新工科背景下自制實驗設備在傳統(tǒng)工科升級改造中的應用與教學探索

［摘 要］實驗教學是高等教育新工科人才培養(yǎng)的關鍵教學環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)實驗設備和平臺已經(jīng)不能滿足新時代復合型、綜合型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。蘭州理工大學基于機械電子工程專業(yè)的實踐教學，以培養(yǎng)具備創(chuàng)新實踐能力的高素質復合型人才為目標，自主研制了“機—電—液—控”一體化的實驗教學平臺，解決了傳統(tǒng)專業(yè)改造升級過程中實踐平臺和能力培養(yǎng)缺失的問題。同時，在自主研制實驗教學平臺的基礎上進一步開展實踐教學改革，創(chuàng)新教學方法和教學手段，提出工程化訓練全貫穿的創(chuàng)新實踐教學體系。實踐表明，學生對“機—電—液—控”專業(yè)知識的綜合應用能力得到了顯著提升，基于多學科交叉的自主創(chuàng)新能力也得到了增強。

［關鍵詞］自制實驗設備；新工科；實踐教學；自主創(chuàng)新

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）17-0049-05

第四次工業(yè)革命的高速發(fā)展，使教育事業(yè)面臨巨大變革，也為高等教育的創(chuàng)新變革帶來了重大發(fā)展機遇[1]。因此，傳統(tǒng)優(yōu)勢工科專業(yè)如何在保持自己傳統(tǒng)特色的前提下，基于實踐教學體系樹立新工科教育發(fā)展理念，完成新技術革命浪潮下的教育變革與發(fā)展，是其當前面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

工科教育在高等教育中具有特殊的地位和作用，與國家經(jīng)濟社會發(fā)展息息相關[2]。其引領原始科技創(chuàng)新，突破工程技術瓶頸，是科技強國、人才強國的重要戰(zhàn)略支撐[3]。實踐教學是工科教育教學體系中的重要環(huán)節(jié)，也是教學質量保障的重要方面。面對新工科發(fā)展目標，高等工科教育需要培養(yǎng)出具有實踐應用能力、工程分析技能、創(chuàng)新設計能力，以及職業(yè)素養(yǎng)的復合型應用人才，這對實踐教學體系建設提出了更高的要求[4]。然而，目前部分高校的實踐教學平臺與科技創(chuàng)新不匹配，大學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)與社會需求脫節(jié)，導致實踐教學平臺在創(chuàng)新實踐教育中不能很好地發(fā)揮作用[5]。因此，如何創(chuàng)新實踐教學平臺建設成為傳統(tǒng)工科專業(yè)實踐教學改革中亟待解決的問題。自制實驗教學儀器設備是指從事科學研究和實驗教學的教師依據(jù)本專業(yè)教學現(xiàn)狀和培養(yǎng)目標，自主設計和研制的具有先進性和實用性的實驗教學設備。這些新型設備在市場上無現(xiàn)成產品出售，可用來彌補現(xiàn)有設備創(chuàng)新不足、性能不夠、與企業(yè)實踐嚴重脫節(jié)的問題，以滿足實驗教學的需求[6-7]。當前，國內高校開始逐漸重視實驗裝置的自主研制工作[8-10]。

近年來，蘭州理工大學（以下簡稱我校）非常重視傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造工作，通過設立教學研究項目等多種舉措，大力支持教師自主研制實驗教學設備。機械電子工程專業(yè)是我校傳統(tǒng)優(yōu)勢專業(yè)，屬典型的產品設計類專業(yè)。該專業(yè)的核心課程所涉及的傳統(tǒng)流體元件及系統(tǒng)，在現(xiàn)代工業(yè)中已經(jīng)發(fā)展為內置微控制器、微傳感器和專用控制算法的智能化元件及系統(tǒng)。因此，本文以我校機械電子工程專業(yè)的液壓元件、液壓系統(tǒng)微機控制等課程的實踐教學為例，自主研制了融入數(shù)字化、信息化和智能化等內容的跨學科電液控制系統(tǒng)實驗教學設備，為學生構建交叉融合的專業(yè)知識體系和培養(yǎng)創(chuàng)新能力創(chuàng)造實踐條件。

