及課程改革中也被閹割了。考慮到機(jī)電專業(yè)的學(xué)生在電控這方面的能力十分有限，大都停留在理論層面且未得到實(shí)際動(dòng)手能力的鍛煉。相比于液壓，氣壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建成本更低且安全性更好，且清潔無污染。故考慮后續(xù)恢復(fù)原先氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)的2個(gè)課時(shí)讓學(xué)生進(jìn)行氣缸運(yùn)動(dòng)伺服控制和氣罐壓力高精度控制實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)機(jī)電專業(yè)學(xué)生數(shù)據(jù)采集和伺服控制方面的能力。

由于目前工程上大部分控制都采用PID控制，而很多同學(xué)連PID控制參數(shù)都沒調(diào)過，無法適應(yīng)新工科、學(xué)科交叉背景下社會(huì)對(duì)新型科技工程人才要求。為此，該課程搭建了氣缸運(yùn)動(dòng)伺服控制平臺(tái)和氣罐壓力高精度控制平臺(tái)，讓學(xué)生挑選其一去調(diào)試控制。此外，還設(shè)置了兩方面的進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，一方面是控制算法層面的變化，即讓學(xué)生學(xué)習(xí)其他控制算法（如模糊PID控制、滑模控制等），對(duì)比觀察伺服控制精度；另一方面是硬件層面的變化，即讓學(xué)生嘗試采用不同的控制閥（如高速開關(guān)閥、比例方向閥等）或改變實(shí)驗(yàn)的條件（如改變氣缸負(fù)載、改變氣罐的泄漏口大小等），對(duì)比控制精度情況。

3 結(jié)束語

在新工科、學(xué)科交叉以及全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)的大背景下，本文結(jié)合思政和在線課程合理設(shè)計(jì)了理論教學(xué)、恢復(fù)并增加了提升個(gè)人能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使機(jī)電專業(yè)的學(xué)生在時(shí)間和空間上自由學(xué)習(xí)的同時(shí)思想升華、情感升溫，最終成為滿足社會(huì)要求的新型工程科技人才。