基于學科交叉的氣動技術課程綜合實踐教學研究

石巖，王娜，顧小玉，王一軒，任帥，蔡茂林

（1.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院；2.北京航空航天大學北航學院；3.北京航空航天大學生物與醫學工程學院，北京 100191）

近年來，教育部等國家部委均發布了針對研究生教育改革問題的若干指導方針與重要文件，其中，明確提出專業課的設置要體現學科發展的前沿，突出交叉學科的發展[1]。

針對現階段我校氣動技術課程教學存在與工程行業實際應用聯系性少、教學模式與教學內容落后單一、學生自主學習觀念與創新實踐能力不強等問題，結合德育優先、以人為本的教學思想，提出了基于學科交叉的氣動技術課程綜合實踐教學方法。在教學中突出創新實踐、教學改革和產業創新相結合，提高我校綜合教學能力與科研創新能力，同時為國家氣動技術新興高科技產業的發展提供人才支撐和智力保障。

一、氣動技術課程的教學現狀

作為機械傳動與控制工程的重要組成部分，液壓與氣動技術廣泛應用于高精密機床、工程機械、汽車船舶等傳統機械各行業，也是實現工業自動化、完成國家產業技術改革的重要技術手段之一[2]。其中的氣動技術是機電類人才所必須掌握的關鍵控制與伺服驅動技術，因此氣動技術課程是機電類專業人才培養的一門重要基礎課程。近年來，氣壓技術和智能控制技術等前沿理論相結合，廣泛應用于航空航天、深海開發、智能車輛等前沿科技領域，使氣動技術的應用得到新的發展，產生了基于學科交叉的氣動技術的課程需求。

國內現階段的傳統氣壓課程存在一定問題，主要問題是其教學模式過于單一，具體特點體現為：①其教學內容比較單一，氣壓課程內容比較廣泛，而且教學所涉及的理論推導、狀態分析較多，與工程實際應用差別較大；②教學方法比較陳舊，教案老套，課程教學過程中缺少與學生的交流互動，導致學生缺乏主動性；③實驗條件過于簡單，傳統的老舊設備自動化程度低、制造工藝差、功能單一[3]，但與工程實踐中實際使用情況的差距較大；③實踐內容過少，特別是工程實踐內容較少，對學生的主動性、積極性和創造性的培養產生不利影響，不利于學生綜合素質的培養。

由于其教學內容單一、教學方式陳舊、實踐內容較少等特點，傳統的氣動課程教學方式，往往容易導致“盲目接受”的教學狀態，這種傳統的教學方式導致學生在教學活動中的主觀能動性受到影響，對學生的主動性、積極性和創造性的培養產生不利影響，不利于學生綜合素質的培養[2]，更加不符合我國所要求的“培養理論基礎扎實、能力強、素質高的新型人才”的教學目標。不能跟上學科交叉融合發展的趨勢，落后于氣動技術現階段理論性、實踐性、應用性和交叉性的多元發展趨勢。

二、開展學科交叉的氣動技術課程改革的意義

（一）實現課程體系從單一到交叉融合的轉變

在工業自動化領域，氣動控制技術由于其諸多的顯著優點，已得到越來越廣泛的應用，成為工業自動化不可或缺的重要手段。但是，現階段國外研究型大學創新課程體系的設置呈綜合化和跨學科趨勢，如何將氣動技術應用于其他高新科技領域是我國氣動技術發展所面臨的挑戰與機遇。

基于醫工交叉的現代氣動技術涉及了多個學科領域，是對氣動技術、控制工程、自動化、醫學等學科的綜合應用。交叉科學的發展解決了技術交叉中的問題，使技術高度綜合化。

正如近期的疫情抗擊中，以基于醫工交叉的現代氣動技術為代表的交叉學科便解決了許多困難，尤其在對國家重大工程系統的設計、論證、實施、評價等工作中，也必須綜合地運用交叉科學。交叉科學的發展解決了技術交叉中的問題，使技術高度綜合化。因此，如何培養交叉學科人才，是當前國家發展戰略對高等教育提出的一個挑戰和急迫需求。

