基于工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)改革研究

王久鑫， 趙武云， 張 煒， 張克平， 馬軍民

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

教育部從2006年起組織試點(diǎn)開展工程教育專業(yè)認(rèn)證工作；2013年6月，中國成為全球響應(yīng)規(guī)模大、影響深遠(yuǎn)的國際工程教育互認(rèn)協(xié)議——《華盛頓協(xié)議》預(yù)備會(huì)員，2016年我國正式加入該協(xié)議，并成為第18個(gè)成員。近年來，我國工程教育專業(yè)認(rèn)證制度發(fā)展迅速，目的以國際工程教育專業(yè)認(rèn)證為統(tǒng)領(lǐng)，繼續(xù)深化工學(xué)專業(yè)改革，保證我國教育事業(yè)高質(zhì)量快速發(fā)展和變軌超車，加快培養(yǎng)卓越工程科技人才實(shí)現(xiàn)服務(wù)制造強(qiáng)國等國家戰(zhàn)略，大力推進(jìn)我國工業(yè)化進(jìn)程速度，建設(shè)創(chuàng)新型國家。在當(dāng)前教育國際化發(fā)展趨勢下，拉開了我國高等工程教育改革的帷幕，因此工程教育專業(yè)認(rèn)證是構(gòu)建和開展國際接軌、本質(zhì)等效的高等工程教育新模式的必由之路。液壓與氣壓傳動(dòng)課程具有綜合性、應(yīng)用性和實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)[1-2]，是工科機(jī)械類專業(yè)課程體系中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。但最近幾年里，專業(yè)課程的學(xué)時(shí)在國內(nèi)普通高校中有了很大的縮減，先理論后實(shí)踐的教學(xué)方法在傳統(tǒng)的液壓教學(xué)中普遍采用，教學(xué)實(shí)例和方法相對(duì)陳舊，教師講授為主，學(xué)生積極主動(dòng)性不高，實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)陳舊，與工程實(shí)際相差較大[3-5]。本文從工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，以學(xué)生畢業(yè)時(shí)達(dá)到工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中12點(diǎn)畢業(yè)要求為著落點(diǎn)，深入分析液壓與氣壓課程教學(xué)過程中存在的不足，對(duì)液壓與氣壓傳動(dòng)課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)大綱、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)及考核評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行深入探討和細(xì)化改革，使教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法更加新穎、有創(chuàng)新，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)更滿足工程實(shí)際要求，考核評(píng)價(jià)機(jī)制更加細(xì)化合理，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、增強(qiáng)了學(xué)生的協(xié)作精神以及開發(fā)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力[6-9]。

1 課程教學(xué)體系和內(nèi)容的改革

目前甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)(以下簡稱“我?！?設(shè)置該課程的專業(yè)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專業(yè)、車輛工程專業(yè)，在2010年教育部把農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專業(yè)確定為國家特色專業(yè)并在我校進(jìn)行了試點(diǎn)。依據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和我校上述三個(gè)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，分析總結(jié)歷年教學(xué)結(jié)果，針對(duì)2015版教學(xué)大綱中課程目標(biāo)與畢業(yè)要求不支持關(guān)系，筆者所在系對(duì)液壓與氣壓傳動(dòng)課程教學(xué)內(nèi)容和考核評(píng)價(jià)機(jī)制進(jìn)行如下改革。

1.1 增加理論教學(xué)學(xué)時(shí)

將液壓與氣壓傳動(dòng)課程學(xué)時(shí)由40學(xué)時(shí)增加到48學(xué)時(shí)，貫徹“綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展”理念，依據(jù)我校高級(jí)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，以流體力學(xué)為基礎(chǔ)，液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)為主，科學(xué)降低理論難度和深度，淡化理論推導(dǎo)和論證的過程，重點(diǎn)講解液壓與氣壓元件的工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用場合；液壓與氣壓基本回路及典型系統(tǒng)與工程實(shí)際應(yīng)用的本質(zhì)聯(lián)系；提高學(xué)生在解決實(shí)際工程問題中合理運(yùn)用理論知識(shí)的能力。

