基于“液壓伺服與比例控制系統(tǒng)”的專創(chuàng)融合課程建設(shè)研究

摘"要：面對(duì)專創(chuàng)融合的需求背景，本文提出基于“液壓伺服與比例控制系統(tǒng)”這一專業(yè)性較強(qiáng)的課程的建設(shè)方法，分析了專業(yè)課的學(xué)情與學(xué)生背景，以及進(jìn)行液壓流體專業(yè)專創(chuàng)融合教學(xué)的必要性。在課程建設(shè)內(nèi)容中，強(qiáng)調(diào)以液壓專業(yè)課程體系為基礎(chǔ)，在教學(xué)過(guò)程中融合工程案例與實(shí)踐項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維模式的建立，形成適應(yīng)新時(shí)代工科背景專創(chuàng)融合課程的教學(xué)方式。在實(shí)踐項(xiàng)目教學(xué)中利用教師科研項(xiàng)目與教學(xué)內(nèi)容的雙向輸出，既開(kāi)拓了學(xué)生對(duì)于本專業(yè)新理論、新方法、新科技的深度理解與求知欲，也達(dá)到高校教師教研相長(zhǎng)以進(jìn)一步促進(jìn)專創(chuàng)融合課程建設(shè)的目的，在專創(chuàng)融合的課程中，實(shí)現(xiàn)了師生雙贏的良性循環(huán)。

關(guān)鍵詞：液壓專業(yè)；專創(chuàng)融合；課程建設(shè)；項(xiàng)目教學(xué)

隨著國(guó)際環(huán)境的不斷變化，對(duì)于人才培養(yǎng)的要求在不斷提高，新時(shí)代呼喚創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)教育，而如何樹(shù)立創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)造能力，激發(fā)創(chuàng)業(yè)精神成為高等教育所必須面對(duì)的重要育人課題。近期，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步支持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出，要深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿人才培養(yǎng)全過(guò)程，建立以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為導(dǎo)向的新型人才培養(yǎng)模式［1］。這意味著需要在專業(yè)課教學(xué)中有效融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，在對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)中應(yīng)當(dāng)不局限于專業(yè)知識(shí)的授予，而應(yīng)進(jìn)一步拓展學(xué)生的職業(yè)發(fā)展能力與應(yīng)變能力，實(shí)現(xiàn)專業(yè)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的良好融合。而工科課程專業(yè)性較強(qiáng)，與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系緊密，更需要學(xué)生在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上增強(qiáng)實(shí)踐能力與面對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析思考能力。

1"專創(chuàng)融合課程建設(shè)現(xiàn)狀

目前，各類高校都在推進(jìn)專創(chuàng)融合課程建設(shè)，由傳統(tǒng)教學(xué)課堂向?qū)?chuàng)融合課程模式轉(zhuǎn)變需要較長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)積累。根據(jù)文獻(xiàn)所述，大部分專創(chuàng)融合課程建設(shè)路線如圖1所示［24］，目前工科類課程采用的針對(duì)專創(chuàng)融合課程建設(shè)的教學(xué)方法主要有：引入工程案例激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣、利用項(xiàng)目化教學(xué)增強(qiáng)學(xué)生的理論與實(shí)際聯(lián)系感、采用啟發(fā)式教學(xué)與課堂討論等方式引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新性思維拓展，并在過(guò)程中融入課程思政內(nèi)容凝聚學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感［56］。需要引起重視的是提高教師的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，高校青年教師大部分從畢業(yè)高校走向任職高校，知識(shí)結(jié)構(gòu)缺乏與專業(yè)所在產(chǎn)業(yè)鏈間的溝通融合，單純從科研項(xiàng)目中挖掘創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)內(nèi)容不足以支撐學(xué)生對(duì)于認(rèn)識(shí)工業(yè)實(shí)際與培養(yǎng)創(chuàng)業(yè)精神的要求。因此，如何使教師做好專創(chuàng)項(xiàng)目訓(xùn)練的“教練”的工作是課程建設(shè)亟待解決的問(wèn)題之一［7］。對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的訓(xùn)練多采用科創(chuàng)項(xiàng)目培育、競(jìng)賽類項(xiàng)目培育以及校企合作平臺(tái)培育等方式。

