“新工科”背景下智能型柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)課程改革與實(shí)踐

馬忠民，曲宏飛，李敬陽(yáng)，高躍峰，趙龍文

（大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

1 引言

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在蓬勃推進(jìn)，并取得了巨大進(jìn)步[1,2]。復(fù)旦共識(shí)、天大行動(dòng)和北京指南，構(gòu)成了“新工科”建設(shè)的“三部曲”，奏響了人才培養(yǎng)主旋律，開拓了工程教育改革新路徑[3,4]。隨著智能化、數(shù)字化、信息化等現(xiàn)代科技的興起和快速發(fā)展，在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)的背景下，整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域也正在向計(jì)算機(jī)化、數(shù)字化和智能化方面推進(jìn)。

現(xiàn)代輪機(jī)工程是集機(jī)、電、氣知識(shí)為一體的大型綜合系統(tǒng)[5]，電子控制技術(shù)在船舶領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，自20 世紀(jì)70 年代研究開始，柴油機(jī)電控噴射技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第三代。智能型柴油機(jī)是將電子控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)綜合應(yīng)用于柴油機(jī)而形成的一種新型柴油機(jī)，具有很強(qiáng)的運(yùn)轉(zhuǎn)適應(yīng)性，能夠根據(jù)工況確定最佳噴油壓力，使柴油機(jī)處于最優(yōu)狀態(tài)運(yùn)行，具有完善的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，降低柴油機(jī)NOX 和PM 的排放等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)前節(jié)能減排背景，在船舶領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]。本文以“智能柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)課程”為例，介紹智能型柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法與實(shí)踐成果。

2 課程教學(xué)現(xiàn)狀

一是實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材缺乏，學(xué)生對(duì)于智能柴油機(jī)的學(xué)習(xí)內(nèi)容僅限于教材和課堂理論介紹，實(shí)驗(yàn)室缺乏智能柴油機(jī)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，教師無(wú)法對(duì)智能型柴油機(jī)工作方式和控制原理進(jìn)行直觀講解，授課方式和授課內(nèi)容相對(duì)枯燥。二是實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材昂貴，受制于智能型柴油機(jī)采購(gòu)成本和實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地空間的限制，一般也很難將智能控制技術(shù)的柴油機(jī)引入實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行直觀教學(xué)并演示，學(xué)生對(duì)于智能控制技術(shù)的理解和能夠?qū)崿F(xiàn)的功能、控制原理就更加陌生。此外，輪機(jī)工程專業(yè)本科學(xué)生畢業(yè)以后，學(xué)生的擇業(yè)方向之一是從事遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶管理工作，目前新建遠(yuǎn)洋船舶多數(shù)安裝智能控制技術(shù)的主機(jī)，在設(shè)計(jì)理念和機(jī)器結(jié)構(gòu)方面，較傳統(tǒng)柴油機(jī)有著較大的區(qū)別，需要學(xué)生具備較強(qiáng)的理解能力和邏輯思維能力進(jìn)行使用和管理。因此，加強(qiáng)智能型柴油機(jī)的實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)，提升學(xué)生綜合判斷能力和問題處理能力變得尤為重要。

3 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

“新工科”建設(shè)行動(dòng)提出將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過程，不斷優(yōu)化工程教育模式，更新教學(xué)內(nèi)容和課程體系。目前，“智能柴油機(jī)”教學(xué)過程以理論教學(xué)為主，對(duì)應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相對(duì)不足，本文以瓦錫蘭公司提供的“智能型柴油機(jī)模擬器”為教學(xué)素材，展開實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)，模擬器如圖1 所示。

圖1 智能型柴油機(jī)模擬器

該模擬器模擬一個(gè)5 缸R(shí)T-flex60C 柴油機(jī)控制系統(tǒng)，作為一個(gè)獨(dú)立自主的工作單元，具備很強(qiáng)的實(shí)用功能和演示功能，同時(shí)還可以為社會(huì)船員提供模擬培訓(xùn)作用。WECS-9520 是瓦錫蘭RT-Flex 柴油機(jī)控制的核心，其功能是代替以前的凸輪軸對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行控制，包括：共軌監(jiān)測(cè)和壓力調(diào)節(jié)，噴油器、排氣閥以及起動(dòng)閥的控制和監(jiān)測(cè)，以及外部系統(tǒng)的接口功能等[7]。

