“機、電、液”知識體系融合的實踐教學改革與研究
——以柳州工學院機械工程學院為例

農(nóng)勝隆，高尚晗

（1.柳州工學院 廣西 柳州 545616；2.廣西科技大學 廣西 柳州 545006）

現(xiàn)代工程機械的發(fā)展趨勢必然會使各學科方向的工程知識走向交叉與融合[2]。以機械工程為例，其專業(yè)核心課程主要有“機械傳動、電氣控制傳動、氣液壓傳動”三個方向，課程與實際工程機械所涉及的知識聯(lián)系密切，這就要求機械工程專業(yè)所培養(yǎng)出的人才不僅要掌握“機、電、液”三個方向的基礎知識，還要逐漸形成具有分析問題的系統(tǒng)性邏輯思維，并具有初步的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。因此，要實現(xiàn)“機、電、液”知識體系融合的應用型人才的培養(yǎng)，就要幫助學生做到理論聯(lián)系實際，并提高其創(chuàng)新能力。

1 “機、電、液”方向課程教學中普遍存在的問題

目前，各高校機械工程專業(yè)涉及機、電、液方向的課程較多，有“機械設計基礎”“機械工程測試技術”“機械工程控制基礎”“電氣控制與PLC”“電工電子技術”“工業(yè)機器人原理與應用”“流體力學與流體傳動”等專業(yè)基礎課程和專業(yè)課程，所涵蓋知識面較廣。學生首先要有一定的綜合性與系統(tǒng)性思維才能對這些課程的知識體系進行融會貫通。然而，傳統(tǒng)單一的授課方式無法保證課程之間的知識融合，教師對同一知識點在不同課程的授課過程中缺乏統(tǒng)一性，而各部門課程所采用的教材不同，無法達到相輔相成和相互促進的目的。沒有綜合性與系統(tǒng)性的教學方法，就很難突破課程間的知識界限。目前機械工程類專業(yè)“機、電、液”方向的實踐教學總體上主要存在以下兩大問題：

1.1 “機、電、液”各實驗室所設置的功能單一，缺乏綜合整體性和創(chuàng)新性

一方面，由于實驗、實訓室是按照“機、電、液”所對應課程進行設置的，通常是一種實驗設備對應一個實驗項目，教學功能單一，要對其進行實現(xiàn)多功能改造的成本又太高，加上實驗室本身開放式程度低，無共享機制等因素，導致很多實驗室的潛在功能沒有得到發(fā)揮；另一方面，由于實驗項目、實驗學時是由教學大綱所規(guī)劃的，理論與實踐教學在內(nèi)容上往往銜接度不夠，導致學生是為實驗而實驗，很難做到理論聯(lián)系。這些問題的存在必然會使“機、電、液”各課程的實踐教學缺乏綜合性和整體設計的創(chuàng)新性。

1.2 學生缺乏“機、電、液”課程之間的知識聯(lián)系，難以形成完整知識體系

學生雖然能很好掌握“機、電、液”中某一課程的知識，但對交叉課程之間的知識體系無法形成系統(tǒng)性，不能掌握機、電、液各門課程之間核心的知識聯(lián)系。此外，由于大多數(shù)實驗都是對理論的驗證，實驗附屬于理論的教學思維根深蒂固，加上各門課程之間的實驗又缺少融合與交叉，學生在整個實驗過程中的認知只停留在該門課程的實驗，很少去思考該實驗與其他課程是否有聯(lián)系，導致綜合性實驗與創(chuàng)新性實驗無法深入開展。這種教學方式最終導致學生無法以系統(tǒng)的角度去設計、分析與解決問題。