一、教學實驗平臺研制

液壓元件與系統(tǒng)的相關課程是我校機械電子工程專業(yè)的主要專業(yè)課程[11]。液壓系統(tǒng)是一種利用流體來傳遞能量的系統(tǒng)，其通過控制流體流動來實現(xiàn)力、扭矩和運動的轉換與傳遞，被廣泛用于國防軍工、航空航天、能源動力、生物醫(yī)療等高科技裝備領域。但是這些核心課程所涉及的流體元件及系統(tǒng)，在現(xiàn)代工業(yè)中已逐漸變得更信息化、智能化，其不再是傳統(tǒng)意義上的流體元件及系統(tǒng)。而傳統(tǒng)實驗教學平臺仍然是簡單機械及裝置的組合。如果只是依靠教師在課堂理論教學中融入嵌入式系統(tǒng)、現(xiàn)代傳感技術和智能控制算法等內容，學生無法真正掌握智能液壓元件和系統(tǒng)設計能力，也難以構建交叉融合的專業(yè)知識體系。

我校液壓技術研究團隊（以下簡稱研究團隊）長期從事液壓元件基礎研究與應用方面的教學和科研工作，深耕工程液壓技術研究領域，熟知液壓行業(yè)的發(fā)展。近年來主持國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、甘肅省自然科學基金等多項省部級以上科研項目，建成特種泵閥教育部重點實驗室、甘肅省實驗教學示范中心、甘肅省液壓氣動工程技術研究中心等多個省部級以上創(chuàng)新實踐平臺，在液壓技術領域積累了豐富的教學和研究經(jīng)驗，為自主研發(fā)電液控制系統(tǒng)實驗教學平臺奠定了深厚的理論基礎[12]。

（一）自制實驗平臺的背景和目標

我校機械電子工程專業(yè)在進行傳統(tǒng)專業(yè)升級改造的過程中，以新工科建設“應對變化，塑造未來”為理念，通過對現(xiàn)有培養(yǎng)方案、課程設置、教材建設、實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)等進行一系列改革，將原來以“液”為主、以“機”為輔的單一傳統(tǒng)知識體系，升級改造為集數(shù)字控制技術、現(xiàn)代傳感技術、現(xiàn)場總線技術和智能控制算法于一體的“機—電—液—控”多學科融合的新型知識體系。在實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)的改革中，我們發(fā)現(xiàn)原有的或市場上有售的實驗平臺功能不足，教學內容陳舊，改造創(chuàng)新困難，無法將科研工作的新進展、新內容補充到實驗教學中，使實驗教學內容缺乏綜合性、創(chuàng)新性和前沿性。在此背景下，研究團隊結合專業(yè)人才培養(yǎng)目標，自行研制實驗教學儀器設備，以推進科研成果轉化為實驗教學內容，從而促進實驗技術裝備革新，強化實驗教學創(chuàng)新能力。最終實現(xiàn)實驗教學質量水平的提升，使實驗教學特色與核心競爭力進一步增強。因此，自制實驗平臺的目標是研制集“機—電—液—控”于一體的多學科綜合性實驗教學和創(chuàng)新實踐平臺，以解決傳統(tǒng)專業(yè)升級改造過程中交叉學科實踐平臺缺失的問題。

（二）自制實驗平臺簡介

結合實際教學需求，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和實踐能力為目標，研究團隊自主研制了電液控制系統(tǒng)綜合實驗教學平臺。設計思路如圖1所示。

該實驗平臺以控制系統(tǒng)構成中的核心電子元器件（電液比例控制放大器、電液伺服控制放大器、開關閥控制放大器）的開發(fā)使用為主要目的，以液壓閥電—機械轉換元件為控制對象，以可編程控制器為核心的通用數(shù)字控制器為系統(tǒng)控制器（軸控制器），以實際液壓控制系統(tǒng)仍在廣泛使用的模擬控制器為控制介質，能夠為電液控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、電子電路的設計、開發(fā)等提供實驗研究。

實驗平臺以PLC為核心，以電液比例放大器、電液伺服放大器為信號處理、放大環(huán)節(jié)，以開關電磁鐵、比例電磁鐵、力矩馬達、繼電器、LED等為被控對象，以LVDT位移傳感器為反饋裝置，以計算機、示波器、電壓/電流表為測量顯示裝置，五位一體共同構成。

實驗平臺主要由三部分構成，各部分功能如下。

1.電源和信號發(fā)生板塊：電源和信號發(fā)生板塊從左到右分別為電源狀態(tài)指示、電源總開關、實驗臺工作啟停按鈕、三相電輸出及顯示、5V和24V電源、0-20mA恒流源與0-10V恒壓源信號發(fā)生器。為系統(tǒng)提供工作電源和信號。

2.PLC基礎教學板塊：PLC基礎教學板塊由三個可更換式實訓模塊組成，每一個實訓模塊上有三個以上實驗科目。其中，PLC實訓模塊1由音樂噴泉實驗、搶答器實驗、自動裝配生產線模擬控制實驗、交通信號燈、自動供水設備實驗和天塔之光實驗組成；PLC實訓模塊2由自動送料車/傳送帶實驗，自動售貨機實驗、軋鋼機自動控制實驗，多種液體混合裝置實驗，郵件分揀機實驗組成。PLC實訓模塊3由四層電梯實驗、基礎教學實驗和繼電器實驗組成。三個實訓模塊由簡到難，可以有效地提高學生的PLC控制器的邏輯編程能力。

