新工科背景下自制实验设备在传统工科升级改造中的应用与教学探索

2024-10-25强彦魏列江闵为李少年

大学教育 2024年17期

［摘要］实验教学是高等教育新工科人才培养的关键教学环节，而传统实验设备和平台已经不能满足新时代复合型、综合型和创新型人才培养的需求。兰州理工大学基于机械电子工程专业的实践教学，以培养具备创新实践能力的高素质复合型人才为目标，自主研制了“机—电—液—控”一体化的实验教学平台，解决了传统专业改造升级过程中实践平台和能力培养缺失的问题。同时，在自主研制实验教学平台的基础上进一步开展实践教学改革，创新教学方法和教学手段，提出工程化训练全贯穿的创新实践教学体系。实践表明，学生对“机—电—液—控”专业知识的综合应用能力得到了显著提升，基于多学科交叉的自主创新能力也得到了增强。

［关键词］自制实验设备；新工科；实践教学；自主创新

［中图分类号］G642 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）17-0049-05

第四次工业革命的高速发展，使教育事业面临巨大变革，也为高等教育的创新变革带来了重大发展机遇[1]。因此，传统优势工科专业如何在保持自己传统特色的前提下，基于实践教学体系树立新工科教育发展理念，完成新技术革命浪潮下的教育变革与发展，是其当前面临的严峻挑战。

工科教育在高等教育中具有特殊的地位和作用，与国家经济社会发展息息相关[2]。其引领原始科技创新，突破工程技术瓶颈，是科技强国、人才强国的重要战略支撑[3]。实践教学是工科教育教学体系中的重要环节，也是教学质量保障的重要方面。面对新工科发展目标，高等工科教育需要培养出具有实践应用能力、工程分析技能、创新设计能力，以及职业素养的复合型应用人才，这对实践教学体系建设提出了更高的要求[4]。然而，目前部分高校的实践教学平台与科技创新不匹配，大学生创新实践能力培养与社会需求脱节，导致实践教学平台在创新实践教育中不能很好地发挥作用[5]。因此，如何创新实践教学平台建设成为传统工科专业实践教学改革中亟待解决的问题。自制实验教学仪器设备是指从事科学研究和实验教学的教师依据本专业教学现状和培养目标，自主设计和研制的具有先进性和实用性的实验教学设备。这些新型设备在市场上无现成产品出售，可用来弥补现有设备创新不足、性能不够、与企业实践严重脱节的问题，以满足实验教学的需求[6-7]。当前，国内高校开始逐渐重视实验装置的自主研制工作[8-10]。

近年来，兰州理工大学（以下简称我校）非常重视传统工科专业的升级改造工作，通过设立教学研究项目等多种举措，大力支持教师自主研制实验教学设备。机械电子工程专业是我校传统优势专业，属典型的产品设计类专业。该专业的核心课程所涉及的传统流体元件及系统，在现代工业中已经发展为内置微控制器、微传感器和专用控制算法的智能化元件及系统。因此，本文以我校机械电子工程专业的液压元件、液压系统微机控制等课程的实践教学为例，自主研制了融入数字化、信息化和智能化等内容的跨学科电液控制系统实验教学设备，为学生构建交叉融合的专业知识体系和培养创新能力创造实践条件。

一、教学实验平台研制

液压元件与系统的相关课程是我校机械电子工程专业的主要专业课程[11]。液压系统是一种利用流体来传递能量的系统，其通过控制流体流动来实现力、扭矩和运动的转换与传递，被广泛用于国防军工、航空航天、能源动力、生物医疗等高科技装备领域。但是这些核心课程所涉及的流体元件及系统，在现代工业中已逐渐变得更信息化、智能化，其不再是传统意义上的流体元件及系统。而传统实验教学平台仍然是简单机械及装置的组合。如果只是依靠教师在课堂理论教学中融入嵌入式系统、现代传感技术和智能控制算法等内容，学生无法真正掌握智能液压元件和系统设计能力，也难以构建交叉融合的专业知识体系。

我校液压技术研究团队（以下简称研究团队）长期从事液压元件基础研究与应用方面的教学和科研工作，深耕工程液压技术研究领域，熟知液压行业的发展。近年来主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金等多项省部级以上科研项目，建成特种泵阀教育部重点实验室、甘肃省实验教学示范中心、甘肃省液压气动工程技术研究中心等多个省部级以上创新实践平台，在液压技术领域积累了丰富的教学和研究经验，为自主研发电液控制系统实验教学平台奠定了深厚的理论基础[12]。

