基于知識集成能力的實驗平臺的開發(fā)

李孝祿, 王文越, 王　旭, 吳　霞, 張　偉

(1. 中國計量學(xué)院　機電工程學(xué)院, 浙江 杭州　310018； 2. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院, 浙江 舟山　316021)

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基于知識集成能力的實驗平臺的開發(fā)

李孝祿1, 王文越1, 王旭2, 吳霞1, 張偉1

(1. 中國計量學(xué)院機電工程學(xué)院, 浙江 杭州310018； 2. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院, 浙江 舟山316021)

結(jié)合專業(yè)教學(xué)計劃和課程教學(xué)大綱,明確實驗平臺改造方案,編寫基于知識集成能力的實驗指導(dǎo)書。該實驗平臺開發(fā)的實驗項目含有多門課程知識點,可以有效提高大學(xué)生知識集成能力。該研究為提升大學(xué)生創(chuàng)新能力提供了一條新思路。

專業(yè)知識集成； 實驗平臺； 實驗項目； 創(chuàng)新能力

創(chuàng)新是國家發(fā)展的動力,培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才是我國高等教育的重要使命[1]。特別是在“大眾創(chuàng)業(yè),萬眾創(chuàng)新”的新形勢下,更需要培養(yǎng)大學(xué)生具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。實驗?zāi)軌蚣由顚W(xué)生對理論的掌握,提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性,是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力重要的一環(huán)[2]。很多理工科專業(yè)教學(xué)計劃中,實驗學(xué)時占總學(xué)時的比例不斷提高[3]。目前,開設(shè)的實驗類型有演示、驗證、綜合、設(shè)計等,主要目的是對理論進行驗證或利用已學(xué)知識進行系統(tǒng)或產(chǎn)品設(shè)計[4]。

總體來說,大多數(shù)實驗內(nèi)容針對的是某門課程具體教學(xué)內(nèi)容,沒有將已學(xué)課程相關(guān)知識有意識地融合到實驗中,未能很好地激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。特別是對高年級的大學(xué)生(大三、大四)來說,已學(xué)完公共課程、學(xué)科課程和部分專業(yè)課程,處于學(xué)習(xí)的“疲勞期”,對學(xué)過的知識容易出現(xiàn)遺忘或生疏,而專業(yè)課程的實驗平臺往往涉及較多基礎(chǔ)知識。如何通過專業(yè)課程的實驗平臺,利用和改造現(xiàn)有設(shè)備,開發(fā)新實驗項目,激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維以便對知識主動集成,具有較強的知識集成能力,最終提高學(xué)生創(chuàng)新能力,是一個迫切需要解決的問題。

1　高年級大學(xué)生知識集成能力現(xiàn)狀

知識集成(knowledge integration)的概念是由Henderson 和Clark提出的,它是系統(tǒng)集成方法的核心和關(guān)鍵[5]。知識集成的目標(biāo)是實現(xiàn)知識再利用,提高個人或組織的創(chuàng)新能力，它的內(nèi)涵包括知識集成的對象、活動、過程、本質(zhì)、目標(biāo)等,目的是構(gòu)建個人或組織的核心競爭力。知識集成具有4個效應(yīng):整合效應(yīng),知識整合后使系統(tǒng)形成新的功能；共享效應(yīng),整合后的知識在組織內(nèi)共享和交流；協(xié)同效應(yīng),通過知識共享,促使各類知識協(xié)同發(fā)展,促使系統(tǒng)有序和創(chuàng)新；聚集效應(yīng)和倍增效應(yīng),知識集成促使不同知識聚集,優(yōu)勢互補并實現(xiàn)倍增效應(yīng)[6]。知識集成能力是組織、整合和應(yīng)用知識的動態(tài)能力,反映知識創(chuàng)新程度。提高大學(xué)生知識集成能力,有助于提高大學(xué)生創(chuàng)新能力[7]。

受社會環(huán)境、制度、傳統(tǒng)文化、個體差異和思維方式等的影響,我國大學(xué)生的知識集成能力不盡如人意,還有很大的提升空間。例如,我國大學(xué)普遍要求畢業(yè)學(xué)分達到160～180,課程較多,專業(yè)過細,學(xué)生忙于應(yīng)付考試,忽視課程知識之間的組織和整合[8]。課程設(shè)置上,理論課時偏多,實驗(實踐)課時偏少,學(xué)生對概念的理解和掌握不深不透,一知半解,學(xué)習(xí)積極性也不高,影響學(xué)生整合知識和聚集知識。學(xué)生之間、師生之間用于討論和交流的時間較少,影響學(xué)生共享知識和再生知識。特別是高年級大學(xué)生,忙于就業(yè)、考研、出國等,對專業(yè)知識學(xué)習(xí)不夠,直接影響知識集成能力[9]。對大學(xué)而言,需要繼續(xù)加強高年級大學(xué)生的知識集成能力,把好關(guān)系到我國社會經(jīng)濟長遠發(fā)展的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)這一關(guān)。