3.電液控制放大器及系統(tǒng)板塊：電液控制放大器及系統(tǒng)板塊主要由PLC、模擬/數(shù)字式比例放大器及系統(tǒng)模塊、電液伺服放大器及系統(tǒng)模塊、開關閥及控制系統(tǒng)模塊組成，其構成如圖2所示。

其中，電液控制放大器及系統(tǒng)模塊主要由PLC、模擬/數(shù)字式比例放大器、比例電磁鐵、位移傳感器、線圈電流顯示儀表和位移反饋儀表組成，共同構成電液比例控制系統(tǒng)，實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)控制功能，為學生和教師提供教學與科研服務。

電液伺服放大器及系統(tǒng)模塊主要由PLC、伺服放大器、伺服閥先導控制組件——力矩馬達及相關儀表組成，形成了伺服控制系統(tǒng)。學生可學習和理解伺服放大器結構原理，伺服閥先導組件—力矩馬達的工作原理，直觀地觀察和理解力矩馬達銜鐵組件工作過程中的擺角變化。

開關閥及控制系統(tǒng)模塊主要由開關電磁鐵、中間繼電器等組成，構成了開關控制回路，學生可以直觀地觀察到電磁鐵的輸出電流，理解其工作原理。

二、依托自制實驗平臺的實踐教學改革

我校以增強學生興趣，提高學生自主學習能力、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和團隊合作意識為目標，依托自制的綜合性開發(fā)式實驗平臺，對傳統(tǒng)工科專業(yè)的實踐教學進行深入的探索和改革。改革思路如圖3所示。

（一）建立“金字塔”遞進式實踐教學體系

根據(jù)學生對各學科專業(yè)知識的掌握程度和理解能力，分階段、分層次地安排實踐教學，建立了“金字塔”遞進式實踐教學體系，如圖4所示。整個過程分為三個階段：第一階段主要是讓學生對抽象的基礎理論有初步認識和理解，能實現(xiàn)對實際編程的進一步嘗試和掌握，結合自制實驗平臺增強學生的實際動手接線操作能力，加深和強化學生對整個電液控制系統(tǒng)、控制算法、PLC編程等的理解和掌握。第二階段為啟發(fā)性實踐教學過程，結合自制實驗平臺對理論模型所描述的過程和結果進行驗證，將流體控制系統(tǒng)中的低壓電器知識、控制器知識以及電子電路知識和液壓知識有機結合起來，使學生將課堂所學的零散知識組成一個知識體系，啟發(fā)學生對交叉學科進行融會貫通，學會科學研究的基本思考方法。第三階段的主要目標是培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力，教師將科研項目與課程內容緊密結合，每個知識點以工程科研項目實例引入，引導學生自主創(chuàng)新解決工程實際問題的方式方法。自制實驗平臺預留了多處參數(shù)測量、顯示接口，增加了手動操作過程，允許學生按自己的想法動手設計和操作實驗，使學生可以深度參與到創(chuàng)新實驗中。

（二）構建“賽—創(chuàng)”結合的創(chuàng)新實踐教學模式

在現(xiàn)行的各工科專業(yè)教學大綱下，實踐課程和科創(chuàng)競賽是相互脫離的。但是對學生而言，科創(chuàng)競賽的實戰(zhàn)是對課堂理論知識和實踐能力的綜合應用、鞏固提升和拓展學習。這兩方面的內容對學生創(chuàng)新能力和實踐能力的綜合發(fā)展至關重要，兩者應為相輔相成、相互促進的關系。因此，研究團隊將實踐課程與科創(chuàng)競賽相融合，形成一個新的實踐教學模式，為學生提供單獨的學時，結合自制實驗平臺的開放性實驗，引導學生進行科研創(chuàng)新實踐，同時為學生參與科創(chuàng)競賽提供了保障。另外，在學分認定程序上滿足學生對創(chuàng)新訓練學分的要求，此舉極大地提高了學生參與實踐學習與科創(chuàng)競賽的積極性，形成了以學促賽、以賽促學的良性循環(huán)。