1.2 創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容

課程在保證知識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)連貫基礎(chǔ)上，刪除部分比較陳舊內(nèi)容，增加液壓新技術(shù)內(nèi)容講解，特別是在典型液壓系統(tǒng)應(yīng)用方面，增加了新的應(yīng)用實(shí)例。如增加插裝閥和疊加閥、電液伺服閥、電液比例閥和電液數(shù)字閥等新型液壓控制閥的新技術(shù)講解，3150KN通用液壓機(jī)液壓系統(tǒng)、YW-60型履帶式挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)等典型系統(tǒng)、大型農(nóng)業(yè)機(jī)械上液壓系統(tǒng)的講解，使學(xué)生有效掌握最新、最前沿的液壓技術(shù)。

1.3 增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)和優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

我校是地方應(yīng)用型農(nóng)業(yè)本科院校，打破傳統(tǒng)先理論后實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)模式。基于“OBE”教育理念，分析現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的問題，以培養(yǎng)高級(jí)應(yīng)用型人才為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行大量企業(yè)和社會(huì)人才需求調(diào)研，我校機(jī)制、農(nóng)機(jī)、車輛專業(yè)分別與東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司、山東雷沃阿波斯集團(tuán)、蘭州機(jī)床廠、蘭州水泵廠、蘭州吉利汽車工業(yè)有限公司汽車廠等企業(yè)開展校企合作和“3+1”教學(xué)模式，同時(shí)引進(jìn)優(yōu)質(zhì)實(shí)踐教學(xué)資源，加大實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)，建立合理的評(píng)價(jià)體系，使學(xué)生將機(jī)、電、液知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來，做到“學(xué)中做，做中學(xué)”，理論與實(shí)踐有機(jī)統(tǒng)一，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的樂趣，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，養(yǎng)成團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和溝通能力。圖1為東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司動(dòng)力總成高級(jí)工程師給我校機(jī)制專業(yè)學(xué)生講授大型數(shù)控加工中心上的液壓技術(shù)及控制技術(shù)和我校機(jī)制專業(yè)學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知實(shí)習(xí)。

圖1 學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)

1.4 課程考核方式的改革

課程考核是評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)掌握程度的重要手段，以前考核方式主要以期末考試成績?yōu)橹?，平時(shí)出勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)為輔，此考核方法不利于學(xué)生工程思維和創(chuàng)新意識(shí)的提升，對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)非常有限。因此，為貫徹落實(shí)全國教育大會(huì)、新時(shí)代全國高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議和我校本科教育大會(huì)精神，加強(qiáng)學(xué)習(xí)過程考核，增加學(xué)生學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)性，打造“金課”，淘汰“水課”，我校實(shí)施了本科課程過程性考核，根本目的是充分調(diào)動(dòng)和極大發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。圖2為改革前、后液壓與氣壓傳動(dòng)課程教學(xué)考核比例，過程性考核評(píng)價(jià)內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)見表1。

圖2 改革前、后液壓與氣壓傳動(dòng)課程教學(xué)考核比例

續(xù)表1

2 教學(xué)方法和手段的改革

課堂教學(xué)是教學(xué)體系中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是評(píng)價(jià)教學(xué)是否有效的一個(gè)指標(biāo)。現(xiàn)在課堂教學(xué)不能再是傳統(tǒng)講解式教學(xué)，學(xué)生不能是被動(dòng)式的接受者。鑒于液壓與氣壓傳動(dòng)課程具有內(nèi)容比較廣泛、實(shí)踐動(dòng)手性強(qiáng)、難以理解的特點(diǎn)，我校從2017年起，部分課程實(shí)施開展混合式教學(xué)，目的在于提高學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主觀能動(dòng)性、積極性、創(chuàng)造性、合作性。在液壓與氣壓傳動(dòng)教學(xué)改革實(shí)踐中，依據(jù)“全面發(fā)展”的教育理念，培養(yǎng)高級(jí)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)大學(xué)生手機(jī)不離手等習(xí)慣，在課堂教學(xué)中實(shí)施多種教學(xué)方法和手段，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生整體學(xué)習(xí)的質(zhì)量。

