氣動技術(shù)為載體的多課程聯(lián)合綜合實驗教學(xué)改革

金博雅1，李奇林，劉凱磊

(1.江蘇理工學(xué)院 材料工程學(xué)院，江蘇 常州 213001; 2.江蘇理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量制度，也是實現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)[1]。2016年6月，我國成為國際工程聯(lián)盟大會批準(zhǔn)為“華盛頓協(xié)議”第18個正式成員，這標(biāo)志著我國工程教育開始正式與世界工程教育接軌，通過中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會認(rèn)證的專業(yè)本科學(xué)位能夠獲得其他成員國家“實質(zhì)等效”認(rèn)可。作為工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念，成果導(dǎo)向(Outcome Based Education，OBE)貫穿工程教育專業(yè)認(rèn)證活動的整個過程，其精髓是從工程知識、問題分析等12個方面來培養(yǎng)學(xué)生將理論知識應(yīng)用到工程實際，進行項目分析、解決問題和團隊協(xié)作等[2]。國內(nèi)眾多高校以此為契機，從人才培養(yǎng)、課程體系建設(shè)等方面進行了教學(xué)改革研究，取得了一定的成果[3-5]。

《氣動技術(shù)》、《測試技術(shù)》以及《電氣控制與PLC》是機械工程學(xué)科中3門專業(yè)核心課程[6]。其中《測試技術(shù)》理論性較強，而《氣動技術(shù)》和《電氣控制與PLC》2門專業(yè)課程則側(cè)重實踐性，是《測試技術(shù)》相關(guān)理論的載體。在實際教學(xué)實踐中，由于《測試技術(shù)》理論性強，學(xué)生普遍反映較難，尤其是實驗環(huán)節(jié)難以跟學(xué)生所學(xué)課程結(jié)合，導(dǎo)致實驗教學(xué)效果差，學(xué)生的理論聯(lián)系實際能力未得到充分的培養(yǎng)。一直以來，眾多教育工作者們都在不斷尋找解決辦法[7-8]，但往往都是從單一的課程改革入手，沒有從本科培養(yǎng)體系出發(fā)將相關(guān)課程聯(lián)系起來，形成有機整體。此外，這些工作很少有專門針對實驗教學(xué)進行綜合改革研究，因此學(xué)生難以做到對所學(xué)的知識觸類旁通、理論聯(lián)系實際。綜上分析，在工程認(rèn)證背景下，以培養(yǎng)學(xué)生實驗綜合能力為目標(biāo)，以《氣動技術(shù)》實驗作為載體，將《測試技術(shù)》以及《電氣控制與PLC》的理論知識與專業(yè)課程有機融合進行綜合實驗改革，是一項具有重要意義的研究工作。

1 氣動技術(shù)-測試技術(shù)-PLC綜合實驗教學(xué)體系的構(gòu)建

1.1 課程建設(shè)理念

傳統(tǒng)氣動技術(shù)、測試技術(shù)、電氣控制與PLC 3門課程的實驗學(xué)時分別為8，4，12課時。這些實驗都是驗證性實驗，主要以課程相關(guān)的基本原理演示為主，學(xué)生基本上都是跟著實驗指導(dǎo)書依葫蘆畫瓢。由于缺乏設(shè)計與研究的環(huán)節(jié)，學(xué)生的工程實踐和創(chuàng)新能力基本上沒有得到鍛煉，這是與工程認(rèn)證的OBE理念不符的。針對上述問題，需要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，以學(xué)生能力目標(biāo)為導(dǎo)重新設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容。

由于這3門課程的實驗教學(xué)內(nèi)容存在比較緊密的聯(lián)系，即氣動元器件需要PLC作為控制媒介才能實現(xiàn)自動化運行，而PLC控制需要測試技術(shù)的相關(guān)理論作為基礎(chǔ)才能實現(xiàn)控制的精確性與準(zhǔn)確性。如果說氣動元器件是人體的肌肉，那PLC控制可以類比為大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，而測試技術(shù)的理論則是人類的思想和知識技能。因此，將這3門課程的實驗教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系起來進行綜合教學(xué)設(shè)計是一種符合OBE理念的科學(xué)教學(xué)方法[9]。

通常來說，高校氣動技術(shù)、測試技術(shù)以及電氣控制與PLC 3門課程都安排在大三上學(xué)期。由于3門課程在時間上平行，這就為綜合實驗教學(xué)在時間安排上提供了可能。因此可將氣動技術(shù)-測試技術(shù)-PLC綜合實驗單獨設(shè)置為一門課程，總學(xué)時數(shù)為16課時，包含氣動技術(shù)和測試技術(shù)的全部實驗內(nèi)容和電氣控制與PLC的部分實驗內(nèi)容。通過合理設(shè)計實驗內(nèi)容，將3門課程的知識點有機融合，以達到培養(yǎng)學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力的預(yù)期目標(biāo)。