（二）實現從了解到深刻理解的轉變

氣壓傳動技術是一門理論性與實踐性相結合較為緊密的基礎課程，傳統的氣動課程由于其過于側重于理論知識的講授，使課堂比較枯燥和乏味。同時實驗課程也僅作為理論課程的衍生，是對基礎氣動元件的講解與操作，學生無法將所學知識與實際工程應用相聯系，教學效果較差。因此在開展學科交叉的氣動技術課程改革中，需要緊密結合實際應用，實現從理論了解到工程使用深刻理解的轉變，使學生真正掌握氣壓傳動技術在學科交叉領域中的關鍵知識及相關使用方式。

在氣動技術教學內容和方法的改革方面，通過“基礎理論知識掌握與工程實踐能力提高”的多目標并行的教學目標，結合項目驅動式多層次、多目標的教學方法，使理論與實踐成為相互統一的有效整體[4]。在以學科交叉為教學改革目標的氣動技術課程中，基于教師團隊的科研項目，搭建“咳痰樣機”“氣動系統機械通氣呼吸機樣機”等醫用工程項目。將學科知識、項目背景、項目實施方式貫穿于教學課堂中，使學生對氣動技術理論與實踐課程的綜合應用有了更為全面深入的理解。

（三）實現學生從解決問題到提出問題能力的提升

正如愛因斯坦曾說過：“提出一個問題往往比解決一個問題更為重要，因為解決一個問題也許是一個數學或實驗上的技巧。”北航作為國內雙一流高校，其教學宗旨緊跟國家科技經濟發展戰略，為滿足我國對培養全面性、創新性人才的需求，現階段引入基于學科交叉的教學模式十分重要。

基于學科交叉的氣動技術課程改革中通過學生親自體驗項目、產品開發過程的教學形式，拓寬學生科研工作的研究思路，提高學生的工程實踐能力。在學生能集中精力思考和解決問題的過程中，激發其創造性思維，使理論性知識向應用性、綜合性轉變。

本次教學改革深入貫徹“以學生為中心，以培養德智體美勞全面發展的高素質人才為目標”的教學指導思想，促進了我國高等教育的學科交叉方向的教學改革，同時滿足現階段國家對綜合型人才培養的需求。

三、學科交叉的氣動技術課程綜合實踐教學的開展

（一） 面向對象

“學科交叉的氣動技術課程綜合實踐教學”是機電技術專業的一門重要的專業知識課程，該課程面向的學生群體為自動化科學與電氣工程專業的碩博士研究生，同時其他專業的學生也可作為跨學科專業選修。無論對學生的思維素質、創新能力、科學精神以及在工作中解決實際問題能力的培養，還是對后繼課程的學習，都具有十分重要的作用。

在本課程中，學生的主要任務為較系統地掌握氣動技術的基本原理知識和實際應用方法。學生需要在系統性地掌握基本的理論知識基礎上，認識到這門氣動技術課程的工程價值，然后逐步通過實踐課程學習培養學生將專業理論知識與實際工程實踐相結合的能力，為后續課程和進一步學習現代科學技術打下專業基礎，最終通過本課程教學實現對學生的創新素質和嚴謹求實的科學態度的培養與塑造。

本課程內容主體將采用以理論授課與實戰教學相結合的模式。在理論課程中，將加強學生對氣動技術概念、原理、應用的理解，在指導學生完成理論學習的任務中把握知識結構，促進學生主動學習，培養其求知欲與創造性思維的能力。在實踐課程中，通過實驗教學及醫工交叉項目教學的模式，促進學生對理論授課內容的理解，滿足學生對氣動產品的理論、原理、機械結構等方面的認識以適應培養學生能力的要求；通過項目引導、目標驅動的教學方法，深入貫徹“以學生為中心，以培養德智體美勞全面發展的高素質人才為目標”的教學指導思想。實施學生親自體驗項目、產品開發過程的教學形式，全面提高學生的工程素養。