2 “機、電、液”知識體系融合實踐教學目的

通過對“機、電、液”三個方向課程知識之間的相互融合，設計、整合相關課程的實驗、實訓教學，把每一方向課程的核心知識點和能力培養(yǎng)目標進行統(tǒng)一梳理，以建立知識點間的相互聯(lián)系。采取實驗、實訓項目結合工程實際的教學方式，形成綜合的實踐教學模式，實現(xiàn)多門課程知識體系的相互融合，使學生能從對具體一門課程的知識掌握提升到系統(tǒng)性知識的認知[3]，從而理解機械專業(yè)各個核心課程之間的相互聯(lián)系，以實現(xiàn)在機械控制、電氣控制、氣液壓控制等方面知識的融會貫通。實施“機、電、液”知識體系融合教學的主要目的。

2.1 整合與優(yōu)化實踐教學，建立與實際工程接軌的“機、電、液”控制實踐教學場景

實踐教學場景是“機、電、液”一體化實踐教學的基礎，在實施整合與優(yōu)化實踐教學過程中，將機械控制、氣液壓控制、電氣控制進行有機結合并貫穿于整個教學過程，改變傳統(tǒng)實踐教學的單一性，創(chuàng)建具有創(chuàng)新性、綜合性、先進性與開放性的實踐教學環(huán)境，讓學生在實踐教學過程中思維更積極活躍，提高學生工程實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，達到全面提升學生的專業(yè)知識、能力和素質(zhì)的目的。

2.2 加強“機、電、液”各課程知識體系的交叉融合，形成“機、電、液”專業(yè)知識系統(tǒng)

加強“機、電、液”三方向課程教學知識的交叉融合，重點突出知識體系在工程上的實際應用。通過詳細分析“機、電、液”三個方向課程間的內(nèi)在聯(lián)系與交叉，理順教學過程中各知識點的授課先后關系，由淺至深，構建綜合性、工程化的教學模式，使學生對所學專業(yè)知識具備系統(tǒng)性理解，并能夠綜合利用機電液一體化知識進行技術創(chuàng)新，強化工程實踐能力的培養(yǎng)。

3 “機、電、液”知識體系融合的實踐教學改革途徑

3.1 構建“機、電、液”課程群，結合工程案例教學實現(xiàn)知識融合

圍繞學生工程素質(zhì)及工程實踐能力的培養(yǎng)，對“機、電、液”三個方向劃分相應課程群，“機”主要對應機械設計、機械傳動和機械自動化控制等課程，“電”主要對應電氣控制、數(shù)控控制技術等課程，“液”主要對應液壓與氣動控制技術等課程。在教學過程中將課程群之間的知識點進行交叉融合，建立各課程間的有機聯(lián)系，有利于學生對比各方向的知識應用，在實際設計傳動方案時選取最優(yōu)方式。在教學過程中盡可能結合實際應用對知識點進行講解，適當減少理論分析，比如，在機械工程控制課程中，減少偏理論的控制系統(tǒng)設計和校正內(nèi)容，強化PID控制器的作用、整定過程及參數(shù)的調(diào)試等知識的講解。

3.2 優(yōu)化“機、電、液”實驗項目，構建綜合性、創(chuàng)新型實驗

在滿足單一課程基礎實驗的前提下，融合機、電、液知識體系，并結合新技術、新方法修訂實驗教學大綱，結合工程實際優(yōu)化及構建實驗項目，刪減缺創(chuàng)新、缺技能、過于死板的教學內(nèi)容，通過“修訂—開展—調(diào)整”的循環(huán)方式，不斷更新實驗教學大綱與實驗項目，增加綜合設計性及創(chuàng)新性實驗的比例[4]。比如，在“機械設計基礎”的動平衡實驗教學中，隨著實驗設備的發(fā)展，淘汰原有以百分表的形式記錄實驗數(shù)據(jù)的方式，用位移或加速度傳感器并結合現(xiàn)代測控系統(tǒng)實驗代替，將機械工程測試技術課程中的傳感器知識融合于機械設計基礎的實驗中，體現(xiàn)了機電結合的綜合應用與創(chuàng)新，拓寬實驗領域。