1.2 課程目標(biāo)

落實課程目標(biāo)的關(guān)鍵是解決“課程如何實現(xiàn)對畢業(yè)要求的支撐”問題，將能力的培養(yǎng)貫穿整個教學(xué)過程[10]。根據(jù)企業(yè)需求和專業(yè)人才培養(yǎng)大綱，制訂了4個培養(yǎng)目標(biāo)，通過氣動技術(shù)-測試技術(shù)-PLC綜合實驗，培養(yǎng)學(xué)生在工程知識、復(fù)雜工程問題的設(shè)計/開發(fā)解決方案、運用理論對復(fù)雜工程問題進行研究以及團隊協(xié)作等四個方面綜合能力。這4個培養(yǎng)目標(biāo)分別支撐4個畢業(yè)要求，具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點的對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Congruent relationship between curriculum objectives and requirement points for graduation

課程的培養(yǎng)目標(biāo)具體為：

課程目標(biāo)1：掌握氣動元件和各種基本回路的工作原理，能對機械工程領(lǐng)域常見的氣動系統(tǒng)進行分析。

課程目標(biāo)2：能針對機械工程領(lǐng)域具體的氣動問題創(chuàng)新性地制定解決方案，并通過查閱相關(guān)樣本資料、文獻資料尋求多種解決方案，能選用正確的氣動元件和PLC控制方案進行合理有效的實現(xiàn)。

課程目標(biāo)3：掌握信號測試信號采集的基本原理和裝置，掌握信號的處理方法和分析方法，能夠選擇使用智能儀器和虛擬儀器對機械裝備設(shè)計及制造工藝問題進行分析和測試方案設(shè)計能，通過實驗結(jié)果對測試系統(tǒng)的靜/動態(tài)特性指標(biāo)進行分析和處理，得到不失真的測試系統(tǒng)。

課程目標(biāo)4：能夠以小組形式，開展氣動技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計、PLC程序設(shè)計以及信號測試分析、接線與調(diào)試等任務(wù)，在小組中能承擔(dān)成員或者負(fù)責(zé)人的角色，能夠與組內(nèi)成員有效溝通，獨立或合作開展工作。

1.3 實驗教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)制訂的課程目標(biāo)，以氣動技術(shù)為主要載體，設(shè)計了3個環(huán)節(jié)的綜合實驗，包括氣動基本回路驗證、物料分揀搬運以及氣動挖掘機綜合實驗。3個環(huán)節(jié)的內(nèi)容深度與對學(xué)生綜合能力的要求依次提高，部分環(huán)節(jié)劃分了若干個難度等級，可依據(jù)學(xué)生的能力進行相應(yīng)選擇，做到因材施教。本課程的4個課程目標(biāo)中，課程目標(biāo)1～3是知識目標(biāo)，即培養(yǎng)學(xué)生的相關(guān)原理認(rèn)知；課程目標(biāo)4是能力目標(biāo)，即培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力。前3個知識目標(biāo)可以通過傳統(tǒng)的考核成績進行評價，而課程目標(biāo)4對應(yīng)的團隊協(xié)作能力評價則只能在實驗過程中體現(xiàn)。因此在課程建設(shè)理念上，將每個實驗項目的考核分成兩部分，分別支撐對應(yīng)的知識目標(biāo)和團隊協(xié)作能力目標(biāo)，即課程目標(biāo)4的達成對應(yīng)本課程的所有實驗內(nèi)容。在具體的實驗內(nèi)容安排上，每次實驗都是以小組的形式開展，并指定組長。通過多個實驗，讓每個學(xué)生在不同實驗中分別承擔(dān)組員以及組長的角色，從而培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力。因此，構(gòu)建了實驗教學(xué)內(nèi)容與本課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

氣動基本回路驗證實驗環(huán)節(jié)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識以及團隊協(xié)作能力。 該環(huán)節(jié)包括換向回路、速度調(diào)節(jié)回路、互鎖回路、往復(fù)控制回路、順序動作回路、自鎖與互鎖回路等7個大類的實驗項目。該環(huán)節(jié)設(shè)計學(xué)時為8課時，實際教學(xué)中可以根據(jù)需要靈活選擇其中4個實驗。

表2 實驗內(nèi)容與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系Tab.2 Congruent relationship between experimentcontent and curriculum objectives

物料分揀搬運綜合實驗環(huán)節(jié)涉及氣動技術(shù)以及PLC控制相關(guān)知識點的綜合與應(yīng)用。其目標(biāo)是通過團隊協(xié)作的形式，培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜工程問題的分析解決能力。該環(huán)節(jié)包括物料傳輸與分揀實驗、搬運機械手實驗、物料分揀搬運綜合實驗等3個項目。該環(huán)節(jié)設(shè)計學(xué)時為4課時。

