“流體傳動與控制綜合實驗”教學改革探索與實踐

孫 淵， 李慶齡

（上海電機學院機械學院，上海 201306）

0 引 言

工程本質上是造物、實踐活動，工程教育與傳統科學教育的主要區別在于突出實踐，回歸工程，關注現實工程［1］。近年來，中國工程教育界重視工程實踐，強化實踐教學環節，重視學生工程實踐能力培養。1994年，國家頒布《高等教育面向21 世紀教學內容和課程體系改革計劃》，明確提出“綜合性、重實踐”的教學改革要求，加強工程實踐能力的培養，強調課程“整合”與課程“集成”，重建課程內容和課程結構。2008 年，在教育部指導下，構思—設計—實現—運行（CDIO）教育模式開始在工程教育中探索與實踐［2］，讓學生以主動、實踐、課程之間有機聯系的方式學習工程。2010年，教育部啟動了“卓越工程師教育培養計劃”［3］，其目的就是要培養工程實踐能力、工程設計能力和工程創新能力。2015 年，教育部等三部委下發的《關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》指出，地方高校的人才培養應與地方經濟發展需求對接，以培養能夠服務地方企業的應用型工程科技創新人才和服務區域經濟社會發展的科技產業人才為主，因此探索產教融合途徑提升人才培養質量成為研究熱點［4］。此后，眾多地方高校開始探索成果導向教育（OBE）教育模式，開展工程教育專業認證下的課程教學改革［5～6］，關注學生課程學習成效，關注學生本體，關注學生能力培養。縱觀中國工程教育改革之路發現，工程活動至關重要。為此，工程教育改革更加需要強化實踐的分量，重視創新設計和工程實踐［7］，尤其在實驗教學中要加強研究和探索。例如，李晶等［8］在課程實驗中構建了層次化實驗教學內容體系，引入虛擬仿真技術，創新教學方式，提升學生實踐能力；葉回春等［9］運用虛擬仿真技術使學生了解前沿知識與先進技術；趙勁松等［10］結合電液伺服實驗臺進行實踐教學研究，加深了學生對理論知識的理解，培養了學生解決實際工程問題的能力；朱玉平等［11］構建了“三耦四融”的工程實踐創新人才一體化培養體系，以提升學生工程實踐創新能力。

我校機械電子工程專業教學團隊從專業培養方案、培養目標、培養模式、課程教學等方面開展了全面的改革與試點：以培養學生的工程實踐能力為主線，開設了專項實驗、綜合實驗和綜合實踐教學，實踐教學比例占35%以上。通過綜合實驗課程，創設環境讓學生運用多門課程知識進行有效的綜合和集成，培養學生創新設計和工程實踐等綜合能力。其中，筆者開設的“流體傳動與控制綜合實驗”就是運用“液壓與氣壓傳動”“計算機輔助設計（CAD）基礎”“項目管理與經濟分析”“機電控制系統”等專業課程所學知識進行多知識融合，運用液壓相關專業知識，進行機電設備的液壓系統及其控制系統方案設計，以及具體的系統回路設計、控制系統設計、負載連接件結構設計，既鍛煉了學生分析機電領域復雜工程問題的能力，又為學生完成后續畢業設計提供了必要準備。在課程改革過程中，遵循回歸工程，從關注現實工程、關注學生學情、關注學生能力三方面進行了探索與實踐。

1 教學中存在的問題

“流體傳動與控制綜合實驗”是機械電子工程專業必修課程之一，旨在提升學生的專業實踐能力。該課程作為實踐教學環節，前4 年是“一人一題”，近2年采用“一組一題”的模式，3 或4 名學生自由組合，以小組形式合作完成一個完整的機電液工程項目。本課程開設之初，即關注任務驅動、學生主導、教師引導。通過近6 年的教學實踐發現，目前該課程教學實施過程中亟需解決如下3 個突出問題。