（三）實行多元化綜合性的實踐課程考核方法

傳統(tǒng)的實踐課程考核方法主要依據(jù)學生的實驗報告或設計說明書內容做出最終的成績評定，這些內容主要是實驗結果的數(shù)據(jù)或圖表。這種考核方式形式單一，無法反映學生實踐過程中的思路、操作和創(chuàng)新等情況。因此，研究團隊提出了多元化綜合性實踐課程考核方法，重點考查學生對實驗方案的理解和設計、實踐操作技能、解決問題的能力、實驗結果的處理和分析能力，以及在實踐課程中得到的啟發(fā)性思考，根據(jù)這些內容綜合評定學生的實踐成績。由此引導學生在實踐課程的學習中結合基礎理論知識，掌握科學嚴謹?shù)难芯糠椒ǎㄟ^實驗過程和結果進行分析思考，從而提升學生的實踐能力和科學探索能力。

三、實踐教學改革成效

依托自制實驗平臺的實踐教學方法改革，充分考慮了機、電、液各類專業(yè)學生的特點，不僅能為機械電子工程專業(yè)（機、液類）學生形象展示構成電液控制系統(tǒng)的控制器、放大器、轉換反饋等元件的工作原理，還能將控制程序和控制算法、控制參數(shù)調節(jié)等過程具象化。這有效地解決了機械電子工程專業(yè)的學生“缺電短腿”的問題，即對實際構成電液控制系統(tǒng)時電氣（包括計算機）控制部分的組成不熟悉、心生膽怯的問題，同時為電類學生提供“液壓閥電—機械轉換機構及構成電液控制系統(tǒng)”這樣的實際測控對象，很好地解決了學生對具體測控對象感到陌生的問題，使機、電、液各類專業(yè)的學生對自己專業(yè)知識中的“伙伴技術”增進了認識，使學科交叉融合的概念深入學生心中，使學生能更好地進行電液控制器及電液控制系統(tǒng)的分析、調試、設計和開發(fā)。

我校自制實驗平臺自2016年投入使用以來，承擔了機械電子工程等相關專業(yè)的課程內實驗、獨立實驗課、實踐周、創(chuàng)新訓練和畢業(yè)設計等本科生專業(yè)核心課程的教學任務，并且兼顧機械電子工程專業(yè)研究生的電液控制器和電液控制系統(tǒng)相關的科研開發(fā)實驗，共計受益學生超過8000多人次。自制實驗平臺結合實踐教學方法的改革，大大提高了相關實踐課程的教學效果。學生對現(xiàn)在的實踐教學環(huán)節(jié)充滿了興趣，表現(xiàn)出較高的學習積極性和主觀能動性。他們在課堂上認真參與實踐操作，踴躍討論發(fā)言，對課程的滿意度從改革前的86%上升到改革后的97%。學生的自主創(chuàng)新能力和科研方法得到顯著提高，參加學科相關科創(chuàng)競賽的人數(shù)大幅增加，獲得省部級獎勵的比例上升至65.78%。

由于該實驗平臺為一線教師自主設計研發(fā)，因此在使用過程中，研究團隊根據(jù)實際教學中出現(xiàn)的問題，結合最新行業(yè)技術發(fā)展，對實驗平臺進行了不斷的改良和升級，在此基礎上研制出二代機和三代機，并且都投入實踐教學中。其中的設計思想獲得實用新型專利授權2項，申報發(fā)明專利1項；獲得中國高等教育學會2018年第五屆全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備大賽二等獎。自制實驗平臺在華中科技3RBnD20eOZQv3nUAwx90mqRxh8u5ESnrEjak88Cwspc=大學等3所高校中得以應用并獲得高度認可。

四、結語

本研究綜合了目前我國高等院校測控測量、液壓系統(tǒng)、電子電路、電機控制、繼電接觸控制、可編程控制器技術等課程實驗大綱的要求，滿足了相應課程的實驗教學，加深了學生對專業(yè)課程的理解，并將測控測量與液壓系統(tǒng)有機結合，進一步提高了學生對“機—電—液—控”綜合知識的應用能力，更加貼近社會發(fā)展需求。實驗的深度與廣度可根據(jù)需要靈活調整，為理論與實踐結合提供了支撐點，使教學過程更加靈活、生動。

基于新工科理念的實踐教學方法改革，摒棄了傳統(tǒng)的被動型灌輸式教學方式，以學生實踐和創(chuàng)新能力提升為中心，提供了豐富而系統(tǒng)的綜合性、跨學科、開放式的實踐訓練平臺，促進學生從被動學習轉為主動學習；學生可以在基礎實驗中實現(xiàn)理論與實踐互動，也可以自行設計和組織創(chuàng)新型實驗，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神和能力；在此基礎上，學生通過參加探究類項目、校內外比賽等科創(chuàng)活動，成為適應當今大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能時代發(fā)展需求的復合型專業(yè)人才。

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［責任編輯：劉鳳華］