氣動挖掘機綜合實驗環(huán)節(jié)將氣動技術(shù)、測試技術(shù)以及PLC控制3門課程的相關(guān)知識點進行綜合與應(yīng)用。其目標(biāo)是通過團隊協(xié)作的形式，培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜工程問題的分析與研究能力。該環(huán)節(jié)以氣動挖掘機為控制對象，采用PLC對其進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)挖掘機動作的精確運行。該環(huán)節(jié)的設(shè)計學(xué)時為4課時。

2 基于項目的多課程綜合實驗教學(xué)改革實踐

項目教學(xué)法以問題為導(dǎo)向，強調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)過程和實際解決問題的能力[11]。其最顯著的特點是“以項目為導(dǎo)向、以任務(wù)為驅(qū)動；以教師為引導(dǎo)、以學(xué)生為主體”，通過共同協(xié)作能夠很好地調(diào)動學(xué)生積極性，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造思維，因此在工科專業(yè)的教學(xué)實踐中獲得了廣泛的應(yīng)用，尤其是在機械工程領(lǐng)域的相關(guān)研究實踐成果為本研究提供了寶貴的經(jīng)驗[12]。項目的設(shè)計是項目教學(xué)法的核心，需要有一定的廣度和深度，且需要結(jié)合生產(chǎn)實際，從而適應(yīng)工程認(rèn)證對學(xué)生綜合能力的需求。

2.1 氣動基本回路項目教學(xué)

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容安排，自主設(shè)計并搭建了氣動基本回路實驗臺如圖1所示。該實驗臺主要由柜板、氣動元器件(電磁閥和氣缸等)、位于上部的繼電器與PLC控制柜、以及電腦上位機4個部分組成。在氣動元件的控制方式上有手動、繼電器、PLC 3種形式，適用性強。通過氣動元器件與控制柜的組合，可以完成7大類的氣動基本回路驗證實驗。其中，換向回路和速度調(diào)節(jié)回路均包含單作用氣缸和雙作用氣缸2種形式，往復(fù)控制回路包含單缸單往復(fù)和單缸連續(xù)往復(fù)兩種形式。結(jié)合不同的控制方式，可以組合出純氣動回路、繼電器控制的氣動回路以及PLC控制的氣動回路等項目，從而形成不同的難度等級，教學(xué)中可以靈活選擇，因材施教。學(xué)生以2人組成小組，根據(jù)項目任務(wù)書開展實驗，完成元器件選擇、連接和調(diào)試等任務(wù)。

2.2 物料分揀搬運綜合項目教學(xué)

物料分揀搬運綜合實驗，包含物料傳輸與分揀實驗、搬運機械手實驗、物料分揀搬運綜合實驗等3個項目。圖2所示為搬運機械手綜合實驗臺。該機械手有3個自由度，即垂直升降、水平橫移、180°旋轉(zhuǎn)。主要完成以下動作：啟動—手抓下降—手抓夾緊—手抓上升—手抓收回—旋轉(zhuǎn)—手抓下降—手抓伸出—手抓松開。機械手氣缸工作的順序由PLC控制，從學(xué)習(xí)簡單的PLC指令編程，梯形圖編程，深入到PLC控制的應(yīng)用、與計算機通訊、在線調(diào)試等實驗項目。

圖3所示為物料分揀綜合實驗臺，由底板、氣動部分、落料機構(gòu)、物料傳送機構(gòu)及電氣控制器等6部分組成。氣動部分由電磁閥和氣缸組成；物料傳送部分由直流電機驅(qū)動同步傳送帶。電氣控制器由單相直流減速電機、電磁閥、接近開關(guān)以及PLC等組成。通過接近開關(guān)信號采集，PLC編程，對直流電機、電磁閥進行開關(guān)量控制，實現(xiàn)對傳送帶上金屬與非金屬的物料進行辨識與分揀。物料分揀綜合實驗臺涵蓋了PLC、氣動技術(shù)、電機傳動、位置控制、傳感器檢測等內(nèi)容，是實際工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的微縮裝置。

上述2個實驗可以作為基礎(chǔ)項目，此外，還可以聯(lián)合上述2個實驗臺進行物料分揀搬運綜合實驗。由于難度進一步提升，該部分供學(xué)習(xí)成績具有一定余力的小組選做。

2.3 氣動挖掘機綜合項目教學(xué)

氣動挖掘機綜合實驗臺如圖4所示，主要包括氣動挖掘臂、電磁閥、PLC控制器等幾個部分。氣動挖掘臂具有3個自由度，由氣缸單獨驅(qū)動構(gòu)成關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)上都有獨立的直線位移傳感器，并通過數(shù)據(jù)采集卡接入電腦的虛擬儀器系統(tǒng)中。該實驗項目以2人小組開展，分工協(xié)作完成氣動挖掘機氣動回路設(shè)計、PLC控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計、信號采集、閉環(huán)控制系統(tǒng)建模與響應(yīng)分析、以及安裝調(diào)試工作。由于是3門課程知識的綜合運行，難度和工作量較大，整個項目的時間為4課時。