1.1 知識與企業技術不同步

隨著新興產業和智能技術的出現，以智能制造、云計算、人工智能、機器人技術的新工科，相對于傳統的工科人才，更需要實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型應用人才。如何培養具有創新意識的實踐應用人才以適應當代科技發展和新工科建設需求，是值得思考與研究的問題，例如胡蔓等［12］探索了新工科背景下工程實踐教學模式，嚴寒冰等［13］進行了智能制造技術引領下機電專業實踐教學體系的研究等。隨著技術的發展，現實工程新技術需要快速融入課程項目，以往課程項目涉及的知識體系已經滯后，有待于更新和優化。因此，需要更新課程中機電液工程項目，與目前智能化、自動化設備中工程實際應用技術保持一致，實現課程學習內容與企業技術應用同步，通過工程實踐鍛煉學生分析機電領域復雜工程問題的能力。

1.2 課程設計分組不科學

前期的“一人一題”是基于課程設計基礎上的“延續”“一組一題”是基于與其他綜合實踐課實施方式上的“抄襲”。通過教學，發現這兩種方式均存在一定弊端，采用“一人一題”，學生之間思考和決策的互動性缺乏，往往只顧自己，缺少溝通交流，從而缺乏高階思維和創新意識的驅動力；采用“一組一題”，學生分組進行組長選擇制，帶有主觀性，忽略了學生學情，從而影響到學習成效總體發揮。因此，需要改進分組方法，關注學生個性，最大效果地提高學生學習成效，達到課程培養目標。

1.3 學生綜合應用能力較弱

課程項目開展過程中，發現學生對機電專業知識的應用能力極為欠缺。本項目需要CAD基礎，通過機械設計對負載件進行設計裝配，需要可編程邏輯控制程序（PLC）對電磁閥實現自動控制，利用有限元數值模擬軟件對液壓系統進行仿真分析。其中，CAD 軟件涉及三維建模軟件（如UG NX、SOLIDWORKS 等）、液壓回路和建模仿真分析，涉及有限元數值模擬軟件（如AMESIM、SIMULINK等），需要經濟決策對元器件進行選型，完成系統的設計。由于系統的設計考慮到多因素，其設計過程需考慮更多的技術耦合與系統集成，而多因素的技術耦合與系統集成，需要學生具備高階思維能力、設計方案創新能力和機電液專業知識的綜合應用能力。但是，目前由于學生在培養過程中對上述能力培養重視度不夠，學生的綜合應用能力較弱。

2 課程教學改革舉措

2.1 建立多知識融合項目

關注現實工程問題，建立多知識融合項目是本課程教學改革核心內容。在現實工程問題中，著重關注企業技術應用，實現課程教學內容與企業技術應用同步，保證課程教學內容先進性，學生在學習過程中可以體驗先進技術，接觸現實工程復雜問題。當學生面臨問題，分析問題和解決問題時，往往會伴隨著“困惑和興奮”的情感，而當問題被解決后，又可以讓學生收獲“學以致用”的獲得感，這將大大激發學生的求知欲，并維持學習興趣的持久性，這種由知識學習、能力培養與情感體驗有機結合的培養模式，將大大提高學生學習成效。特別是，由于項目來自企業實際工程問題，可以帶領學生融入制造業生產一線，親自“看見”和“識別出”問題，并進而向著解決問題而產生學習動力。另外，來自企業生產實際需求的項目，可讓學生產生一種社會需求感和責任感，能夠讓學生在設計中綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素，并分析和評價機電工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律、文化的影響及責任。

建立多知識融合項目，關注多知識綜合應用，實現高階思維、創新能力和知識應用能力提升，是綜合實驗課程改革任務。綜合實驗課程培養目標是將兩門及以上課程知識有機集成，運用兩種或兩種以上的實驗方法和手段完成實驗項目，本課程將液壓與氣壓傳動、機械設計、項目管理與經濟分析、工程制圖、CAD 基礎、液壓系統建模與仿真、機電控制系統等多門課程和知識有機融合（見圖1），運用現代繪圖設計軟件、系統建模仿真軟件和自動控制軟件完成項目設計和實驗研究，具體設計分為：A.項目需求分析；B.理論計算成本決策；C.系統建模與裝配；D.液壓回路建立與仿真；E.PLC編程及運行；F.液壓系統實驗搭建、系統自動控制、回路運行、實驗驗證6 個流程。在項目需求分析、擬訂方案時，需考慮到企業生產需求、加工工藝、成本和環境友好性等多因素，其過程會帶來更多挑戰性，有助于培養學生解決復雜問題的綜合能力。此外，按照發明問題解決理論（TRIZ），能為學生在產生創新思維后提供新的思考方式和實踐素質［14］，現實工程復雜問題同樣會引發更多的創新思維，可以鍛煉學生、培養學生的高階思維能力、設計創新能力和機電液專業知識的綜合應用能力，達到學習成效。