本文針對機械電子工程專業(yè)課程的實驗平臺,通過改造開發(fā)出新的實驗項目,以此提高高年級大學(xué)生的知識集成能力。

2　原有實驗平臺及實驗項目

機械電子工程是將機械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)等有機融合而形成的一門綜合性學(xué)科,涉及學(xué)科知識面廣,知識交叉性強。這就對機械電子工程專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生的知識集成能力有較高的要求。在機械電子工程專業(yè)的教學(xué)計劃中,一般是在大一、大二學(xué)習(xí)機械技術(shù)和電子技術(shù),大二下學(xué)期和大三學(xué)習(xí)信息技術(shù)(主要是傳感、信號處理類課程)和控制技術(shù),大三下學(xué)期和大四上學(xué)期學(xué)習(xí)專業(yè)課[10]。專業(yè)課往往涉及較多的機械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)和信息技術(shù)等的基礎(chǔ)知識,需要學(xué)生有扎實的基礎(chǔ)知識和知識集成能力。例如,“汽車電子技術(shù)”就是機械電子工程專業(yè)大四上學(xué)期開設(shè)的一門專業(yè)課。學(xué)生普遍反映這門課知識面廣,知識交叉性強,學(xué)起來較難,需要很強的知識集成能力才能學(xué)好。利用好這門課的實驗平臺對學(xué)好這門課起著十分重要的作用[11]。

2.1原有實驗平臺

原有實驗平臺為桑塔納3000防抱死制動系統(tǒng)(anti-braking system, ABS)實驗平臺,如圖1所示。該實驗平臺包括制動主缸、真空助力器、壓力調(diào)節(jié)器、制動輪缸、轉(zhuǎn)速傳感器、控制和顯示面板。兩前輪為鉗盤式制動,由一臺7 kW的變頻交流電機驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)動。踩下制動踏板對車輪制動,但車輪在電機的帶動下可以按設(shè)定的速度轉(zhuǎn)動。

圖1　ABS實驗臺

2.2原有實驗項目

2.2.1ABS制動系統(tǒng)演示實驗

通過ABS制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的講解和工作過程的演示,了解ABS制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理,具體掌握制動主缸、真空助力器、壓力調(diào)節(jié)器、制動輪缸和轉(zhuǎn)速傳感器這5個典型部件的結(jié)構(gòu)和工作原理。

2.2.2ABS制動系統(tǒng)控制過程實驗

在ABS制動系統(tǒng)演示實驗的基礎(chǔ)上,通過對車輪轉(zhuǎn)速信號、壓力調(diào)節(jié)器執(zhí)行信號的讀取,了解和熟悉ABS制動系統(tǒng)工作原理和控制算法。

2.2.3ABS制動控制系統(tǒng)的設(shè)計

由2名研究者獨立篩選文獻、提取資料，并進行數(shù)據(jù)核對。若有分歧，進行協(xié)商并達成共識。提取資料的內(nèi)容包括：（1）納入研究的基本信息：研究題目，第一作者，發(fā)表年限等；（2）研究對象的基本特征：如性別、年齡范圍等；（3）疾病特征：骨折部位、骨缺損的長度范圍、是否合并感染、占位器放置時間、占位器中添加抗生素情況等；（4）骨缺損愈合情況：骨折最終是否愈合，愈合時間，并發(fā)癥發(fā)生情況。

在上述2個實驗的基礎(chǔ)上,利用ABS制動系統(tǒng)實驗臺架設(shè)計簡單的ABS控制器和控制算法,實現(xiàn)ABS制動。

上述3個實驗項目性質(zhì)分別為演示、驗證和設(shè)計實驗。前2個實驗為課內(nèi)實驗項目,第三個實驗項目為課外科技活動、課程設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計項目。學(xué)生完成這些實驗后,能較好地理解教材中“ABS制動系統(tǒng)”這一章的內(nèi)容,但對學(xué)過的相關(guān)知識進行集成的作用有限。

3　基于知識集成能力的實驗平臺及實驗項目設(shè)計

結(jié)合專業(yè)教學(xué)計劃和課程教學(xué)大綱,以提高高年級學(xué)生知識集成能力為目的,對實驗平臺進行改造,對實驗項目進行設(shè)計,并編寫實驗指導(dǎo)書。

