新工科、学科交叉背景下机电专业学生教学改革探讨<br/>——以江苏大学液压与气压传动课程为例

新工科、学科交叉背景下机电专业学生教学改革探讨
——以江苏大学液压与气压传动课程为例

2022-03-16钱鹏飞程广贵张忠强

科教导刊·电子版 2022年19期

钱鹏飞，张兵，程广贵，张忠强

（江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013）

0 前言

“新工科”研究和实践是一种新的工程教育发展模式，它不仅要培养具备更强创新创业能力、跨界整合能力的新型工程科技人才，更着眼于面向未来新技术和新产业的发展，着力推动学科交叉融合和跨界整合，并构建工程教育的新理念、新结构、新质量和新体系。“新工科和学科交叉”强调学科的实用性、交叉性与综合性，对机械电子工程学科而言，尤其应注重传统工业技术与前言技术、信息技术、控制技术、软件技术等新技术的紧密结合。那么如何培养大学生创新能力，部分相关研究的讨论对策如下：沈阳师范大学的李尧[1]总结了美国培养大学生创新能力的措施和特点，指出了我国在完善大学生教育方面的推进方向；河南科技大学的曹付义等人[2]从生源质量、课程设置、导师队伍、学术道德水平等几个方面分析了目前工科大学生创新能力培养过程中存在问题及其产生原因；中国矿业大学尹世平[3]认为大学生科研创新情况不容乐观，现行考试制度、大学生培养模式、科研创新氛围等都对其有着不同程度的影响，提出了相关改革方案以提高工科大学生科研创新能力；江苏科技大学钟伟等人[4]在分析新工科对科技人才的能力需求后，针对学生创新能力的不足之处和课堂教学中前沿性弱、实用性低等问题，提出若干从多元化科研实践改革方面增强学生创新能力的措施。

在新工科建设和学科交叉背景下，大学生能力培养应注重学科交叉、课程改革，以为学生提供自由和创新的发展空间。本文以江苏大学机电专业液压与气压传动课程为例，同时结合特殊时期的特点，进行相关教学改革的探讨。

1 理论教学

为响应国家创新驱动的发展战略，落实“学生中心、目标导向、持续改进”的教育理念，江苏大学机电专业本科生培养计划和课程体系不断进行更新改革。目前，全校仅两个专业保留了液压与气压传动课程（40学时），分别是机械电子工程和农业机械化及其自动化专业。而机械设计制造及其自动化专业已取消独立的液压与气压传动课程，开设了将传感与检测、机电传动控制、液压与气压传动、控制工程基础等方面融合到一起的64学时大课程《机电液控制技术》。其中，液压与气压传动部分的授课学时缩减为20学时。可以想象，原先其他课程部分的内容也必被大幅压缩。在上述严峻的形势下，课堂教学难免会出现浮于表面、浅尝辄止的情况。大部分的学生需要在课下自学，以弥补课堂上少讲或不讲的那部分基础知识，这就需要学生认真自觉地课前、课后预习、复习了。

尽管江苏大学机械电子工程专业的液压与气压传动课程有40学时（课堂34学时，实验6学时），但是仍然课堂上少讲了该门课的很多知识，如液压与气压传动系统的设计计算、液压与气压伺服系统以及整个气动部分。为此，液压课程教学团队于2018年录制了《液压与气压传动》课程的各知识点视频（每个视频10分左右），并成功在智慧树平台运行，用以补充课程上未讲或理解不透的知识点。该在线课程每个知识点学习过程中都有在线问答，每章节学完还有章节测试，最后还有期末考试。这样学生可以有针对性的、快速的、随时随地的通过手机获取知识，不受时间和空间的限制，为学生提供自由的学习空间。