3.2 課程教學(xué)內(nèi)容

（1）課前教師介紹模擬器外觀結(jié)構(gòu)及WECS-9520控制系統(tǒng)組成及主要功能。

（2）學(xué)生了解并掌握燃油共軌單元和伺服油共軌單元工作原理；燃油共軌系統(tǒng)及噴射控制單元（ICU）工作原理。

（3）檢查、熟悉設(shè)備外觀，閱讀模擬器操作規(guī)程，了解設(shè)備的性能和使用方法，按照操作規(guī)程能夠正確操作模擬器。

（4）接通模擬器電源，插入模擬器運(yùn)行保護(hù)U 盤，啟動(dòng)運(yùn)行操作電腦，打開模擬器操作軟件，進(jìn)入模擬器操作界面。

（5）按照操作規(guī)程，逐步演示模擬器具有的各項(xiàng)功能，并觀察電腦界面參數(shù)顯示，圖2 為伺服油壓操作顯示界面。

圖2 伺服油壓操作顯示界面

（6）在實(shí)驗(yàn)過程中，還可以改變控制油壓、掃氣壓力、噴射壓力等信號(hào)值，觀察模擬器的顯示狀態(tài)及報(bào)警情況。

3.3 教學(xué)方法改革

在“新工科”建設(shè)背景下，任課教師在課堂中要注重師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，推進(jìn)信息技術(shù)和教育教學(xué)深度融合，加強(qiáng)以學(xué)生為中心的工程教育模式[8]。傳統(tǒng)教學(xué)模式相對(duì)單一，并且智能柴油機(jī)課程難度較高，從而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性不強(qiáng)、興趣不高，教學(xué)效果不理想。輪機(jī)工程專業(yè)是理論性和實(shí)踐性都比較強(qiáng)的一門專業(yè)，要培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。目前，多數(shù)實(shí)驗(yàn)課程采用傳統(tǒng)的授課模式，即教師講授-學(xué)生聆聽（Lecture-based Learning，簡(jiǎn)稱LBL）[9]，圖3 中（A）所示。

圖3 LBL（A）與PAI class（B）教學(xué)模式

基于當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀，作者嘗試在實(shí)驗(yàn)課堂引入“教師講授(Presentation)、學(xué)生自學(xué)（Assignment）、學(xué)生互講（Instruction)”的“PAI class”教學(xué)模式[9]，該方法已經(jīng)在輪機(jī)工程專業(yè)的其他實(shí)驗(yàn)課堂中取得了良好的教學(xué)效果。在課堂采用“PAI class”教學(xué)模式，課堂融入“學(xué)生互講”教學(xué)環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)單一的講授模式變?yōu)橐詥栴}為導(dǎo)向的自主性學(xué)習(xí)和協(xié)作性學(xué)習(xí)模式。在學(xué)生互講之后，小組之間互相評(píng)分，然后教師對(duì)學(xué)生的講授內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，完善學(xué)生講授內(nèi)容，讓學(xué)生成為課堂學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者，改變傳統(tǒng)授課手段和教學(xué)模式，提高課程教學(xué)質(zhì)量，教學(xué)模式如圖3（B）所示。

課前準(zhǔn)備。聯(lián)絡(luò)各班班長(zhǎng)，組建課程微信群，方便教師與學(xué)生聯(lián)絡(luò)和發(fā)送相關(guān)學(xué)習(xí)資料；根據(jù)教學(xué)大綱要求，編寫課程教案，制定教學(xué)內(nèi)容，準(zhǔn)備教學(xué)素材和預(yù)習(xí)材料；老師將課程預(yù)習(xí)文檔材料、教學(xué)資源、課程預(yù)習(xí)要求發(fā)送到班級(jí)微信群中；預(yù)習(xí)過程中，要求學(xué)生將遇到的問題做好記錄，課堂進(jìn)行講解和答疑。