3.1改造實驗平臺

對桑塔納3000的ABS系統(tǒng)進行改裝,搭建實驗平臺,如圖2所示。在靠近制動輪缸的制動管路中安裝2個壓力變送器。2個壓力變送器的間隔距離(取壓距離)為1 m。壓力變送器采用瑞士KELLER公司生產(chǎn)的PA-25TAB/80087型壓力傳感器。在靠近制動輪缸的制動管路中安裝透明石英管,其長度為15 cm,內(nèi)徑為4 mm。高速攝影系統(tǒng)采用德國Basler公司acA2000-165μm型高速攝像機,最大分辨率為2 048×1 024,最大幀頻為200 fps。照明光源采用3 200～5 500 kW雙色溫平板式LED聚光燈。同時,在石英管后面安裝硫酸紙,利用逆光照射提高拍攝質(zhì)量。

圖2　改造實驗平臺

3.2新增實驗項目

通過測量制動管路中不同距離的壓力,根據(jù)互相關(guān)原理計算ABS制動系統(tǒng)壓力波傳播速度,了解液壓系統(tǒng)在不同工作條件(制動液含氣或不含氣)和運轉(zhuǎn)條件(制動液壓力和制動轉(zhuǎn)速)下的制動液壓力波傳播速度,理解液壓控制系統(tǒng)設(shè)計時對系統(tǒng)工作條件和運轉(zhuǎn)條件的要求。經(jīng)計算,制動液含氣和不含氣條件下,制動液壓力波傳播速度分別可達125 m/s和1 100 m/s[12]。

3.2.2ABS制動管路中氣液兩相流流型的觀察

通過觀察制動管路中氣液兩相流流型,了解制動時氣阻產(chǎn)生原因,理解制動液含氣或不含氣對制動液壓力波傳播速度的影響。實驗中觀察到泡狀流、塞狀流、彈狀流和環(huán)狀流,如圖3所示。制動時為泡狀流[12]。

圖3　ABS制動管路中氣液兩相流流型

這2個實驗還涉及工程流體力學(xué)、傳感技術(shù)、檢測技術(shù)、液壓傳動、控制工程基礎(chǔ)等多門課程中的知識。根據(jù)實驗、討論和編寫的實驗指導(dǎo)書中的思考題,有意識引導(dǎo)學(xué)生理解相關(guān)概念,學(xué)生將這些知識和汽車電子技術(shù)課程的知識進行組織和整合,對這些知識的理解和掌握更加深刻,達到了知識的整合效應(yīng)、共享效應(yīng)、協(xié)同效應(yīng)、聚集效應(yīng)和倍增效應(yīng)。例如,通過對ABS制動系統(tǒng)壓力波傳播速度的計算,對壓力傳感器原理、信號處理、檢測、流體、兩相流、流型、氣阻、氣穴、體積彈性模量、壓力波傳播速度、電磁閥原理、ECU等不同課程知識集成到ABS控制中來,概念更加清楚且產(chǎn)生有機聯(lián)系,知識集成能力明顯提高。

4　結(jié)語

實驗平臺在保留原有實驗項目的基礎(chǔ)上,通過改造升級,增加了“ABS制動系統(tǒng)壓力波傳播速度的測量”和“ABS制動管路中氣液兩相流流型的觀察”2個實驗項目,這2個實驗項目包含更多已學(xué)課程的知識,通過實驗、討論和學(xué)生自己思考等方式,更能提高學(xué)生的知識集成能力。意義在于基于知識集成能力的實驗平臺的設(shè)計,以教學(xué)理論指導(dǎo)實驗項目的設(shè)計,不但能利用已有實驗系統(tǒng)為大學(xué)生進行跨課程知識的集成,而且為探索提升高年級學(xué)生創(chuàng)新能力提供了一條新思路。

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Development of experimental platform based on knowledge integration ability

Li Xiaolu1, Wang Wenyue1, Wang Xu2, Wu Xia1, Zhang Wei1

(1. College of Electrical and Mechanical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China)

Combining the specialty teaching project and course syllabuses, this paper confirms the experimental platform scheme and completes the experimental instructions based on the knowledge integration ability. The experimental instructions contain a lot of knowledge points of many courses, and strength the knowledge integration ability of upperclassmen effectively. This research puts forward a new idea for improving the innovation ability of undergraduates.

professional knowledge integration; experimental platform; experimental project; innovation ability

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.005

2015- 08- 11修改日期:2015- 09- 21

浙江省自然科學(xué)基金項目(LY14E050023)；浙江省教育科學(xué)規(guī)劃項目(2011SCG130,2013SCG054)；浙江省新世紀(jì)高等教育教學(xué)改革項目(zc2010033)

李孝祿(1968—),男,湖北大悟,工學(xué)博士,副教授,主要從事汽車電子的教學(xué)和科研工作.

E-mail:lxl2006@cjlu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)3- 0016- 04