3.3 整合現(xiàn)有實踐環(huán)境，實施“機、電、液”綜合實踐教學

根據(jù)“機、電、液”單一功能的實踐教學現(xiàn)狀，創(chuàng)建成技術先進、機電液結合好、應用性強的綜合實踐教學環(huán)境。綜合實踐教學以“機、電、液”結合為主，進行包括機械、液壓、氣動、控制為一體的機電液系統(tǒng)設計學習，實踐過程遵循循序漸進，內(nèi)容形成梯度，既有基礎性又有提高綜合性和創(chuàng)新性。實施多樣化教學，豐富及創(chuàng)新實踐教學內(nèi)容，使學生在掌握專業(yè)知識點的基礎上，接受專業(yè)業(yè)務技能進行針對性強化訓練，有效提高學生的動手實踐能力。比如，將原來獨立課程“流體力學與流體傳動”和“電氣控制與PLC”所對應的實踐環(huán)境進行整合，實現(xiàn)電氣與氣液壓的控制結合，使PLC控制的工程應用更具體化。

3.4 以“機、電、液”知識融合作為畢業(yè)設計的主要選題內(nèi)容

畢業(yè)設計環(huán)節(jié)是學生大學四年對專業(yè)知識綜合掌握及應用的體現(xiàn)，而“機、電、液”正是機械工程類專業(yè)整個知識體系的綜合。所以，在畢業(yè)設計選題中以“機、電、液”綜合為主要設計內(nèi)容，使學生意識到不同方向知識間的相關性和潛在聯(lián)系，初步形成系統(tǒng)性思維。例如，學生的畢業(yè)設計課題中涉及一種機構的順序運動控制，而該順序運動可通過獨立的機械控制、氣液壓控制、電氣控制或這三種控制方式相互結合來實現(xiàn)，此時對最佳設計方案的選取就體現(xiàn)了“機、電、液”知識體系的重要性，勢必要求學生在畢業(yè)設計過程中學會綜合利用“機、電、液”相關知識進行對比與判斷。

4 “機、電、液”知識體系融合的實踐教學環(huán)境及方案

4.1 實踐教學環(huán)境

針對柳州工學院機械工程學院現(xiàn)有實踐教學環(huán)境，結合“機、電、液”三個方向課程特點，通過實驗、實訓室和學院的優(yōu)勢學科平臺開展融合式教學，以建立多個知識點間的聯(lián)系，使學生能夠認識所學知識在整體知識結構中的意義。

柳州工學院機械工程學院目前擁有“機械自動化技術實訓室”“氣液壓控制實驗室”“機械制造自動化實驗實訓室”“工業(yè)機器人應用實訓室”“數(shù)控設備故障診斷實訓室”“電工技術實訓室”“機械創(chuàng)新實驗室”等12個實驗室，可同時供600多名學生進行實驗、實訓教學。

目前的實驗、實訓室及相關設備能在保障單一課程實驗的基礎上還能滿足“機、電、液”融合教學的基本要求，為開展綜合性及工程性實踐教學提供可靠保障。另外，學生對實踐教學通常有較高的積極性，對激發(fā)其創(chuàng)新思維有促進作用。

4.2 方案實施過程

實施“機、電、液”知識體系融合協(xié)同培養(yǎng)的目標如圖1所示：

圖1 “機、電、液”實踐教學融合協(xié)同培養(yǎng)示意圖

根據(jù)以上培養(yǎng)目標，以柳州工學院機械工程學院機械工程專業(yè)機、電、液相關專業(yè)課程的實踐教學為例，并對本方案的實施過程進行詳細說明，如圖2（p64）所示。