（一）自制实验平台的背景和目标

我校机械电子工程专业在进行传统专业升级改造的过程中，以新工科建设“应对变化，塑造未来”为理念，通过对现有培养方案、课程设置、教材建设、实践培养环节等进行一系列改革，将原来以“液”为主、以“机”为辅的单一传统知识体系，升级改造为集数字控制技术、现代传感技术、现场总线技术和智能控制算法于一体的“机—电—液—控”多学科融合的新型知识体系。在实践培养环节的改革中，我们发现原有的或市场上有售的实验平台功能不足，教学内容陈旧，改造创新困难，无法将科研工作的新进展、新内容补充到实验教学中，使实验教学内容缺乏综合性、创新性和前沿性。在此背景下，研究团队结合专业人才培养目标，自行研制实验教学仪器设备，以推进科研成果转化为实验教学内容，从而促进实验技术装备革新，强化实验教学创新能力。最终实现实验教学质量水平的提升，使实验教学特色与核心竞争力进一步增强。因此，自制实验平台的目标是研制集“机—电—液—控”于一体的多学科综合性实验教学和创新实践平台，以解决传统专业升级改造过程中交叉学科实践平台缺失的问题。

（二）自制实验平台简介

结合实际教学需求，以培养学生创新能力和实践能力为目标，研究团队自主研制了电液控制系统综合实验教学平台。设计思路如图1所示。

该实验平台以控制系统构成中的核心电子元器件（电液比例控制放大器、电液伺服控制放大器、开关阀控制放大器）的开发使用为主要目的，以液压阀电—机械转换元件为控制对象，以可编程控制器为核心的通用数字控制器为系统控制器（轴控制器），以实际液压控制系统仍在广泛使用的模拟控制器为控制介质，能够为电液控制系统、伺服控制系统、电子电路的设计、开发等提供实验研究。

实验平台以PLC为核心，以电液比例放大器、电液伺服放大器为信号处理、放大环节，以开关电磁铁、比例电磁铁、力矩马达、继电器、LED等为被控对象，以LVDT位移传感器为反馈装置，以计算机、示波器、电压/电流表为测量显示装置，五位一体共同构成。

实验平台主要由三部分构成，各部分功能如下。

1.电源和信号发生板块：电源和信号发生板块从左到右分别为电源状态指示、电源总开关、实验台工作启停按钮、三相电输出及显示、5V和24V电源、0-20mA恒流源与0-10V恒压源信号发生器。为系统提供工作电源和信号。

2.PLC基础教学板块：PLC基础教学板块由三个可更换式实训模块组成，每一个实训模块上有三个以上实验科目。其中，PLC实训模块1由音乐喷泉实验、抢答器实验、自动装配生产线模拟控制实验、交通信号灯、自动供水设备实验和天塔之光实验组成；PLC实训模块2由自动送料车/传送带实验，自动售货机实验、轧钢机自动控制实验，多种液体混合装置实验，邮件分拣机实验组成。PLC实训模块3由四层电梯实验、基础教学实验和继电器实验组成。三个实训模块由简到难，可以有效地提高学生的PLC控制器的逻辑编程能力。

3.电液控制放大器及系统板块：电液控制放大器及系统板块主要由PLC、模拟/数字式比例放大器及系统模块、电液伺服放大器及系统模块、开关阀及控制系统模块组成，其构成如图2所示。

其中，电液控制放大器及系统模块主要由PLC、模拟/数字式比例放大器、比例电磁铁、位移传感器、线圈电流显示仪表和位移反馈仪表组成，共同构成电液比例控制系统，实现开环和闭环控制功能，为学生和教师提供教学与科研服务。

电液伺服放大器及系统模块主要由PLC、伺服放大器、伺服阀先导控制组件——力矩马达及相关仪表组成，形成了伺服控制系统。学生可学习和理解伺服放大器结构原理，伺服阀先导组件—力矩马达的工作原理，直观地观察和理解力矩马达衔铁组件工作过程中的摆角变化。

开关阀及控制系统模块主要由开关电磁铁、中间继电器等组成，构成了开关控制回路，学生可以直观地观察到电磁铁的输出电流，理解其工作原理。

二、依托自制实验平台的实践教学改革

我校以增强学生兴趣，提高学生自主学习能力、创新思维、创新能力和团队合作意识为目标，依托自制的综合性开发式实验平台，对传统工科专业的实践教学进行深入的探索和改革。改革思路如图3所示。

（一）建立“金字塔”递进式实践教学体系

根据学生对各学科专业知识的掌握程度和理解能力，分阶段、分层次地安排实践教学，建立了“金字塔”递进式实践教学体系，如图4所示。整个过程分为三个阶段：第一阶段主要是让学生对抽象的基础理论有初步认识和理解，能实现对实际编程的进一步尝试和掌握，结合自制实验平台增强学生的实际动手接线操作能力，加深和强化学生对整个电液控制系统、控制算法、PLC编程等的理解和掌握。第二阶段为启发性实践教学过程，结合自制实验平台对理论模型所描述的过程和结果进行验证，将流体控制系统中的低压电器知识、控制器知识以及电子电路知识和液压知识有机结合起来，使学生将课堂所学的零散知识组成一个知识体系，启发学生对交叉学科进行融会贯通，学会科学研究的基本思考方法。第三阶段的主要目标是培养学生的自主创新能力，教师将科研项目与课程内容紧密结合，每个知识点以工程科研项目实例引入，引导学生自主创新解决工程实际问题的方式方法。自制实验平台预留了多处参数测量、显示接口，增加了手动操作过程，允许学生按自己的想法动手设计和操作实验，使学生可以深度参与到创新实验中。

