“新工科”背景下智能型柴油機實驗課程改革與實踐

馬忠民，曲宏飛，李敬陽，高躍峰，趙龍文

（大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連 116026）

1 引言

新一輪科技革命和產業變革正在蓬勃推進，并取得了巨大進步[1,2]。復旦共識、天大行動和北京指南，構成了“新工科”建設的“三部曲”，奏響了人才培養主旋律，開拓了工程教育改革新路徑[3,4]。隨著智能化、數字化、信息化等現代科技的興起和快速發展，在大數據、物聯網的背景下，整個工業領域也正在向計算機化、數字化和智能化方面推進。

現代輪機工程是集機、電、氣知識為一體的大型綜合系統[5]，電子控制技術在船舶領域得到了快速發展，自20 世紀70 年代研究開始，柴油機電控噴射技術已經發展到第三代。智能型柴油機是將電子控制技術、計算機技術和信息處理技術綜合應用于柴油機而形成的一種新型柴油機，具有很強的運轉適應性，能夠根據工況確定最佳噴油壓力，使柴油機處于最優狀態運行，具有完善的狀態監測和控制系統，降低柴油機NOX 和PM 的排放等優點，符合當前節能減排背景，在船舶領域得到廣泛應用[6]。本文以“智能柴油機實驗課程”為例，介紹智能型柴油機實驗教學改革方法與實踐成果。

2 課程教學現狀

一是實驗教學素材缺乏，學生對于智能柴油機的學習內容僅限于教材和課堂理論介紹，實驗室缺乏智能柴油機的相關實驗教學設備，教師無法對智能型柴油機工作方式和控制原理進行直觀講解，授課方式和授課內容相對枯燥。二是實驗教學素材昂貴，受制于智能型柴油機采購成本和實驗室場地空間的限制，一般也很難將智能控制技術的柴油機引入實驗室中進行直觀教學并演示，學生對于智能控制技術的理解和能夠實現的功能、控制原理就更加陌生。此外，輪機工程專業本科學生畢業以后，學生的擇業方向之一是從事遠洋運輸船舶管理工作，目前新建遠洋船舶多數安裝智能控制技術的主機，在設計理念和機器結構方面，較傳統柴油機有著較大的區別，需要學生具備較強的理解能力和邏輯思維能力進行使用和管理。因此，加強智能型柴油機的實踐環節教學，提升學生綜合判斷能力和問題處理能力變得尤為重要。

3 教學內容設計

3.1 實驗設備

“新工科”建設行動提出將產業和技術的最新發展、行業對人才培養的最新要求引入教學過程，不斷優化工程教育模式，更新教學內容和課程體系。目前，“智能柴油機”教學過程以理論教學為主，對應的實踐教學環節相對不足，本文以瓦錫蘭公司提供的“智能型柴油機模擬器”為教學素材，展開實踐環節教學，模擬器如圖1 所示。

圖1 智能型柴油機模擬器

該模擬器模擬一個5 缸RT-flex60C 柴油機控制系統，作為一個獨立自主的工作單元，具備很強的實用功能和演示功能，同時還可以為社會船員提供模擬培訓作用。WECS-9520 是瓦錫蘭RT-Flex 柴油機控制的核心，其功能是代替以前的凸輪軸對柴油機進行控制，包括：共軌監測和壓力調節，噴油器、排氣閥以及起動閥的控制和監測，以及外部系統的接口功能等[7]。

3.2 課程教學內容

（1）課前教師介紹模擬器外觀結構及WECS-9520控制系統組成及主要功能。

（2）學生了解并掌握燃油共軌單元和伺服油共軌單元工作原理；燃油共軌系統及噴射控制單元（ICU）工作原理。

（3）檢查、熟悉設備外觀，閱讀模擬器操作規程，了解設備的性能和使用方法，按照操作規程能夠正確操作模擬器。

（4）接通模擬器電源，插入模擬器運行保護U 盤，啟動運行操作電腦，打開模擬器操作軟件，進入模擬器操作界面。

（5）按照操作規程，逐步演示模擬器具有的各項功能，并觀察電腦界面參數顯示，圖2 為伺服油壓操作顯示界面。

圖2 伺服油壓操作顯示界面

（6）在實驗過程中，還可以改變控制油壓、掃氣壓力、噴射壓力等信號值，觀察模擬器的顯示狀態及報警情況。

3.3 教學方法改革

在“新工科”建設背景下，任課教師在課堂中要注重師生互動環節，推進信息技術和教育教學深度融合，加強以學生為中心的工程教育模式[8]。傳統教學模式相對單一，并且智能柴油機課程難度較高，從而導致學生學習的主動性不強、興趣不高，教學效果不理想。輪機工程專業是理論性和實踐性都比較強的一門專業，要培養學生的知識運用能力和實踐動手能力。目前，多數實驗課程采用傳統的授課模式，即教師講授-學生聆聽（Lecture-based Learning，簡稱LBL）[9]，圖3 中（A）所示。

