气动技术为载体的多课程联合综合实验教学改革

金博雅1，李奇林，刘凯磊

(1.江苏理工学院 材料工程学院，江苏 常州 213001; 2.江苏理工学院 机械工程学院，江苏 常州 213001)

引言

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[1]。2016年6月，我国成为国际工程联盟大会批准为“华盛顿协议”第18个正式成员，这标志着我国工程教育开始正式与世界工程教育接轨，通过中国工程教育专业认证协会认证的专业本科学位能够获得其他成员国家“实质等效”认可。作为工程教育专业认证的核心理念，成果导向(Outcome Based Education，OBE)贯穿工程教育专业认证活动的整个过程，其精髓是从工程知识、问题分析等12个方面来培养学生将理论知识应用到工程实际，进行项目分析、解决问题和团队协作等[2]。国内众多高校以此为契机，从人才培养、课程体系建设等方面进行了教学改革研究，取得了一定的成果[3-5]。

《气动技术》、《测试技术》以及《电气控制与PLC》是机械工程学科中3门专业核心课程[6]。其中《测试技术》理论性较强，而《气动技术》和《电气控制与PLC》2门专业课程则侧重实践性，是《测试技术》相关理论的载体。在实际教学实践中，由于《测试技术》理论性强，学生普遍反映较难，尤其是实验环节难以跟学生所学课程结合，导致实验教学效果差，学生的理论联系实际能力未得到充分的培养。一直以来，众多教育工作者们都在不断寻找解决办法[7-8]，但往往都是从单一的课程改革入手，没有从本科培养体系出发将相关课程联系起来，形成有机整体。此外，这些工作很少有专门针对实验教学进行综合改革研究，因此学生难以做到对所学的知识触类旁通、理论联系实际。综上分析，在工程认证背景下，以培养学生实验综合能力为目标，以《气动技术》实验作为载体，将《测试技术》以及《电气控制与PLC》的理论知识与专业课程有机融合进行综合实验改革，是一项具有重要意义的研究工作。

1 气动技术-测试技术-PLC综合实验教学体系的构建

1.1 课程建设理念

传统气动技术、测试技术、电气控制与PLC 3门课程的实验学时分别为8，4，12课时。这些实验都是验证性实验，主要以课程相关的基本原理演示为主，学生基本上都是跟着实验指导书依葫芦画瓢。由于缺乏设计与研究的环节，学生的工程实践和创新能力基本上没有得到锻炼，这是与工程认证的OBE理念不符的。针对上述问题，需要根据学生的认知规律，以学生能力目标为导重新设计实验教学内容。

由于这3门课程的实验教学内容存在比较紧密的联系，即气动元器件需要PLC作为控制媒介才能实现自动化运行，而PLC控制需要测试技术的相关理论作为基础才能实现控制的精确性与准确性。如果说气动元器件是人体的肌肉，那PLC控制可以类比为大脑和神经系统，而测试技术的理论则是人类的思想和知识技能。因此，将这3门课程的实验教学内容联系起来进行综合教学设计是一种符合OBE理念的科学教学方法[9]。

通常来说，高校气动技术、测试技术以及电气控制与PLC 3门课程都安排在大三上学期。由于3门课程在时间上平行，这就为综合实验教学在时间安排上提供了可能。因此可将气动技术-测试技术-PLC综合实验单独设置为一门课程，总学时数为16课时，包含气动技术和测试技术的全部实验内容和电气控制与PLC的部分实验内容。通过合理设计实验内容，将3门课程的知识点有机融合，以达到培养学生工程实践和创新能力的预期目标。

1.2 课程目标

落实课程目标的关键是解决“课程如何实现对毕业要求的支撑”问题，将能力的培养贯穿整个教学过程[10]。根据企业需求和专业人才培养大纲，制订了4个培养目标，通过气动技术-测试技术-PLC综合实验，培养学生在工程知识、复杂工程问题的设计/开发解决方案、运用理论对复杂工程问题进行研究以及团队协作等四个方面综合能力。这4个培养目标分别支撑4个毕业要求，具体对应关系如表1所示。

表1 课程目标与毕业要求指标点的对应关系Tab.1 Congruent relationship between curriculum objectives and requirement points for graduation

课程的培养目标具体为：

课程目标1：掌握气动元件和各种基本回路的工作原理，能对机械工程领域常见的气动系统进行分析。

课程目标2：能针对机械工程领域具体的气动问题创新性地制定解决方案，并通过查阅相关样本资料、文献资料寻求多种解决方案，能选用正确的气动元件和PLC控制方案进行合理有效的实现。

课程目标3：掌握信号测试信号采集的基本原理和装置，掌握信号的处理方法和分析方法，能够选择使用智能仪器和虚拟仪器对机械装备设计及制造工艺问题进行分析和测试方案设计能，通过实验结果对测试系统的静/动态特性指标进行分析和处理，得到不失真的测试系统。

