基于復(fù)雜工程問題的《液壓與氣壓傳動》課程項(xiàng)目教學(xué)探索

王飛 彭子龍 楊建軍 朱曉陽

摘要：為提高本科生的復(fù)雜問題解決能力，文章結(jié)合《液壓與氣壓傳動》課程進(jìn)行了實(shí)物項(xiàng)目教學(xué)探索，給出了實(shí)物項(xiàng)目的要求，分析了項(xiàng)目與課程的關(guān)系，展示了項(xiàng)目教學(xué)的成果，教學(xué)結(jié)果顯示學(xué)生增強(qiáng)了對復(fù)雜工程問題的認(rèn)識和解決能力。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問題;工程教育專業(yè)認(rèn)證;項(xiàng)目教學(xué)

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）11-0249-02

一、引言

自動化控制大大降低了工人作業(yè)強(qiáng)度，顯著提升了工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級的進(jìn)行，自動化控制系統(tǒng)將得到更加廣泛的應(yīng)用，因而在本科教學(xué)中，切實(shí)提高學(xué)生解決自動化工業(yè)生產(chǎn)中的復(fù)雜工程問題能力就顯得越來越迫切。而且，在工程教育專業(yè)認(rèn)證中，復(fù)雜工程問題的解決也是衡量工科人才培養(yǎng)的主要指標(biāo)之一[1，2]。因此，在課堂教學(xué)中不僅需要學(xué)生掌握扎實(shí)的理論知識，還需要學(xué)生學(xué)會具備發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，提升學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識解決復(fù)雜工程問題的能力[3，4]。

我國依據(jù)《華盛頓協(xié)議》體系對部分專業(yè)進(jìn)行認(rèn)證，在工程認(rèn)證的12個畢業(yè)要求中，三分之二的畢業(yè)要求對解決復(fù)雜工程問題能力有具體要求。而根據(jù)《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，復(fù)雜工程問題必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才能得到解決。此外，還應(yīng)當(dāng)滿足以下幾個或者全部特征：（1）涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突;（2）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;（3）不是僅靠常用方法就可以完全解決的;（4）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中;（5）問題相關(guān)各方利益不完全一致;（6）具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題[5]。因此必須要重視學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。

二、課程定位與課程目標(biāo)分析

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)是青島理工大學(xué)的主干專業(yè)，2008年獲批國家級特色專業(yè)，2011年入選教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃專業(yè)，2013年獲批教育部第一批“本科教學(xué)工程”地方高校本科專業(yè)綜合改革試點(diǎn)專業(yè)，2016年獲批山東省高水平應(yīng)用型立項(xiàng)建設(shè)重點(diǎn)專業(yè)，2018年列入山東省教育服務(wù)新舊動能轉(zhuǎn)換專業(yè)對接產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目核心專業(yè)，2019年獲批山東省“一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)”。

《液壓與氣壓傳動》是本專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維，綜合運(yùn)用液壓、氣壓基礎(chǔ)知識進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制的工程實(shí)踐能力方面占有重要的地位。課程目標(biāo)是讓學(xué)生掌握各種基本液壓與氣壓元件工作原理，及具備特定功能的液壓與氣壓基本回路的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法;能夠掌握與液壓和氣壓技術(shù)相關(guān)流體力學(xué)與數(shù)學(xué)知識，掌握簡單液壓與氣壓系統(tǒng)模型建立、分析求解和設(shè)計(jì)方案論證的理論及方法，以及分析和解決工程實(shí)踐問題的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力;培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力。

三、項(xiàng)目教學(xué)設(shè)置

根據(jù)以上課程定位和課程目標(biāo)，本文對《液壓與氣壓傳動》課程項(xiàng)目教學(xué)進(jìn)行了探索，以期增加學(xué)生對復(fù)雜工程問題的認(rèn)識和提高解決問題的能力，為此，設(shè)計(jì)了實(shí)物制作項(xiàng)目，項(xiàng)目題目為“雙氣壓缸定點(diǎn)控制系統(tǒng)”，項(xiàng)目要求如下。

1.雙氣壓缸能夠單獨(dú)進(jìn)行控制，每個氣壓缸有四個準(zhǔn)確的位置，氣壓缸能夠準(zhǔn)確定位在以上四個位置點(diǎn)上。

2.氣壓缸運(yùn)動位置的輸入要在上位機(jī)電腦上實(shí)現(xiàn)。

3.需要利用單片機(jī)進(jìn)行編程控制，單片機(jī)種類不限。

4.氣源采用便攜式空氣壓縮機(jī)，氣壓缸無工作負(fù)載。

5.所需元件自行采購，采購過程滿足學(xué)校財(cái)務(wù)要求。

各個項(xiàng)目組成員自由搭配，內(nèi)部自主分工，鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，按照本項(xiàng)目的各個要求，需要學(xué)生將《機(jī)械制圖》與《計(jì)算機(jī)輔助制圖》《機(jī)電傳動控制》《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》《工程測試基礎(chǔ)》和《工程項(xiàng)目管理》等課程知識進(jìn)行融合。另外，學(xué)生需要自行采購，鍛煉了學(xué)生的項(xiàng)目管理能力。

四、項(xiàng)目實(shí)施案例

項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生積極主動地完成了任務(wù)，從課題項(xiàng)目解讀、項(xiàng)目組組隊(duì)、任務(wù)分工、項(xiàng)目管理、實(shí)物搭建和財(cái)務(wù)管理等方面取得了一定的成果，下面是本項(xiàng)目的實(shí)施案例。

1.項(xiàng)目的整體方案。上位機(jī)控制器采用Windows系統(tǒng)的筆記本電腦，并利用可視化編程語言VB編程，實(shí)現(xiàn)控制界面，下位機(jī)控制系統(tǒng)采用Arduino單片機(jī)，上位機(jī)和下位機(jī)利用串口通訊進(jìn)行位置指令的輸入。下位機(jī)通過開通關(guān)斷繼電器來對方向閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)氣缸的開始運(yùn)動與停止，而下位機(jī)對于氣壓缸的感應(yīng)則是通過光電門感應(yīng)器來檢測，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

2.操作界面編程。采用可視化編程語言VB進(jìn)行編程，控制界面如圖2所示。其中上位PC機(jī)通過VB Mscomm組件與單片機(jī)進(jìn)行串口通信。

3.系統(tǒng)運(yùn)行效果。所搭建的系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖3所示。

本科生經(jīng)過4周時間的搭建，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的搭建，在搭建過程中遇到了一些問題，比如學(xué)生發(fā)現(xiàn)氣缸運(yùn)動不流暢，定位不準(zhǔn)確的問題，學(xué)生經(jīng)過分析，減小了節(jié)流閥的開度，降低了氣缸運(yùn)動速度，加長了光電門感應(yīng)時間，并且對單片機(jī)的感應(yīng)時間做出了一定的修改，提高了運(yùn)動精度。經(jīng)過項(xiàng)目的實(shí)施，本科生普遍反映，經(jīng)過項(xiàng)目的鍛煉，加深了對所學(xué)一系列課堂知識的理解，增強(qiáng)了對自動化控制系統(tǒng)的認(rèn)識，提高了發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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[5]中國工程教育認(rèn)證協(xié)會.工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL].http：//www.ceeaa.org.cn/main！newsList4Top.w？menuID=0101

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