2.2 探索科學分組策略

本課程作為一門實踐性課程，一定要讓學生成為課堂主角，學生作為學習主體，參與到實踐學習中，教師角色已不再是以傳授知識為主，而是幫助學生去發現和探索問題、組織和管理知識、形成思路、解決問題，因此，關注學生學情，探索科學分組策略也是本課程改革核心內容。當交給學生一個多知識融合的現實工程實際項目，并教會他們如何運用已有知識，如何獲取企業生產中新知識和新技術之后，教師僅需做到適時引導，讓學生去自由、自主發現解決問題和可能的技術沖突，真正學到本領。但由于班級學生學習能力和學情不同，面對一個復雜工程問題的課程項目，可能造成部分學生學習能力不足而導致學習成效下降。因此，有必要基于分層教學理念，探索綜合實驗課程的科學分組問題。

分層教學是指教師根據學生現有的知識、能力和潛力把學生分成幾個彼此水平相近的群體并實施區別教學［15］。學生分層是分層教學法應用的關鍵，根據學生的學習能力和學情，將學生分為基礎優秀、基礎中等、基礎較差3 個層次，并根據其學情來安排不同難度的教學內容。分層目的是為了因材施教，關注學生特點和個性差異，進而采取分類指導。而分組是基于學生分層的基礎之上，對于不同學習能力和學情的學生進行優化組合，使小組成員最大限度的發揮各自能力，并且互相促進，其原則是各組總體實力要相當，同組組員搭配要合理，每個組盡可能擁有不同程度的學生，包括學生基礎、接受能力等。在分組中，學生們之間開展互動和合作，可對學習成效產生巨大影響［16］，每位學生都可以向他人學習，每位學生都有機會為他人做出貢獻，同時分享他人的貢獻。

近2 年來，筆者在該課程的教學過程中，根據學生分層進行了科學分組教學。例如，2020 ～2021 學年承擔該課程時，在學生分組前做分層調研，主要考察三方面內容：①專業知識評價，主要根據機械設計、工程制圖、液壓與氣壓傳動、三維建模軟件、仿真軟件、機電控制系統等既往成績來判斷；②思維能力和創新意識評價，主要根據學生參與科技活動、大學生科創經歷、發表論文、申請專利、比賽獲獎等來評價；③工程實踐經歷，主要考查學生參與暑期實習、企業實習、社會實踐活動等情況。根據調研，了解學生學習成績、思維能力和創新意識、工程實踐經歷，然后將“層次不同”的學生歸入同一組，如圖2 所示。將學生按照專業知識、思維能力和創新意識、工程實踐經歷方面的強、中、弱3個不同層次進行組合，發揮小組成員各自優勢，取長補短，優勢互補，相互學習，達到課程目標。

圖2 基于學生分層的分組策略

2.3 探索能力培養模式

2.3.1 高階思維和創新能力培養

本課程項目內容基于現實工程問題，具有一定的復雜性，涉及多種知識和技術手段方能解決的題目，以培養學生的綜合應用能力，因此，關注能力培養，探索了多項能力遞進培養模式。基于現實工程項目，設計活動是一個高階思維過程，也是一個創新過程。高階思維是不規則的、復雜的，能夠產生多種解決方法，需要多種應用標準，自動調節，且包含不確定性，產生不同創新方案。在項目需求分析、方案擬定過程中需要學生的思維能力和創新能力，需要分析、判斷、推理、假設、預測、驗證、決策、反思……一系列過程。作為一門綜合性實驗課程，培養學生采用多種技術手段，最終協作完成一項項目任務，學生需要從項目需求分析開始，完成多種方案的擬定，通過理論計算、成本決策等得到最后方案，從而驅動學生高階思維和創新能力。