课程目标4：能够以小组形式，开展气动技术系统设计、PLC程序设计以及信号测试分析、接线与调试等任务，在小组中能承担成员或者负责人的角色，能够与组内成员有效沟通，独立或合作开展工作。

1.3 实验教学内容

根据制订的课程目标，以气动技术为主要载体，设计了3个环节的综合实验，包括气动基本回路验证、物料分拣搬运以及气动挖掘机综合实验。3个环节的内容深度与对学生综合能力的要求依次提高，部分环节划分了若干个难度等级，可依据学生的能力进行相应选择，做到因材施教。本课程的4个课程目标中，课程目标1～3是知识目标，即培养学生的相关原理认知；课程目标4是能力目标，即培养学生的团队协作能力。前3个知识目标可以通过传统的考核成绩进行评价，而课程目标4对应的团队协作能力评价则只能在实验过程中体现。因此在课程建设理念上，将每个实验项目的考核分成两部分，分别支撑对应的知识目标和团队协作能力目标，即课程目标4的达成对应本课程的所有实验内容。在具体的实验内容安排上，每次实验都是以小组的形式开展，并指定组长。通过多个实验，让每个学生在不同实验中分别承担组员以及组长的角色，从而培养学生的团队协作能力。因此，构建了实验教学内容与本课程目标的对应关系，如表2所示。

气动基本回路验证实验环节的目标是培养学生掌握基础知识以及团队协作能力。 该环节包括换向回路、速度调节回路、互锁回路、往复控制回路、顺序动作回路、自锁与互锁回路等7个大类的实验项目。该环节设计学时为8课时，实际教学中可以根据需要灵活选择其中4个实验。

表2 实验内容与课程目标的对应关系Tab.2 Congruent relationship between experimentcontent and curriculum objectives

物料分拣搬运综合实验环节涉及气动技术以及PLC控制相关知识点的综合与应用。其目标是通过团队协作的形式，培养学生对复杂工程问题的分析解决能力。该环节包括物料传输与分拣实验、搬运机械手实验、物料分拣搬运综合实验等3个项目。该环节设计学时为4课时。

气动挖掘机综合实验环节将气动技术、测试技术以及PLC控制3门课程的相关知识点进行综合与应用。其目标是通过团队协作的形式，培养学生对复杂工程问题的分析与研究能力。该环节以气动挖掘机为控制对象，采用PLC对其进行闭环控制，实现挖掘机动作的精确运行。该环节的设计学时为4课时。

2 基于项目的多课程综合实验教学改革实践

项目教学法以问题为导向，强调学生的自主学习过程和实际解决问题的能力[11]。其最显著的特点是“以项目为导向、以任务为驱动；以教师为引导、以学生为主体”，通过共同协作能够很好地调动学生积极性，激发学生创造思维，因此在工科专业的教学实践中获得了广泛的应用，尤其是在机械工程领域的相关研究实践成果为本研究提供了宝贵的经验[12]。项目的设计是项目教学法的核心，需要有一定的广度和深度，且需要结合生产实际，从而适应工程认证对学生综合能力的需求。

2.1 气动基本回路项目教学

根据教学内容安排，自主设计并搭建了气动基本回路实验台如图1所示。该实验台主要由柜板、气动元器件(电磁阀和气缸等)、位于上部的继电器与PLC控制柜、以及电脑上位机4个部分组成。在气动元件的控制方式上有手动、继电器、PLC 3种形式，适用性强。通过气动元器件与控制柜的组合，可以完成7大类的气动基本回路验证实验。其中，换向回路和速度调节回路均包含单作用气缸和双作用气缸2种形式，往复控制回路包含单缸单往复和单缸连续往复两种形式。结合不同的控制方式，可以组合出纯气动回路、继电器控制的气动回路以及PLC控制的气动回路等项目，从而形成不同的难度等级，教学中可以灵活选择，因材施教。学生以2人组成小组，根据项目任务书开展实验，完成元器件选择、连接和调试等任务。

2.2 物料分拣搬运综合项目教学

物料分拣搬运综合实验，包含物料传输与分拣实验、搬运机械手实验、物料分拣搬运综合实验等3个项目。图2所示为搬运机械手综合实验台。该机械手有3个自由度，即垂直升降、水平横移、180°旋转。主要完成以下动作：启动—手抓下降—手抓夹紧—手抓上升—手抓收回—旋转—手抓下降—手抓伸出—手抓松开。机械手气缸工作的顺序由PLC控制，从学习简单的PLC指令编程，梯形图编程，深入到PLC控制的应用、与计算机通讯、在线调试等实验项目。

