氣動技術為載體的多課程聯合綜合實驗教學改革

金博雅1，李奇林，劉凱磊

(1.江蘇理工學院 材料工程學院，江蘇 常州 213001; 2.江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001)

引言

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[1]。2016年6月，我國成為國際工程聯盟大會批準為“華盛頓協議”第18個正式成員，這標志著我國工程教育開始正式與世界工程教育接軌，通過中國工程教育專業認證協會認證的專業本科學位能夠獲得其他成員國家“實質等效”認可。作為工程教育專業認證的核心理念，成果導向(Outcome Based Education，OBE)貫穿工程教育專業認證活動的整個過程，其精髓是從工程知識、問題分析等12個方面來培養學生將理論知識應用到工程實際，進行項目分析、解決問題和團隊協作等[2]。國內眾多高校以此為契機，從人才培養、課程體系建設等方面進行了教學改革研究，取得了一定的成果[3-5]。

《氣動技術》、《測試技術》以及《電氣控制與PLC》是機械工程學科中3門專業核心課程[6]。其中《測試技術》理論性較強，而《氣動技術》和《電氣控制與PLC》2門專業課程則側重實踐性，是《測試技術》相關理論的載體。在實際教學實踐中，由于《測試技術》理論性強，學生普遍反映較難，尤其是實驗環節難以跟學生所學課程結合，導致實驗教學效果差，學生的理論聯系實際能力未得到充分的培養。一直以來，眾多教育工作者們都在不斷尋找解決辦法[7-8]，但往往都是從單一的課程改革入手，沒有從本科培養體系出發將相關課程聯系起來，形成有機整體。此外，這些工作很少有專門針對實驗教學進行綜合改革研究，因此學生難以做到對所學的知識觸類旁通、理論聯系實際。綜上分析，在工程認證背景下，以培養學生實驗綜合能力為目標，以《氣動技術》實驗作為載體，將《測試技術》以及《電氣控制與PLC》的理論知識與專業課程有機融合進行綜合實驗改革，是一項具有重要意義的研究工作。

1 氣動技術-測試技術-PLC綜合實驗教學體系的構建

1.1 課程建設理念

傳統氣動技術、測試技術、電氣控制與PLC 3門課程的實驗學時分別為8，4，12課時。這些實驗都是驗證性實驗，主要以課程相關的基本原理演示為主，學生基本上都是跟著實驗指導書依葫蘆畫瓢。由于缺乏設計與研究的環節，學生的工程實踐和創新能力基本上沒有得到鍛煉，這是與工程認證的OBE理念不符的。針對上述問題，需要根據學生的認知規律，以學生能力目標為導重新設計實驗教學內容。

由于這3門課程的實驗教學內容存在比較緊密的聯系，即氣動元器件需要PLC作為控制媒介才能實現自動化運行，而PLC控制需要測試技術的相關理論作為基礎才能實現控制的精確性與準確性。如果說氣動元器件是人體的肌肉，那PLC控制可以類比為大腦和神經系統，而測試技術的理論則是人類的思想和知識技能。因此，將這3門課程的實驗教學內容聯系起來進行綜合教學設計是一種符合OBE理念的科學教學方法[9]。

通常來說，高校氣動技術、測試技術以及電氣控制與PLC 3門課程都安排在大三上學期。由于3門課程在時間上平行，這就為綜合實驗教學在時間安排上提供了可能。因此可將氣動技術-測試技術-PLC綜合實驗單獨設置為一門課程，總學時數為16課時，包含氣動技術和測試技術的全部實驗內容和電氣控制與PLC的部分實驗內容。通過合理設計實驗內容，將3門課程的知識點有機融合，以達到培養學生工程實踐和創新能力的預期目標。

1.2 課程目標

落實課程目標的關鍵是解決“課程如何實現對畢業要求的支撐”問題，將能力的培養貫穿整個教學過程[10]。根據企業需求和專業人才培養大綱，制訂了4個培養目標，通過氣動技術-測試技術-PLC綜合實驗，培養學生在工程知識、復雜工程問題的設計/開發解決方案、運用理論對復雜工程問題進行研究以及團隊協作等四個方面綜合能力。這4個培養目標分別支撐4個畢業要求，具體對應關系如表1所示。

表1 課程目標與畢業要求指標點的對應關系Tab.1 Congruent relationship between curriculum objectives and requirement points for graduation

課程的培養目標具體為：

課程目標1：掌握氣動元件和各種基本回路的工作原理，能對機械工程領域常見的氣動系統進行分析。

課程目標2：能針對機械工程領域具體的氣動問題創新性地制定解決方案，并通過查閱相關樣本資料、文獻資料尋求多種解決方案，能選用正確的氣動元件和PLC控制方案進行合理有效的實現。

課程目標3：掌握信號測試信號采集的基本原理和裝置，掌握信號的處理方法和分析方法，能夠選擇使用智能儀器和虛擬儀器對機械裝備設計及制造工藝問題進行分析和測試方案設計能，通過實驗結果對測試系統的靜/動態特性指標進行分析和處理，得到不失真的測試系統。