2"“液壓伺服與比例控制系統(tǒng)”課程背景分析

“液壓伺服與比例控制系統(tǒng)”是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)流體傳動(dòng)與控制方向的一門(mén)重要專業(yè)課程。其目的是使學(xué)生了解液壓控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展歷程，掌握液壓控制系統(tǒng)的基本理論和工作原理，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。本專業(yè)課程在工業(yè)應(yīng)用中極為廣泛且具有代表性與較高的適用性，能夠與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)深度結(jié)合。但學(xué)生普遍反應(yīng)該門(mén)課程理解較難，學(xué)習(xí)困難程度較高，經(jīng)過(guò)了解分析液壓伺服控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)難點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面。

2.1"理論知識(shí)的復(fù)雜性

液壓伺服控制系統(tǒng)涉及多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，包括機(jī)械、液壓、電氣、傳感及控制技術(shù)等。學(xué)生需要掌握這些領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)，才能深入理解液壓伺服控制系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)。特別是學(xué)生在自動(dòng)控制原理掌握薄弱的情況下學(xué)習(xí)電液伺服系統(tǒng)感到抽象化，難以建立實(shí)際的知識(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.2"元器件的理解與應(yīng)用

液壓伺服控制系統(tǒng)由多種元器件組成，每種元器件都有其特定的功能和工作原理，學(xué)生需要深入了解這些元器件的性能和應(yīng)用，才能正確選擇和使用它們。而液壓元件本身具備一定的復(fù)雜性，也需要輔助流體力學(xué)等知識(shí)進(jìn)行綜合理解，相對(duì)于普通液壓元件更增加了機(jī)電轉(zhuǎn)換等運(yùn)用到電磁電路及其數(shù)學(xué)建模轉(zhuǎn)化的知識(shí)，對(duì)學(xué)生先修課程的知識(shí)點(diǎn)綜合運(yùn)用要求較高。

2.3"系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析方法

液壓伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析需要運(yùn)用到復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法。學(xué)生需要掌握相關(guān)的設(shè)計(jì)方法和分析技巧，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)特性的分析，并進(jìn)行參數(shù)選擇與計(jì)算。

2.4"實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)

除了理論知識(shí)外，實(shí)驗(yàn)技能也是學(xué)習(xí)液壓伺服控制系統(tǒng)的重要組成部分。學(xué)生需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論的正確性，并培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3"“液壓伺服與比例控制系統(tǒng)”專創(chuàng)融合課程建設(shè)

針對(duì)上述提到的課程學(xué)習(xí)與建設(shè)的難點(diǎn)，可以采取以下措施來(lái)解決：學(xué)生應(yīng)先打好機(jī)械、液壓、電氣等方面的基礎(chǔ)，為后續(xù)學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備；通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐操作，加深對(duì)元器件性能和工作原理的理解，并培養(yǎng)實(shí)際操作能力；借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析軟件，更加直觀地理解液壓伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)；遇到問(wèn)題，及時(shí)向教師請(qǐng)教，或者與同學(xué)討論交流，共同解決問(wèn)題；教師需要通過(guò)閱讀相關(guān)書(shū)籍、論文同企業(yè)專家交流等方式時(shí)刻關(guān)注行業(yè)動(dòng)態(tài)和技術(shù)發(fā)展，了解液壓伺服控制系統(tǒng)的最新研究成果和發(fā)展趨勢(shì)。

3.1"專創(chuàng)融合課程內(nèi)容建設(shè)

3.1.1"課程課堂內(nèi)容建設(shè)

在課堂授課中了解液壓伺服與比例控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀、前沿及發(fā)展趨勢(shì)，掌握伺服液壓元件的功能和應(yīng)用，進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與模擬實(shí)驗(yàn)搭建，電液伺服系統(tǒng)及其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程如圖2所示。

（1）對(duì)于該部分課程內(nèi)容，先由教師進(jìn)行基于科研項(xiàng)目的工程應(yīng)用案例演示分析，即目前高性能伺服閥與伺服系統(tǒng)所能達(dá)到的精度與應(yīng)用場(chǎng)合展示，使學(xué)生對(duì)于電液伺服系統(tǒng)的工程領(lǐng)域應(yīng)用有直觀的行業(yè)背景認(rèn)識(shí)。