2.1 多媒體教學(xué)與板書教學(xué)合理結(jié)合

液壓與氣壓傳動(dòng)教學(xué)過程中，有許多液壓元件結(jié)構(gòu)示意圖、工作原理圖、系統(tǒng)回路圖，在歷年的教學(xué)中通常采用元件模型和掛圖，教學(xué)效果不是很理想。隨著現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代的教學(xué)過程中，通過solidworks等三維軟件對(duì)液壓元件進(jìn)行三維建模和爆炸視圖創(chuàng)建，學(xué)生創(chuàng)建的軸向柱塞泵三維模型及爆炸圖如圖3所示，利用FluidSIM液壓仿真系統(tǒng)對(duì)液壓元件和液壓回路(系統(tǒng))的工作原理進(jìn)行虛擬仿真，F(xiàn)luidSIM液壓仿真回路示例如圖4所示。筆者所在院系在教材選取上也具有特點(diǎn)，選取機(jī)械工業(yè)出版社出版，劉銀水、許福玲主編的“十三五”國家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃的液壓與氣壓傳動(dòng)教材，該書具有很多優(yōu)點(diǎn)，其中之一是將液壓元件的工作原理及液壓回路(系統(tǒng))的原理動(dòng)畫制作成二維碼，學(xué)生利用手機(jī)掃描二維碼就可以觀看對(duì)應(yīng)的原理圖，這便于學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。采用多媒體教學(xué)目的是避免學(xué)生學(xué)習(xí)液壓元件結(jié)構(gòu)和原理圖的枯燥乏味，吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)習(xí)效果。但是長時(shí)間多媒體教學(xué)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生視覺疲憊，在基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)講解的過程中，板書教學(xué)的運(yùn)用可以有效地緩解學(xué)生的視覺疲憊，吸引了學(xué)生的注意力，調(diào)動(dòng)學(xué)積極性，開發(fā)學(xué)生的思維。多媒體教學(xué)和板書教學(xué)合理結(jié)合，取長補(bǔ)短，提高教學(xué)質(zhì)量[10]。

圖3 軸向柱塞泵的三維模型及爆炸圖

圖4 FluidSIM液壓仿真回路示例

2.2 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

在教學(xué)過程中，改變教師從頭講到尾的填鴨式教學(xué)方式，學(xué)生積極參與到教學(xué)活動(dòng)中，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性[11-13]。在教學(xué)過程中，首先確定某章節(jié)的教學(xué)目標(biāo)、重難點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容，提供學(xué)生網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。課前，讓學(xué)生進(jìn)行線上預(yù)習(xí)并答題。教師通過對(duì)學(xué)生課前答題情況進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，來了解學(xué)生對(duì)某章節(jié)知識(shí)點(diǎn)掌握情況，從而在課中有針對(duì)性講授。課中，教師設(shè)計(jì)一些簡單的提問、創(chuàng)新性提問、課堂小測、課堂討論等環(huán)節(jié)。在設(shè)置創(chuàng)新性提問時(shí)，不要急于給予學(xué)生幫助，留給學(xué)生充裕的時(shí)間去思考，讓學(xué)生聯(lián)想本行業(yè)中某類問題常規(guī)的解決方法，進(jìn)行比較它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)，從而使學(xué)生集中精力去思考和解決問題，最大極限激發(fā)他們的求知欲和創(chuàng)造性思維。在討論環(huán)節(jié)中采用多種討論類型，如重復(fù)式討論、對(duì)話式討論、研討式討論，這有利于提高學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力和培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)。課后，教師布置線上作業(yè)和線下作業(yè)，通過作業(yè)完成情況來了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握情況及各個(gè)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度情況，進(jìn)而調(diào)整教學(xué)方案。例如講授完液壓基本回路后，教師根據(jù)本專業(yè)工程實(shí)踐要求布置一些團(tuán)隊(duì)性實(shí)踐作業(yè)，團(tuán)隊(duì)成員通過分工協(xié)作來確定實(shí)踐作業(yè)的方案，根據(jù)自己時(shí)間自行前往液壓與氣壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行組裝回路和調(diào)試，教師在學(xué)生完成任務(wù)過程中給予指導(dǎo)，量化學(xué)生獲得某種能力，并在學(xué)生完成任務(wù)后總結(jié)及拓展相關(guān)課程知識(shí)，目的在于提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力及創(chuàng)新協(xié)作意識(shí)。課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)情況如圖5所示。