課程目標4：能夠以小組形式，開展氣動技術系統設計、PLC程序設計以及信號測試分析、接線與調試等任務，在小組中能承擔成員或者負責人的角色，能夠與組內成員有效溝通，獨立或合作開展工作。

1.3 實驗教學內容

根據制訂的課程目標，以氣動技術為主要載體，設計了3個環節的綜合實驗，包括氣動基本回路驗證、物料分揀搬運以及氣動挖掘機綜合實驗。3個環節的內容深度與對學生綜合能力的要求依次提高，部分環節劃分了若干個難度等級，可依據學生的能力進行相應選擇，做到因材施教。本課程的4個課程目標中，課程目標1～3是知識目標，即培養學生的相關原理認知；課程目標4是能力目標，即培養學生的團隊協作能力。前3個知識目標可以通過傳統的考核成績進行評價，而課程目標4對應的團隊協作能力評價則只能在實驗過程中體現。因此在課程建設理念上，將每個實驗項目的考核分成兩部分，分別支撐對應的知識目標和團隊協作能力目標，即課程目標4的達成對應本課程的所有實驗內容。在具體的實驗內容安排上，每次實驗都是以小組的形式開展，并指定組長。通過多個實驗，讓每個學生在不同實驗中分別承擔組員以及組長的角色，從而培養學生的團隊協作能力。因此，構建了實驗教學內容與本課程目標的對應關系，如表2所示。

氣動基本回路驗證實驗環節的目標是培養學生掌握基礎知識以及團隊協作能力。 該環節包括換向回路、速度調節回路、互鎖回路、往復控制回路、順序動作回路、自鎖與互鎖回路等7個大類的實驗項目。該環節設計學時為8課時，實際教學中可以根據需要靈活選擇其中4個實驗。

表2 實驗內容與課程目標的對應關系Tab.2 Congruent relationship between experimentcontent and curriculum objectives

物料分揀搬運綜合實驗環節涉及氣動技術以及PLC控制相關知識點的綜合與應用。其目標是通過團隊協作的形式，培養學生對復雜工程問題的分析解決能力。該環節包括物料傳輸與分揀實驗、搬運機械手實驗、物料分揀搬運綜合實驗等3個項目。該環節設計學時為4課時。

氣動挖掘機綜合實驗環節將氣動技術、測試技術以及PLC控制3門課程的相關知識點進行綜合與應用。其目標是通過團隊協作的形式，培養學生對復雜工程問題的分析與研究能力。該環節以氣動挖掘機為控制對象，采用PLC對其進行閉環控制，實現挖掘機動作的精確運行。該環節的設計學時為4課時。

2 基于項目的多課程綜合實驗教學改革實踐

項目教學法以問題為導向，強調學生的自主學習過程和實際解決問題的能力[11]。其最顯著的特點是“以項目為導向、以任務為驅動；以教師為引導、以學生為主體”，通過共同協作能夠很好地調動學生積極性，激發學生創造思維，因此在工科專業的教學實踐中獲得了廣泛的應用，尤其是在機械工程領域的相關研究實踐成果為本研究提供了寶貴的經驗[12]。項目的設計是項目教學法的核心，需要有一定的廣度和深度，且需要結合生產實際，從而適應工程認證對學生綜合能力的需求。

2.1 氣動基本回路項目教學

根據教學內容安排，自主設計并搭建了氣動基本回路實驗臺如圖1所示。該實驗臺主要由柜板、氣動元器件(電磁閥和氣缸等)、位于上部的繼電器與PLC控制柜、以及電腦上位機4個部分組成。在氣動元件的控制方式上有手動、繼電器、PLC 3種形式，適用性強。通過氣動元器件與控制柜的組合，可以完成7大類的氣動基本回路驗證實驗。其中，換向回路和速度調節回路均包含單作用氣缸和雙作用氣缸2種形式，往復控制回路包含單缸單往復和單缸連續往復兩種形式。結合不同的控制方式，可以組合出純氣動回路、繼電器控制的氣動回路以及PLC控制的氣動回路等項目，從而形成不同的難度等級，教學中可以靈活選擇，因材施教。學生以2人組成小組，根據項目任務書開展實驗，完成元器件選擇、連接和調試等任務。

2.2 物料分揀搬運綜合項目教學

物料分揀搬運綜合實驗，包含物料傳輸與分揀實驗、搬運機械手實驗、物料分揀搬運綜合實驗等3個項目。圖2所示為搬運機械手綜合實驗臺。該機械手有3個自由度，即垂直升降、水平橫移、180°旋轉。主要完成以下動作：啟動—手抓下降—手抓夾緊—手抓上升—手抓收回—旋轉—手抓下降—手抓伸出—手抓松開。機械手氣缸工作的順序由PLC控制，從學習簡單的PLC指令編程，梯形圖編程，深入到PLC控制的應用、與計算機通訊、在線調試等實驗項目。