（2）學(xué)生采用課堂分組討論課形式開(kāi)展，進(jìn)行資料收集查閱整理工作，對(duì)查詢資料匯總分析，形成調(diào)研報(bào)告，并相互協(xié)作進(jìn)行小組課堂匯報(bào)，以此來(lái)延伸專業(yè)知識(shí)案例背景，培養(yǎng)學(xué)生的國(guó)際視野，激發(fā)愛(ài)國(guó)主義情懷，培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力、組織管理能力、表達(dá)能力、人際交往能力及團(tuán)隊(duì)合作精神。

（3）教師講解“液壓伺服與比例控制系統(tǒng)”課程相關(guān)知識(shí)，幫助學(xué)生明確課內(nèi)實(shí)驗(yàn)中需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；幫助學(xué)生理解電液伺服控制系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法、安裝、調(diào)測(cè)方法，培養(yǎng)學(xué)生自主探索式新形態(tài)勞動(dòng)意識(shí)。

（4）學(xué)生按各小組任務(wù)查詢資料，進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、液壓伺服控制系統(tǒng)回路的設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算；電液伺服元器件選擇等，通過(guò)理論計(jì)算或仿真模擬進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析，確定擬搭建的實(shí)物液壓元件廠家型號(hào)等具體參數(shù)。根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)，運(yùn)用三維軟件模擬搭建試驗(yàn)臺(tái)，并整理編寫(xiě)完整設(shè)計(jì)報(bào)告，學(xué)習(xí)過(guò)程如圖2所示。

（5）教師審查報(bào)告后，各組學(xué)生進(jìn)行電液伺服實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建，鼓勵(lì)學(xué)生相互協(xié)作、互相幫助；對(duì)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的，教師將對(duì)其綜合應(yīng)用能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行簡(jiǎn)單的答辯考查，然后在綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出實(shí)際操作分。

3.1.2"課程項(xiàng)目案例建設(shè)

該部分同樣通過(guò)工程案例增強(qiáng)教學(xué)過(guò)程中的生動(dòng)性和感染力，在知識(shí)傳遞的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)，工程案例示范如下。

3.1.2.1"特種工程機(jī)械液壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)

拋出問(wèn)題：液壓挖掘機(jī)是較復(fù)雜的工程機(jī)械產(chǎn)品之一，控制器作為完成一系列動(dòng)作的核心數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)于挖掘機(jī)的性能起到關(guān)鍵作用。而算法作為控制器處理數(shù)據(jù)的方法是控制器的技術(shù)主導(dǎo)。近年來(lái)，工業(yè)領(lǐng)域?qū)刂频男枨笤絹?lái)越高，許多PID參數(shù)整定方法不斷被提出。

要求：通過(guò)文獻(xiàn)查閱與工業(yè)調(diào)研，本文提出合適的控制算法。利用AMESim仿真平臺(tái)建立電液比例系統(tǒng)模型，在保證液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)的正確性和準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，利用聯(lián)合仿真的研究方法，驗(yàn)證所提出控制算法的可行性。

結(jié)論：由教師演示，學(xué)生自行操作得出結(jié)果。

3.1.2.2"液壓滑臺(tái)電液伺服控制系統(tǒng)

拋出問(wèn)題：液壓控制系統(tǒng)在組合機(jī)床上應(yīng)用廣泛，對(duì)于高精度數(shù)控機(jī)床，往往對(duì)位置控制精度及機(jī)床的響應(yīng)速度有更高的要求，傳統(tǒng)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的要求。

要求：提出一種基于PID控制的電液位置伺服控制系統(tǒng)，通過(guò)分析電液位置伺服控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及其工作原理，對(duì)其各個(gè)組成部分進(jìn)行分析和建模，求解出整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，使用Matlab/Simulink繪制系統(tǒng)伯德圖，求解系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益，對(duì)PID控制器的控制參數(shù)進(jìn)行整定，并在AMEsim軟件中對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

結(jié)論：經(jīng)過(guò)教師仿真，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)PID校正后的電液位置控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，魯棒性好，控制精度高，滿足了工業(yè)設(shè)計(jì)要求。

3.2"專創(chuàng)融合實(shí)踐項(xiàng)目教學(xué)建設(shè)

