“新工科”背景下智能型柴油机实验课程改革与实践

马忠民，曲宏飞，李敬阳，高跃峰，赵龙文

（大连海事大学轮机工程学院，辽宁 大连 116026）

1 引言

新一轮科技革命和产业变革正在蓬勃推进，并取得了巨大进步[1,2]。复旦共识、天大行动和北京指南，构成了“新工科”建设的“三部曲”，奏响了人才培养主旋律，开拓了工程教育改革新路径[3,4]。随着智能化、数字化、信息化等现代科技的兴起和快速发展，在大数据、物联网的背景下，整个工业领域也正在向计算机化、数字化和智能化方面推进。

现代轮机工程是集机、电、气知识为一体的大型综合系统[5]，电子控制技术在船舶领域得到了快速发展，自20 世纪70 年代研究开始，柴油机电控喷射技术已经发展到第三代。智能型柴油机是将电子控制技术、计算机技术和信息处理技术综合应用于柴油机而形成的一种新型柴油机，具有很强的运转适应性，能够根据工况确定最佳喷油压力，使柴油机处于最优状态运行，具有完善的状态监测和控制系统，降低柴油机NOX 和PM 的排放等优点，符合当前节能减排背景，在船舶领域得到广泛应用[6]。本文以“智能柴油机实验课程”为例，介绍智能型柴油机实验教学改革方法与实践成果。

2 课程教学现状

一是实验教学素材缺乏，学生对于智能柴油机的学习内容仅限于教材和课堂理论介绍，实验室缺乏智能柴油机的相关实验教学设备，教师无法对智能型柴油机工作方式和控制原理进行直观讲解，授课方式和授课内容相对枯燥。二是实验教学素材昂贵，受制于智能型柴油机采购成本和实验室场地空间的限制，一般也很难将智能控制技术的柴油机引入实验室中进行直观教学并演示，学生对于智能控制技术的理解和能够实现的功能、控制原理就更加陌生。此外，轮机工程专业本科学生毕业以后，学生的择业方向之一是从事远洋运输船舶管理工作，目前新建远洋船舶多数安装智能控制技术的主机，在设计理念和机器结构方面，较传统柴油机有着较大的区别，需要学生具备较强的理解能力和逻辑思维能力进行使用和管理。因此，加强智能型柴油机的实践环节教学，提升学生综合判断能力和问题处理能力变得尤为重要。

3 教学内容设计

3.1 实验设备

“新工科”建设行动提出将产业和技术的最新发展、行业对人才培养的最新要求引入教学过程，不断优化工程教育模式，更新教学内容和课程体系。目前，“智能柴油机”教学过程以理论教学为主，对应的实践教学环节相对不足，本文以瓦锡兰公司提供的“智能型柴油机模拟器”为教学素材，展开实践环节教学，模拟器如图1 所示。

图1 智能型柴油机模拟器

该模拟器模拟一个5 缸RT-flex60C 柴油机控制系统，作为一个独立自主的工作单元，具备很强的实用功能和演示功能，同时还可以为社会船员提供模拟培训作用。WECS-9520 是瓦锡兰RT-Flex 柴油机控制的核心，其功能是代替以前的凸轮轴对柴油机进行控制，包括：共轨监测和压力调节，喷油器、排气阀以及起动阀的控制和监测，以及外部系统的接口功能等[7]。

3.2 课程教学内容

（1）课前教师介绍模拟器外观结构及WECS-9520控制系统组成及主要功能。

（2）学生了解并掌握燃油共轨单元和伺服油共轨单元工作原理；燃油共轨系统及喷射控制单元（ICU）工作原理。

（3）检查、熟悉设备外观，阅读模拟器操作规程，了解设备的性能和使用方法，按照操作规程能够正确操作模拟器。

（4）接通模拟器电源，插入模拟器运行保护U 盘，启动运行操作电脑，打开模拟器操作软件，进入模拟器操作界面。

（5）按照操作规程，逐步演示模拟器具有的各项功能，并观察电脑界面参数显示，图2 为伺服油压操作显示界面。

图2 伺服油压操作显示界面

（6）在实验过程中，还可以改变控制油压、扫气压力、喷射压力等信号值，观察模拟器的显示状态及报警情况。

3.3 教学方法改革

在“新工科”建设背景下，任课教师在课堂中要注重师生互动环节，推进信息技术和教育教学深度融合，加强以学生为中心的工程教育模式[8]。传统教学模式相对单一，并且智能柴油机课程难度较高，从而导致学生学习的主动性不强、兴趣不高，教学效果不理想。轮机工程专业是理论性和实践性都比较强的一门专业，要培养学生的知识运用能力和实践动手能力。目前，多数实验课程采用传统的授课模式，即教师讲授-学生聆听（Lecture-based Learning，简称LBL）[9]，图3 中（A）所示。