图3所示为物料分拣综合实验台，由底板、气动部分、落料机构、物料传送机构及电气控制器等6部分组成。气动部分由电磁阀和气缸组成；物料传送部分由直流电机驱动同步传送带。电气控制器由单相直流减速电机、电磁阀、接近开关以及PLC等组成。通过接近开关信号采集，PLC编程，对直流电机、电磁阀进行开关量控制，实现对传送带上金属与非金属的物料进行辨识与分拣。物料分拣综合实验台涵盖了PLC、气动技术、电机传动、位置控制、传感器检测等内容，是实际工业现场生产设备的微缩装置。

上述2个实验可以作为基础项目，此外，还可以联合上述2个实验台进行物料分拣搬运综合实验。由于难度进一步提升，该部分供学习成绩具有一定余力的小组选做。

2.3 气动挖掘机综合项目教学

气动挖掘机综合实验台如图4所示，主要包括气动挖掘臂、电磁阀、PLC控制器等几个部分。气动挖掘臂具有3个自由度，由气缸单独驱动构成关节。每个关节上都有独立的直线位移传感器，并通过数据采集卡接入电脑的虚拟仪器系统中。该实验项目以2人小组开展，分工协作完成气动挖掘机气动回路设计、PLC控制系统软硬件设计、信号采集、闭环控制系统建模与响应分析、以及安装调试工作。由于是3门课程知识的综合运行，难度和工作量较大，整个项目的时间为4课时。

3 课程考核评价方式改革与成果

3.1 课程考核

传统实验课程的考核形式一般都是以实验报告为依据[13]。随着人才需求的不断变化，单一的评价方式已经不能适应社会和时代的发展。在工程认证的背景下，越来越多的人意识到，实验教学的考核评价应该是多层面的，这样才能全面考察学生的综合能力[14]。

为了比较全面地评价学生对该实验课程的掌握情况，将考核评价分为现场答辩和实验报告两个方面，各占实验总成绩的50%。单次实验的得分为上述2个成绩的平均值，均按照百分制打分。现场答辩环节不仅能避免相互抄袭、真实检验学生对知识点的掌握情况，最主要的是可以反映小组成员之间的分工协作能力，是评价该小组学生团队协作能力的依据。老师通过询问每组学生在实验过程中的任务分配、遇到的问题及分析处理过程等情况，就可以迅速了解学生作为成员或组长的角色是否合格。实验报告要求学生将实验目标、原理和方法、以及结果分析进行详细记录，是反映学生相关知识能力目标的依据。最终，根据表2中实验内容与教学目标的对应关系，制订了各考核环节与课程目标的量化关系如表3所示。

表3 课程目标与考核评价的关系Tab.3 Relationship between curriculum objectives and examination

3.2 达成度评价

根据工程认证标准，课程目标达成度评价包括课程目标达成度评价，以及课程总目标达成度评价[1]。本课程中，各课程目标达成度计算公式为：

(1)

式中Ei—— 第i个课程目标的达成度，i=1，2，3,4

ai—— 第i个课程目标对应的现场答辩平均分

Ai—— 第i个课程目标对应的现场答辩目标总分

bi—— 第i个课程目标对应的实验报告平均分

Bi—— 第i个课程目标对应的实验报告目标总分

课程的总目标达成度E按照下式得出：

E=E1×20%+E2×20%+E3×10%+E4×50%

(2)

3.3 运行成效

多课程联合综合实验教学改革运行近两年以来，共有2个班80余名学生参加实验，反映良好。以最近一学期的成绩为例，课程目标3达成度最低，为0.768，其余课程目标达成度均在0.8以上。根据“木桶原则”，说明学生对测试技术相关理论的掌握与分析能力相对较弱，这与课堂理论教学的反馈结果一致，今后应该在这一方面强化课堂教学环节。学生通过该综合实验环节的训练，激发的学习兴趣，有效提高了知识的综合运用能力和团队协作能力。在以工程认证为契机的各项教学改革的综合影响下[9]，该班的学生目前已自主申请并授权实用新型专利2项，获得江苏省大学生工程能力训练大赛三等奖1项，以及江苏省大学生创新创业训练项目2项。该综合实验教学改革的运行时间较短，可以预见只要一直坚持今后肯定会有更好的成果。

4 结论

在工程认证背景下，通过以气动技术为载体的多课程联合综合实验教学改革探索与实践，获得了如下几个方面的经验：

(1) 涉及多课程知识的综合实验设计是关键，通过项目形式将多个课程的知识点有机交叉融合，是一种有效的教学方法。

(2) 考核环节中，小组答辩要求全部成员都要汇报，并对实验过程中的问题和结果进行分析讨论，有助于培养学生的科学思维和素养。

(3) 项目教学中，要适当弱化教师的理论讲解，重点突出学生的主体作用，引导学生增强分析和解决问题的意识和能力。