3 課程考核評價方式改革與成果

3.1 課程考核

傳統(tǒng)實驗課程的考核形式一般都是以實驗報告為依據(jù)[13]。隨著人才需求的不斷變化，單一的評價方式已經(jīng)不能適應(yīng)社會和時代的發(fā)展。在工程認(rèn)證的背景下，越來越多的人意識到，實驗教學(xué)的考核評價應(yīng)該是多層面的，這樣才能全面考察學(xué)生的綜合能力[14]。

為了比較全面地評價學(xué)生對該實驗課程的掌握情況，將考核評價分為現(xiàn)場答辯和實驗報告兩個方面，各占實驗總成績的50%。單次實驗的得分為上述2個成績的平均值，均按照百分制打分?，F(xiàn)場答辯環(huán)節(jié)不僅能避免相互抄襲、真實檢驗學(xué)生對知識點的掌握情況，最主要的是可以反映小組成員之間的分工協(xié)作能力，是評價該小組學(xué)生團隊協(xié)作能力的依據(jù)。老師通過詢問每組學(xué)生在實驗過程中的任務(wù)分配、遇到的問題及分析處理過程等情況，就可以迅速了解學(xué)生作為成員或組長的角色是否合格。實驗報告要求學(xué)生將實驗?zāi)繕?biāo)、原理和方法、以及結(jié)果分析進行詳細(xì)記錄，是反映學(xué)生相關(guān)知識能力目標(biāo)的依據(jù)。最終，根據(jù)表2中實驗內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，制訂了各考核環(huán)節(jié)與課程目標(biāo)的量化關(guān)系如表3所示。

表3 課程目標(biāo)與考核評價的關(guān)系Tab.3 Relationship between curriculum objectives and examination

3.2 達成度評價

根據(jù)工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，課程目標(biāo)達成度評價包括課程目標(biāo)達成度評價，以及課程總目標(biāo)達成度評價[1]。本課程中，各課程目標(biāo)達成度計算公式為：

(1)

式中Ei—— 第i個課程目標(biāo)的達成度，i=1，2，3,4

ai—— 第i個課程目標(biāo)對應(yīng)的現(xiàn)場答辯平均分

Ai—— 第i個課程目標(biāo)對應(yīng)的現(xiàn)場答辯目標(biāo)總分

bi—— 第i個課程目標(biāo)對應(yīng)的實驗報告平均分

Bi—— 第i個課程目標(biāo)對應(yīng)的實驗報告目標(biāo)總分

課程的總目標(biāo)達成度E按照下式得出：

E=E1×20%+E2×20%+E3×10%+E4×50%

(2)

3.3 運行成效

多課程聯(lián)合綜合實驗教學(xué)改革運行近兩年以來，共有2個班80余名學(xué)生參加實驗，反映良好。以最近一學(xué)期的成績?yōu)槔n程目標(biāo)3達成度最低，為0.768，其余課程目標(biāo)達成度均在0.8以上。根據(jù)“木桶原則”，說明學(xué)生對測試技術(shù)相關(guān)理論的掌握與分析能力相對較弱，這與課堂理論教學(xué)的反饋結(jié)果一致，今后應(yīng)該在這一方面強化課堂教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生通過該綜合實驗環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，激發(fā)的學(xué)習(xí)興趣，有效提高了知識的綜合運用能力和團隊協(xié)作能力。在以工程認(rèn)證為契機的各項教學(xué)改革的綜合影響下[9]，該班的學(xué)生目前已自主申請并授權(quán)實用新型專利2項，獲得江蘇省大學(xué)生工程能力訓(xùn)練大賽三等獎1項，以及江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目2項。該綜合實驗教學(xué)改革的運行時間較短，可以預(yù)見只要一直堅持今后肯定會有更好的成果。

4 結(jié)論

在工程認(rèn)證背景下，通過以氣動技術(shù)為載體的多課程聯(lián)合綜合實驗教學(xué)改革探索與實踐，獲得了如下幾個方面的經(jīng)驗：

(1) 涉及多課程知識的綜合實驗設(shè)計是關(guān)鍵，通過項目形式將多個課程的知識點有機交叉融合，是一種有效的教學(xué)方法。

(2) 考核環(huán)節(jié)中，小組答辯要求全部成員都要匯報，并對實驗過程中的問題和結(jié)果進行分析討論，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和素養(yǎng)。

(3) 項目教學(xué)中，要適當(dāng)弱化教師的理論講解，重點突出學(xué)生的主體作用，引導(dǎo)學(xué)生增強分析和解決問題的意識和能力。