图3 LBL（A）与PAI class（B）教学模式

基于当前教学现状，作者尝试在实验课堂引入“教师讲授(Presentation)、学生自学（Assignment）、学生互讲（Instruction)”的“PAI class”教学模式[9]，该方法已经在轮机工程专业的其他实验课堂中取得了良好的教学效果。在课堂采用“PAI class”教学模式，课堂融入“学生互讲”教学环节，将传统单一的讲授模式变为以问题为导向的自主性学习和协作性学习模式。在学生互讲之后，小组之间互相评分，然后教师对学生的讲授内容进行补充，完善学生讲授内容，让学生成为课堂学习的主导者，改变传统授课手段和教学模式，提高课程教学质量，教学模式如图3（B）所示。

课前准备。联络各班班长，组建课程微信群，方便教师与学生联络和发送相关学习资料；根据教学大纲要求，编写课程教案，制定教学内容，准备教学素材和预习材料；老师将课程预习文档材料、教学资源、课程预习要求发送到班级微信群中；预习过程中，要求学生将遇到的问题做好记录，课堂进行讲解和答疑。

课堂实施。课前教师强调安全和纪律情况，培养学生安全和纪律意识；教师结合学生课前预习问题反馈情况，着重对遇到的问题和重要知识点进行讲解；实施“PAI class”教学模式；将学生分成3 个小组，教师发送每组学习主题，小组组员自行学习，然后小组之间互相讲解本组学习内容；所有组都完成讲解以后，小组之间进行互评，该环节能够培养学生团队协作意识和言语表达能力；教师对实验设备、实验过程、实验关键环节进行介绍；课程结束前，学生当面与教师互动交流，对本课程的学习情况进行总结。

课后提高。课后学生进行总结并书写实验报告；学生根据实际授课情况及授课效果提交问卷调查；教师对实验课程教学内容和问卷反馈情况，及时总结和归纳；教师根据反馈情况，更新课程内容设计，实现课程教学的动态更新。

4 教学效果分析

评价方式优化。由传统的结果性评价转变为过程性评价，评价过程从课前预习、课堂学习和操作、课后实验报告，到最终的问卷反馈，涵盖整个学习过程。课程评价过程优化，改变了以教师为主导的结果性评价方式，使得整个课程评价更为合理。

教学效果提升。通过实验教学过程的改革，实施“PAI class”教学模式以后，学生学习热情提高，学生课堂参与程度显著提升；同学之间互相探讨，提高了团队协同配合能力；教学方法新颖，教学内容有趣。改善了学生的学习状态，课堂融入小组自学互讲打分环节，学生重视程度明显提高。同时根据问卷反馈情况，教师还可以动态更新授课知识和完善相关教学内容。

学习成绩提高。根据课前预习报告提交情况及课堂出席情况，学生能够全部完成课前预习；根据课后问卷反馈情况，学生对教学模式的认可度较高，更愿意参与课堂学习。

学生在理论课堂没有记牢的知识在实验课堂重新回顾，做到温故而知新，既能提高理解力，又可以增加专业知识储备。由此可见，本次教学模式改革，能够提升教学效果，同时也能够契合“新工科”建设的初衷和理念。

5 结语

在“新工科”建设背景下，本文以“智能柴油机实验课程”为例，对该课程教学模式和考核方法进行了改革，将课堂角色“以教师为中心”向“以学生为中心”转变，实现了教学模式的创新。经过课堂教学验证了“PAI class”教学模式能够起到良好的教学效果。提出全过程评价模式，学生的课课堂参与程度明显提高，有利于培养学生自学能力和团队协作能力，为今后从事船舶管理工作奠定坚实的基础；经过实践证明，该教学方法和评价方法切实可行，能够为其他课程的教学改革提供借鉴和参考。