2020年5月教育部印发了《高等学校课程思政建设指导纲要》，要求把思政教育贯穿人才培养体系，全面推进高校课程思政建设。为此，课程教学中不仅要讲授理论知识，还需要开展学生思政教育。这就要求老师将价值观塑造、知识讲授和创新能力培养融合起来，通过加强工程伦理教育、弘扬创新意识和工匠精神，培养出满足新工科、学科交叉背景的具有创新创业能力、跨界整合能力的新型工程科技人才，从而达到润物细无声的育人效果。然而，课程思政不是简单地将思政教育与专业知识拼接，而是应该有机融合、隐形传播，还要不引起学生的反感，在学生获取专业知识的同时，思想得到升华、情感得到升温。这给老师增添了压力，也向原本就不富足的教学时间提出了挑战。下面对液压与气压传动课程理论教学中课程思政元素的运用给出简单示例。在第一章绪论中，列举液压传动在工业中的应用例子时，介绍我国1961年江南造船厂研制出的第一台万吨液压机和2013年二重研制出的8万吨液压机的情况，指出8万吨大型模锻压机可以使成形的机械构件具有精确外形与高精度尺寸，而飞机上85%左右的零件都是构件。尤其在制造飞机起落架、主梁等大型航空模锻件，都需要得力的“大压机”，而我国8万吨大型模锻压机的列装使中国成为拥有世界最高等级模锻装备的国家。之后提醒下，我国的大飞机C919就是在8万吨模锻压机列装后才在2017年完成试飞交付的，暗示8万吨大型模锻压机功不可没。最后再提一嘴“尽管C919是客机，但是客机不仅可以民用装人还可以军用装物”，以暗示液压技术强间接表明军事实力强，无形中对学生进行了一番爱国主义教育。在讲授执行元件、控制元件章节时，介绍2020年11月10日，“奋斗者”号载人潜水器在马里亚纳海沟（深度10909米处）成功坐底。接着讲述我国深海潜水器的奋斗之路，从2012年“蛟龙”号到2017年“深海勇士”号再到2020年“奋斗者”号，中国深潜载人潜水器不断挑战洋底最深处的极限。这说明人类认识世界的广度深度在不断拓展深化。最后不要忘了收回来强调这些载人深潜器的成功辉煌背后是液压关键核心基础件（液压泵、液压阀）在万米深海承受着超高压、强腐蚀的挑战。紧接着，引入浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室李铁风教授团队联合之江实验室开展跨学科交叉研究，率先提出机电系统软-硬共融的压力适应原理，成功研制了无须耐压外壳的仿生软体智能机器人，首次实现了在万米深海自带能源软体人工肌肉驱控和软体机器人深海自主游动，成功“打卡”马里亚纳海沟。上述思政元素，既结合了前沿技术，也体现学科交叉融通，充分展示了我国在工业、军事和科技方面的发展，大幅地提起学生听课的兴趣。

2 实验教学

现有江苏大学机电专业液压与气压传动课程的实验主要有液压泵性能实验、溢流阀静态性能实验和节流调速回路性能实验，共计6课时实验教学。原来的双缸全气控行程顺序动作回路设计实验在培养计划修订及课程改革中也被阉割了。考虑到机电专业的学生在电控这方面的能力十分有限，大都停留在理论层面且未得到实际动手能力的锻炼。相比于液压，气压实验台的搭建成本更低且安全性更好，且清洁无污染。故考虑后续恢复原先气动实验的2个课时让学生进行气缸运动伺服控制和气罐压力高精度控制实验，以培养机电专业学生数据采集和伺服控制方面的能力。

由于目前工程上大部分控制都采用PID控制，而很多同学连PID控制参数都没调过，无法适应新工科、学科交叉背景下社会对新型科技工程人才要求。为此，该课程搭建了气缸运动伺服控制平台和气罐压力高精度控制平台，让学生挑选其一去调试控制。此外，还设置了两方面的进阶实验，一方面是控制算法层面的变化，即让学生学习其他控制算法（如模糊PID控制、滑模控制等），对比观察伺服控制精度；另一方面是硬件层面的变化，即让学生尝试采用不同的控制阀（如高速开关阀、比例方向阀等）或改变实验的条件（如改变气缸负载、改变气罐的泄漏口大小等），对比控制精度情况。