2.3.2 綜合應用能力培養

本課程設計方案確定后，后續任務為液壓元器件建模與裝配、液壓回路建立與仿真、PLC 編程及運行、液壓系統實驗搭建、系統自動控制、回路運行、實驗驗證等，在全流程設計過程中，需要運用多門課程知識融合來完成現實工程項目。在項目設計的全流程中，上述各環節之間往往存在技術依賴和信息依賴：在設計上游階段，如設計方案中參數變化會影響到下階段液壓元器件建模與裝配；又如液壓系統設計又會影響到下個階段液壓系統仿真。這些技術問題出現和解決，是需要學生全方位、系統性考慮的，需要分析和掌握整個流程中各技術環節之間知識和技術互聯和集成，因此通過后續設計任務，全面培養學生機電液專業知識的綜合應用能力。

2.3.3 踐行成果導向教育（OBE）

在項目需求分析、方案擬定過程中，培養了學生高階思維和創新能力，后續實驗過程中，著重培養學生專業知識的綜合應用能力，從而實現了多項能力遞進培養模式，在此基礎上，開展了OBE 的實踐教學方法研究。OBE已成為教育改革的主流理念［17］，并將其貫穿于工程教育認證標準的始終，OBE 是指教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程最后所取得的學習成果，OBE關注學習成果，因此在課程實踐教學上實施“任務引領、項目驅動，學生主體、教師引導”的實踐教學方法，老師給出項目任務，提出設計要求，學生自主設計，獨立思考，創新思維解決問題，完成實驗，獲得與之對應的課程實踐能力。在項目過程中，實現了“學生為主體，教師啟發引導”，由教師“教會”轉變為學生“學會”；由教師的知識“傳授型”轉變為學生的能力“形成型”（學習成果），因此踐行OBE 的實踐教學方法，保證學生在綜合實驗課程中多項能力的漸進形成，最終實現綜合應用能力和工程實踐能力的培養目標。

3 改革成效

經過近幾年的教學實踐，形成了初步的研究雛形和一些階段性成果。

（1）課程項目。①回歸工程，關注現實工程，課程項目更新為面向現實企業技術應用問題，面向數字化、智能化生產，運用現代先進設計開發軟件和實驗手段，完成了課程項目設計和實驗全流程。具體包括：液壓系統數字化設計與建模仿真（AMESIM/SIMULINK）、負載和執行元件設計與裝配（UG/SOLIDWORKS）、液壓系統PLC 控制（PLC 梯形圖、狀態圖）、液壓系統搭建和控制實驗等系統集成各個組成模塊，實現了多知識融合和集成。②堅持OBE 教學，實施了“任務引領、項目驅動”“學生主體、教師引導”的實踐教學方法，關注學習成效，基于分層基礎上科學分組策略，學生們之間開展互動和合作，高質量地完成了課程項目。

（2）教學成效。①聚焦能力培養，關注現實工程問題，培養了學生高階思維和創新能力，培養了學生綜合分析和解決問題的能力，培養了機電液專業知識的綜合應用能力，獲得了工程實踐能力。②基于分層科學分組，開展全過程自主設計和實驗，增進了學生組織協調和團隊合作能力，彌補了同學間不足之處，全方位調動了學生學習力，全面提升了學生各項能力的形成。

4 結 語

應用型本科專業建設以實踐能力為主線，構建了實驗課程、綜合實驗課程和綜合實踐環節，本課程是綜合實驗課程，其開設是運用多知識進行實驗學習，培養學生綜合應用能力和工程實踐能力。針對本課程教學中出現的問題，進行了課程教學改革，從面向現實工程問題，關注工程實際應用技術，建立了多知識融合項目庫，實施了不同學情學生科學分組，探索了多項能力遞進培養模式，從而全方位調動學生學習力，培養學生的高階思維能力、設計創新能力和專業知識綜合應用能力。