圖3 LBL（A）與PAI class（B）教學模式

基于當前教學現狀，作者嘗試在實驗課堂引入“教師講授(Presentation)、學生自學（Assignment）、學生互講（Instruction)”的“PAI class”教學模式[9]，該方法已經在輪機工程專業的其他實驗課堂中取得了良好的教學效果。在課堂采用“PAI class”教學模式，課堂融入“學生互講”教學環節，將傳統單一的講授模式變為以問題為導向的自主性學習和協作性學習模式。在學生互講之后，小組之間互相評分，然后教師對學生的講授內容進行補充，完善學生講授內容，讓學生成為課堂學習的主導者，改變傳統授課手段和教學模式，提高課程教學質量，教學模式如圖3（B）所示。

課前準備。聯絡各班班長，組建課程微信群，方便教師與學生聯絡和發送相關學習資料；根據教學大綱要求，編寫課程教案，制定教學內容，準備教學素材和預習材料；老師將課程預習文檔材料、教學資源、課程預習要求發送到班級微信群中；預習過程中，要求學生將遇到的問題做好記錄，課堂進行講解和答疑。

課堂實施。課前教師強調安全和紀律情況，培養學生安全和紀律意識；教師結合學生課前預習問題反饋情況，著重對遇到的問題和重要知識點進行講解；實施“PAI class”教學模式；將學生分成3 個小組，教師發送每組學習主題，小組組員自行學習，然后小組之間互相講解本組學習內容；所有組都完成講解以后，小組之間進行互評，該環節能夠培養學生團隊協作意識和言語表達能力；教師對實驗設備、實驗過程、實驗關鍵環節進行介紹；課程結束前，學生當面與教師互動交流，對本課程的學習情況進行總結。

課后提高。課后學生進行總結并書寫實驗報告；學生根據實際授課情況及授課效果提交問卷調查；教師對實驗課程教學內容和問卷反饋情況，及時總結和歸納；教師根據反饋情況，更新課程內容設計，實現課程教學的動態更新。

4 教學效果分析

評價方式優化。由傳統的結果性評價轉變為過程性評價，評價過程從課前預習、課堂學習和操作、課后實驗報告，到最終的問卷反饋，涵蓋整個學習過程。課程評價過程優化，改變了以教師為主導的結果性評價方式，使得整個課程評價更為合理。

教學效果提升。通過實驗教學過程的改革，實施“PAI class”教學模式以后，學生學習熱情提高，學生課堂參與程度顯著提升；同學之間互相探討，提高了團隊協同配合能力；教學方法新穎，教學內容有趣。改善了學生的學習狀態，課堂融入小組自學互講打分環節，學生重視程度明顯提高。同時根據問卷反饋情況，教師還可以動態更新授課知識和完善相關教學內容。

學習成績提高。根據課前預習報告提交情況及課堂出席情況，學生能夠全部完成課前預習；根據課后問卷反饋情況，學生對教學模式的認可度較高，更愿意參與課堂學習。

學生在理論課堂沒有記牢的知識在實驗課堂重新回顧，做到溫故而知新，既能提高理解力，又可以增加專業知識儲備。由此可見，本次教學模式改革，能夠提升教學效果，同時也能夠契合“新工科”建設的初衷和理念。

5 結語

在“新工科”建設背景下，本文以“智能柴油機實驗課程”為例，對該課程教學模式和考核方法進行了改革，將課堂角色“以教師為中心”向“以學生為中心”轉變，實現了教學模式的創新。經過課堂教學驗證了“PAI class”教學模式能夠起到良好的教學效果。提出全過程評價模式，學生的課課堂參與程度明顯提高，有利于培養學生自學能力和團隊協作能力，為今后從事船舶管理工作奠定堅實的基礎；經過實踐證明，該教學方法和評價方法切實可行，能夠為其他課程的教學改革提供借鑒和參考。