課堂實(shí)施。課前教師強(qiáng)調(diào)安全和紀(jì)律情況，培養(yǎng)學(xué)生安全和紀(jì)律意識(shí)；教師結(jié)合學(xué)生課前預(yù)習(xí)問題反饋情況，著重對(duì)遇到的問題和重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解；實(shí)施“PAI class”教學(xué)模式；將學(xué)生分成3 個(gè)小組，教師發(fā)送每組學(xué)習(xí)主題，小組組員自行學(xué)習(xí)，然后小組之間互相講解本組學(xué)習(xí)內(nèi)容；所有組都完成講解以后，小組之間進(jìn)行互評(píng)，該環(huán)節(jié)能夠培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和言語(yǔ)表達(dá)能力；教師對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹；課程結(jié)束前，學(xué)生當(dāng)面與教師互動(dòng)交流，對(duì)本課程的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行總結(jié)。

課后提高。課后學(xué)生進(jìn)行總結(jié)并書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告；學(xué)生根據(jù)實(shí)際授課情況及授課效果提交問卷調(diào)查；教師對(duì)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容和問卷反饋情況，及時(shí)總結(jié)和歸納；教師根據(jù)反饋情況，更新課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)的動(dòng)態(tài)更新。

4 教學(xué)效果分析

評(píng)價(jià)方式優(yōu)化。由傳統(tǒng)的結(jié)果性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)過程從課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)和操作、課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告，到最終的問卷反饋，涵蓋整個(gè)學(xué)習(xí)過程。課程評(píng)價(jià)過程優(yōu)化，改變了以教師為主導(dǎo)的結(jié)果性評(píng)價(jià)方式，使得整個(gè)課程評(píng)價(jià)更為合理。

教學(xué)效果提升。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的改革，實(shí)施“PAI class”教學(xué)模式以后，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情提高，學(xué)生課堂參與程度顯著提升；同學(xué)之間互相探討，提高了團(tuán)隊(duì)協(xié)同配合能力；教學(xué)方法新穎，教學(xué)內(nèi)容有趣。改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，課堂融入小組自學(xué)互講打分環(huán)節(jié)，學(xué)生重視程度明顯提高。同時(shí)根據(jù)問卷反饋情況，教師還可以動(dòng)態(tài)更新授課知識(shí)和完善相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。

學(xué)習(xí)成績(jī)提高。根據(jù)課前預(yù)習(xí)報(bào)告提交情況及課堂出席情況，學(xué)生能夠全部完成課前預(yù)習(xí)；根據(jù)課后問卷反饋情況，學(xué)生對(duì)教學(xué)模式的認(rèn)可度較高，更愿意參與課堂學(xué)習(xí)。

學(xué)生在理論課堂沒有記牢的知識(shí)在實(shí)驗(yàn)課堂重新回顧，做到溫故而知新，既能提高理解力，又可以增加專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備。由此可見，本次教學(xué)模式改革，能夠提升教學(xué)效果，同時(shí)也能夠契合“新工科”建設(shè)的初衷和理念。

5 結(jié)語(yǔ)

在“新工科”建設(shè)背景下，本文以“智能柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)課程”為例，對(duì)該課程教學(xué)模式和考核方法進(jìn)行了改革，將課堂角色“以教師為中心”向“以學(xué)生為中心”轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)模式的創(chuàng)新。經(jīng)過課堂教學(xué)驗(yàn)證了“PAI class”教學(xué)模式能夠起到良好的教學(xué)效果。提出全過程評(píng)價(jià)模式，學(xué)生的課課堂參與程度明顯提高，有利于培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，為今后從事船舶管理工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；經(jīng)過實(shí)踐證明，該教學(xué)方法和評(píng)價(jià)方法切實(shí)可行，能夠?yàn)槠渌n程的教學(xué)改革提供借鑒和參考。