（二）构建“赛—创”结合的创新实践教学模式

在现行的各工科专业教学大纲下，实践课程和科创竞赛是相互脱离的。但是对学生而言，科创竞赛的实战是对课堂理论知识和实践能力的综合应用、巩固提升和拓展学习。这两方面的内容对学生创新能力和实践能力的综合发展至关重要，两者应为相辅相成、相互促进的关系。因此，研究团队将实践课程与科创竞赛相融合，形成一个新的实践教学模式，为学生提供单独的学时，结合自制实验平台的开放性实验，引导学生进行科研创新实践，同时为学生参与科创竞赛提供了保障。另外，在学分认定程序上满足学生对创新训练学分的要求，此举极大地提高了学生参与实践学习与科创竞赛的积极性，形成了以学促赛、以赛促学的良性循环。

（三）实行多元化综合性的实践课程考核方法

传统的实践课程考核方法主要依据学生的实验报告或设计说明书内容做出最终的成绩评定，这些内容主要是实验结果的数据或图表。这种考核方式形式单一，无法反映学生实践过程中的思路、操作和创新等情况。因此，研究团队提出了多元化综合性实践课程考核方法，重点考查学生对实验方案的理解和设计、实践操作技能、解决问题的能力、实验结果的处理和分析能力，以及在实践课程中得到的启发性思考，根据这些内容综合评定学生的实践成绩。由此引导学生在实践课程的学习中结合基础理论知识，掌握科学严谨的研究方法，通过实验过程和结果进行分析思考，从而提升学生的实践能力和科学探索能力。

三、实践教学改革成效

依托自制实验平台的实践教学方法改革，充分考虑了机、电、液各类专业学生的特点，不仅能为机械电子工程专业（机、液类）学生形象展示构成电液控制系统的控制器、放大器、转换反馈等元件的工作原理，还能将控制程序和控制算法、控制参数调节等过程具象化。这有效地解决了机械电子工程专业的学生“缺电短腿”的问题，即对实际构成电液控制系统时电气（包括计算机）控制部分的组成不熟悉、心生胆怯的问题，同时为电类学生提供“液压阀电—机械转换机构及构成电液控制系统”这样的实际测控对象，很好地解决了学生对具体测控对象感到陌生的问题，使机、电、液各类专业的学生对自己专业知识中的“伙伴技术”增进了认识，使学科交叉融合的概念深入学生心中，使学生能更好地进行电液控制器及电液控制系统的分析、调试、设计和开发。

我校自制实验平台自2016年投入使用以来，承担了机械电子工程等相关专业的课程内实验、独立实验课、实践周、创新训练和毕业设计等本科生专业核心课程的教学任务，并且兼顾机械电子工程专业研究生的电液控制器和电液控制系统相关的科研开发实验，共计受益学生超过8000多人次。自制实验平台结合实践教学方法的改革，大大提高了相关实践课程的教学效果。学生对现在的实践教学环节充满了兴趣，表现出较高的学习积极性和主观能动性。他们在课堂上认真参与实践操作，踊跃讨论发言，对课程的满意度从改革前的86%上升到改革后的97%。学生的自主创新能力和科研方法得到显著提高，参加学科相关科创竞赛的人数大幅增加，获得省部级奖励的比例上升至65.78%。

由于该实验平台为一线教师自主设计研发，因此在使用过程中，研究团队根据实际教学中出现的问题，结合最新行业技术发展，对实验平台进行了不断的改良和升级，在此基础上研制出二代机和三代机，并且都投入实践教学中。其中的设计思想获得实用新型专利授权2项，申报发明专利1项；获得中国高等教育学会2018年第五届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备大赛二等奖。自制实验平台在华中科技3RBnD20eOZQv3nUAwx90mqRxh8u5ESnrEjak88Cwspc=大学等3所高校中得以应用并获得高度认可。

四、结语

本研究综合了目前我国高等院校测控测量、液压系统、电子电路、电机控制、继电接触控制、可编程控制器技术等课程实验大纲的要求，满足了相应课程的实验教学，加深了学生对专业课程的理解，并将测控测量与液压系统有机结合，进一步提高了学生对“机—电—液—控”综合知识的应用能力，更加贴近社会发展需求。实验的深度与广度可根据需要灵活调整，为理论与实践结合提供了支撑点，使教学过程更加灵活、生动。

基于新工科理念的实践教学方法改革，摒弃了传统的被动型灌输式教学方式，以学生实践和创新能力提升为中心，提供了丰富而系统的综合性、跨学科、开放式的实践训练平台，促进学生从被动学习转为主动学习；学生可以在基础实验中实现理论与实践互动，也可以自行设计和组织创新型实验，培养了学生的创新精神和能力；在此基础上，学生通过参加探究类项目、校内外比赛等科创活动，成为适应当今大数据、互联网、人工智能时代发展需求的复合型专业人才。

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