（二）教學形式

本課程將采用氣動理論與實踐課程相結合的項目訓練教學法，在教學計劃所規定的項目時間與教學規劃中，學生需要完成氣動技術課程綜合實踐教學的三方面內容。

①第一部分為氣動技術課程基礎理論知識的學習內容。在本課程中將對氣壓技術理論知識進行詳細介紹與學習，教學內容部分主要包含：氣壓傳動基礎知識、氣動技術相關的熱力學理論、氣動技術相關的流體力學理論、氣動元件的流量特性、容器的充氣與放氣、管路內的氣體流動、壓縮空氣的能量、氣缸的運動特性及系統設計、氣動伺服控制系統以及非定常流的測量與產生等。

②第二部分為基于基礎理論知識的氣動技術實踐教學。本課程將在氣壓技術理論知識學習內容的基礎上，要求學生通過搭建基礎氣動實驗回路，對容器的充氣與放氣過程與管路內的氣體流動特性進行詳細觀察與分析，然后進行對相關氣動元件的特性測試及驗證實驗，對試驗中的流量測試數據、氣體壓力采集數據進行分析，將得出的實驗結果與之前的理論分析進行對比驗證，滿足學生對氣動產品的理論、原理、機械結構等方面的認識以適應培養學生能力的要求。

③第三部分為基于學科交叉的氣動技術實踐項目學習。在多學科交叉方面，基于教師團隊的科研項目，搭建“咳痰樣機”“氣動系統機械通氣呼吸機樣機”設備供學生學習及做實驗（圖1）。在該項目實踐學習中，著眼于培養學生創新精神與綜合的工程實踐能力，構建工程創新平臺，學生真正參與具有實際工程意義的項目實踐工作。通過項目訓練教學法中的項目任務、項目評估、項目計劃、項目實施、項目成果、項目評價的教學過程培養學生的實際工程能力，學生在項目的不同階段發揮著不同的作用并鍛煉其相應的能力，最終將項目過程與結果通過撰寫實驗報告的形式進行總結回顧。學生在該過程中通過對所遇問題的綜合分析，一方面鞏固和擴充了基礎理論知識，另一方面動手實踐能力也得到了鍛煉。

圖1 氣動系統機械通氣呼吸機樣機

（三）實踐內容實例

1.基于基礎理論知識的氣動技術實踐教學

開展了對氣壓技術課程中所學習的理論知識內容進行實驗驗證與對比教學，搭建了基于調速閥的容器充放氣實驗平臺。

2.基于學科交叉的氣動技術實踐項目

在本實踐部分中，教學目標為通過項目訓練教學法，基于教師團隊的多學科交叉科研項目，搭建“咳痰樣機”“氣動系統機械通氣呼吸機樣機”等設備供學生學習及做實驗。

四、教學改革成效

（一）學生正面積極的綜合評價

課程選課人數逐年增加，學生普遍反映上課效果較好。2016～2020年，本教學模式已實施3屆，學生對課程綜合評價非常肯定，認為“實例講得很好”“老師開展交叉學科的思路很棒，拓展了視野”“老師教學認真仔細，激發學生思考，注重學生的動手能力”。

（二）學生參加科技競賽獲獎

2名學生作為完成人獲得2016年中國機械工業科學技術一等獎，3名學生作為完成人獲得2019 年度中國機械工業科學技術進步二等獎，指導的研究生團隊獲得北航研究生優秀創新團隊獎。

（三）學生發表高水平論文

學生科研能力得到提升，在多個交叉領域中發表學術論文：在Int J Numer Method Biomed Eng，Bioinformatics等期刊上發表論文10余篇。

五、結束語

基于學科交叉的氣動技術課程綜合實踐教學研究是對我國氣動技術課程的一次重要教學改革，在深刻理解并掌握氣動知識的基礎上，通過實現課程體系從單一到交叉融合的轉變，極大地擴充了教學內容，實現了學生從了解知識到實踐應用的轉變；通過建立以多項醫用工程項目為實踐內容的工程創新平臺提高學生的工程實踐能力，激發其創造性思維，促進了我國高等教育的學科交叉方向教學改革，同時滿足現階段國家對綜合型人才培養的需求。