第一步：創(chuàng)建“機、電、液”課程群。根據(jù)課程性質(zhì)構建機、電、液三類課程群，如圖2中“課程群”所指的相應課程。組織相應課程群的任課教師了解當前各門課程所開設的實驗、實訓項目，并根據(jù)培養(yǎng)需求，進行各課程群體內(nèi)實踐教學內(nèi)容的協(xié)調(diào)、銜接和融合，目的是避免出現(xiàn)教學內(nèi)容重復或孤立的情況，以“機械工程測試技術”和“機械工程控制基礎”這兩門課程為例，“機械工程測試技術”中“測量系統(tǒng)的動態(tài)特性”內(nèi)容與“機械工程控制基礎”中“信號的頻譜分析”內(nèi)容出現(xiàn)了重復的現(xiàn)象，那么在授課過程中就需要明確該內(nèi)容在哪一門課進行重點講解。

第二步：整合“機、電、液”實驗室。把現(xiàn)有實驗室、實訓室按功能分為“機、電、液”三大類，每一大類又分為“基礎性實驗”實驗室和“綜合應用創(chuàng)新性實驗”實驗室兩個方向。將分好相應“課程群”中單一課程的現(xiàn)有實驗室納入“基礎性實驗”實驗室，將另一類課程融合進來進行綜合實踐教學的納入該門課程所對應的“綜合應用創(chuàng)新性實驗”實驗室，基礎性實驗在其所對應課程的基礎性實驗實驗室開展，應用創(chuàng)新性實驗在其所對應課程的綜合應用創(chuàng)新性實驗實驗室開展。

分類路線（如圖2）中“機、電、液”所指的“基礎性實驗”實驗室和“應用創(chuàng)新性實驗”實驗室。例如，在“電氣控制與PLC”課程的編程實驗中，其基礎性實驗可在“電”類中的“機械自動化技術實訓室”開展；需要配合氣或液壓元器件（電磁閥、氣/液壓缸等）的動作控制進行綜合性、創(chuàng)新性實驗時，可在“液”類中“氣液壓控制實驗室”開展。

圖2 “機、電、液”融合實踐教學實施流程

第三步：實施“機、電、液”融合教學。對以上三大類課程的交叉知識點進行重新梳理并建立多個知識點間的聯(lián)系，詳細了解分類的實驗室所具備的實驗功能，目的是確定能否把傳統(tǒng)的一門課程對應一個實驗室的單一功能作為其他跨類課程的“創(chuàng)新性實驗”實驗室，使其融合其他方向課程的綜合實踐教學，為開展機、電、液一體化綜合性實踐教學做準備，另外又能使實驗室功能最大化，提高實驗室的使用效率。

第四步：實施“機、電、液”畢業(yè)設計。在畢業(yè)設計環(huán)節(jié)中進行以“機、電、液”相關的實踐課題時，設計方向以綜合應用為主，主要包括機械、液壓、氣動、控制為一體的機電液系統(tǒng)設計。指導教師可根據(jù)所設計裝置的使用環(huán)境、生產(chǎn)成本、控制特點等，引入多方案創(chuàng)新設計機制，要求學生在設計中進行“機、電、液”多種控制方案對比，選出最優(yōu)方案。例如，畢業(yè)設計選題內(nèi)容為設計車床自動上料系統(tǒng)，在上料控制方案的選取上可采用機械、電氣及氣液壓傳動控制，指導老師可要求學生在實現(xiàn)功能、定位精度的基礎上，計算加工效率和核算加工成本，以選定最優(yōu)控制方案，使學生的操作在整個設計過程中更切合工程實際。

5 結語

通過對機械工程類專業(yè)的機、電傳動控制和液壓傳動控制等課程相互獨立實踐教學體系中所存的在問題進行梳理，提出機、電傳動控制和液壓傳動控制等課程知識體系相融合的實踐教學方式及優(yōu)化實踐環(huán)境方法，以擴大現(xiàn)有實驗、實訓室的實踐領域，并增強師生在機械、電氣、氣液壓等控制領域相關知識的貫通，將綜合、應用、創(chuàng)新理念貫穿于實踐教學全過程，構建工程化、綜合性、創(chuàng)新型的“機、電、液”實踐模式，培養(yǎng)現(xiàn)今社會所需的機電液復合型專業(yè)人才[5]。