在專創(chuàng)融合實(shí)踐項(xiàng)目教學(xué)中，通過(guò)專業(yè)理論教學(xué)激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維與批判性思維，結(jié)合教師的科研項(xiàng)目與校企合作平臺(tái)等盡可能支持學(xué)生的創(chuàng)新性想法到作品乃至產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。通過(guò)文獻(xiàn)檢索、資料查詢、市場(chǎng)調(diào)研的基本方法，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息；在掌握液壓動(dòng)力元件的建模及分析方法基礎(chǔ)上，分析現(xiàn)有市場(chǎng)中液壓動(dòng)力元件的優(yōu)缺點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的看法并利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證；在學(xué)生提出新的結(jié)構(gòu)與控制方法時(shí)給予經(jīng)驗(yàn)性的指導(dǎo)與修正，鼓勵(lì)學(xué)生申報(bào)專利與科創(chuàng)項(xiàng)目等活動(dòng)。

本項(xiàng)目的目的是通過(guò)教師引導(dǎo)，學(xué)生自主探索勞動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神和新時(shí)代勞動(dòng)綜合能力，預(yù)期成效主要如下：

（1）分析特定機(jī)械裝備液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的控制目標(biāo)，對(duì)實(shí)現(xiàn)特定機(jī)械裝備的電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并體現(xiàn)一定的創(chuàng)新性；就設(shè)計(jì)過(guò)程通過(guò)撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和語(yǔ)言表達(dá)的方式，清晰表達(dá)設(shè)計(jì)思路、總體方案、設(shè)計(jì)成果的結(jié)論等，培養(yǎng)學(xué)生具有追求卓越的創(chuàng)新精神。

（2）能夠就所設(shè)計(jì)的液壓控制系統(tǒng)，查找液壓元器件的實(shí)際廠家選型配對(duì)，在實(shí)驗(yàn)室用液壓元件親自動(dòng)手勞動(dòng)搭建安裝實(shí)際液壓系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生自主探索勞動(dòng)的意識(shí)和愛(ài)崗敬業(yè)的職業(yè)精神。

（3）能夠采用液壓仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬運(yùn)算，并通過(guò)仿真系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的校核和不斷完善，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的品質(zhì)精神。

4"結(jié)論

（1）改進(jìn)后的專創(chuàng)融合課程能夠使學(xué)生了解液壓伺服與比例控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀、前沿及發(fā)展趨勢(shì)、掌握液壓伺服與比例控制領(lǐng)域的基本理論及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)，具備多學(xué)科交叉融合的能力；通過(guò)引入國(guó)內(nèi)外工程案例，學(xué)生初步掌握液壓伺服系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題與能夠跟蹤和學(xué)習(xí)機(jī)械工程及相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)的能力；通過(guò)討論課等，學(xué)生具備一定的組織管理能力、較強(qiáng)的表達(dá)能力和人際交往能力以及在團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮作用的能力，初步具備交流、競(jìng)爭(zhēng)與合作能力。

（2）在教師和學(xué)校推動(dòng)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)下，廣泛開(kāi)展實(shí)踐項(xiàng)目教學(xué)，將項(xiàng)目中的作品變成產(chǎn)品，帶領(lǐng)學(xué)生了解市場(chǎng)需求，明確產(chǎn)品定位，體驗(yàn)課程魅力。最終實(shí)現(xiàn)專業(yè)技術(shù)與商業(yè)的結(jié)合，將創(chuàng)業(yè)的意識(shí)和觀念根植于學(xué)生心中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神。

（3）新工科背景下的專創(chuàng)融合課程建設(shè)需要強(qiáng)化高校教師創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)能力和素養(yǎng)培訓(xùn)，不斷改進(jìn)教學(xué)方法和考核方式。需要加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培訓(xùn)，鼓勵(lì)完善各學(xué)段學(xué)生競(jìng)賽活動(dòng)，并堅(jiān)持政府引導(dǎo)、公益支持，支持行業(yè)企業(yè)深化各類賽事合作與校企合作。

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項(xiàng)目基金：南京工程學(xué)院勞動(dòng)教育實(shí)踐項(xiàng)目（LDSJ2023"02）；南京工程學(xué)院高等教育研究課題（2023GJYB03）；南京工程學(xué)院高等教育研究重點(diǎn)課題（2023GJZD01）；江蘇省高等教育教改項(xiàng)目（2023JSJG137）；江蘇省省教育科學(xué)規(guī)劃課題（C/2023/01/01）

作者簡(jiǎn)介：朱牧之（1989—"），女，漢族，江蘇揚(yáng)州人，博士研究生，講師，研究方向：液壓傳動(dòng)控制與液壓元件設(shè)計(jì)。