圖3所示為物料分揀綜合實驗臺，由底板、氣動部分、落料機構、物料傳送機構及電氣控制器等6部分組成。氣動部分由電磁閥和氣缸組成；物料傳送部分由直流電機驅動同步傳送帶。電氣控制器由單相直流減速電機、電磁閥、接近開關以及PLC等組成。通過接近開關信號采集，PLC編程，對直流電機、電磁閥進行開關量控制，實現對傳送帶上金屬與非金屬的物料進行辨識與分揀。物料分揀綜合實驗臺涵蓋了PLC、氣動技術、電機傳動、位置控制、傳感器檢測等內容，是實際工業現場生產設備的微縮裝置。

上述2個實驗可以作為基礎項目，此外，還可以聯合上述2個實驗臺進行物料分揀搬運綜合實驗。由于難度進一步提升，該部分供學習成績具有一定余力的小組選做。

2.3 氣動挖掘機綜合項目教學

氣動挖掘機綜合實驗臺如圖4所示，主要包括氣動挖掘臂、電磁閥、PLC控制器等幾個部分。氣動挖掘臂具有3個自由度，由氣缸單獨驅動構成關節。每個關節上都有獨立的直線位移傳感器，并通過數據采集卡接入電腦的虛擬儀器系統中。該實驗項目以2人小組開展，分工協作完成氣動挖掘機氣動回路設計、PLC控制系統軟硬件設計、信號采集、閉環控制系統建模與響應分析、以及安裝調試工作。由于是3門課程知識的綜合運行，難度和工作量較大，整個項目的時間為4課時。

3 課程考核評價方式改革與成果

3.1 課程考核

傳統實驗課程的考核形式一般都是以實驗報告為依據[13]。隨著人才需求的不斷變化，單一的評價方式已經不能適應社會和時代的發展。在工程認證的背景下，越來越多的人意識到，實驗教學的考核評價應該是多層面的，這樣才能全面考察學生的綜合能力[14]。

為了比較全面地評價學生對該實驗課程的掌握情況，將考核評價分為現場答辯和實驗報告兩個方面，各占實驗總成績的50%。單次實驗的得分為上述2個成績的平均值，均按照百分制打分。現場答辯環節不僅能避免相互抄襲、真實檢驗學生對知識點的掌握情況，最主要的是可以反映小組成員之間的分工協作能力，是評價該小組學生團隊協作能力的依據。老師通過詢問每組學生在實驗過程中的任務分配、遇到的問題及分析處理過程等情況，就可以迅速了解學生作為成員或組長的角色是否合格。實驗報告要求學生將實驗目標、原理和方法、以及結果分析進行詳細記錄，是反映學生相關知識能力目標的依據。最終，根據表2中實驗內容與教學目標的對應關系，制訂了各考核環節與課程目標的量化關系如表3所示。

表3 課程目標與考核評價的關系Tab.3 Relationship between curriculum objectives and examination

3.2 達成度評價

根據工程認證標準，課程目標達成度評價包括課程目標達成度評價，以及課程總目標達成度評價[1]。本課程中，各課程目標達成度計算公式為：

(1)

式中Ei—— 第i個課程目標的達成度，i=1，2，3,4

ai—— 第i個課程目標對應的現場答辯平均分

Ai—— 第i個課程目標對應的現場答辯目標總分

bi—— 第i個課程目標對應的實驗報告平均分

Bi—— 第i個課程目標對應的實驗報告目標總分

課程的總目標達成度E按照下式得出：

E=E1×20%+E2×20%+E3×10%+E4×50%

(2)

3.3 運行成效

多課程聯合綜合實驗教學改革運行近兩年以來，共有2個班80余名學生參加實驗，反映良好。以最近一學期的成績為例，課程目標3達成度最低，為0.768，其余課程目標達成度均在0.8以上。根據“木桶原則”，說明學生對測試技術相關理論的掌握與分析能力相對較弱，這與課堂理論教學的反饋結果一致，今后應該在這一方面強化課堂教學環節。學生通過該綜合實驗環節的訓練，激發的學習興趣，有效提高了知識的綜合運用能力和團隊協作能力。在以工程認證為契機的各項教學改革的綜合影響下[9]，該班的學生目前已自主申請并授權實用新型專利2項，獲得江蘇省大學生工程能力訓練大賽三等獎1項，以及江蘇省大學生創新創業訓練項目2項。該綜合實驗教學改革的運行時間較短，可以預見只要一直堅持今后肯定會有更好的成果。

4 結論

在工程認證背景下，通過以氣動技術為載體的多課程聯合綜合實驗教學改革探索與實踐，獲得了如下幾個方面的經驗：

(1) 涉及多課程知識的綜合實驗設計是關鍵，通過項目形式將多個課程的知識點有機交叉融合，是一種有效的教學方法。

(2) 考核環節中，小組答辯要求全部成員都要匯報，并對實驗過程中的問題和結果進行分析討論，有助于培養學生的科學思維和素養。

(3) 項目教學中，要適當弱化教師的理論講解，重點突出學生的主體作用，引導學生增強分析和解決問題的意識和能力。