圖5 課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)

2.3 理論聯(lián)系實(shí)際及典型液壓系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用

實(shí)踐性較強(qiáng)是液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)的最大特點(diǎn)，在教學(xué)過程中，不能跟實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，單純講授課本上理論知識(shí)，課堂氛圍會(huì)變得枯燥和乏味，學(xué)生將不能深刻理解液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)。因此，在教學(xué)過程中，理論講授要跟實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合起來，同時(shí)采取一些現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)。比如，在講授到液壓馬達(dá)時(shí)，以水泥罐車上的液壓馬達(dá)為例，講述其工作過程，以加深理論知識(shí)理解及激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。講到典型液壓系統(tǒng)時(shí)，將學(xué)生帶到我校機(jī)械工程實(shí)訓(xùn)中心和農(nóng)機(jī)、車輛實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)如圖6所示。針對(duì)大型數(shù)控加工中心、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車上的液壓系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)講解，讓學(xué)生掌握分析液壓系統(tǒng)的基本方法和深刻理解液壓系統(tǒng)工作過程。這有助于學(xué)生全面、系統(tǒng)的掌握液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)的知識(shí)，為以后工作夯實(shí)基礎(chǔ)。

圖6 農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

傳統(tǒng)的液壓與氣壓傳動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，例如液壓泵、液壓馬達(dá)等拆裝實(shí)驗(yàn)和性能參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)理論知識(shí)的補(bǔ)充基本足夠，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)的高級(jí)應(yīng)用型人才要求。根據(jù)新工科工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的12點(diǎn)畢業(yè)要求，筆者所在院系全體老師認(rèn)真分析梳理上年液壓與氣壓傳動(dòng)課程支撐畢業(yè)要求指標(biāo)的達(dá)成度情況，對(duì)該課程的各教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析和總結(jié)，給出持續(xù)改進(jìn)的意見，任課教師根據(jù)持續(xù)改進(jìn)的意見，對(duì)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)做出具體改進(jìn)的方案。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中做出以下改進(jìn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

根據(jù)課程的需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)考慮我校液壓實(shí)驗(yàn)條件及學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)?；诠こ探逃龑I(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的12點(diǎn)畢業(yè)要求，該課程開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表2。

表2 課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

續(xù)表2

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程如圖7所示，每組的同學(xué)相互協(xié)作來完成實(shí)驗(yàn)，教師在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行指導(dǎo)和幫助。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖桥囵B(yǎng)學(xué)生應(yīng)用液壓知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力及提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和組織管理能力，同時(shí)可以了解和評(píng)價(jià)針對(duì)復(fù)雜工程問題的工程實(shí)踐對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響，并能將大工程觀及可持續(xù)性發(fā)展的理念貫穿于針對(duì)復(fù)雜機(jī)械工程問題的工程實(shí)踐中。

圖7 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程

3.2 積極鼓勵(lì)學(xué)生將液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用在各類競賽中

近年來，我校積極鼓勵(lì)學(xué)生參加全國機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國大學(xué)生智能農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新大賽、全國大學(xué)生工業(yè)設(shè)計(jì)大賽、甘肅省“挑戰(zhàn)杯”、全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽、安寧五校聯(lián)盟機(jī)械創(chuàng)新大賽等各類大賽，為了提高學(xué)生應(yīng)用液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)解決工程實(shí)際問題的能力，貫徹“綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展”的理念，筆者所在院系鼓勵(lì)和支持學(xué)生在大賽中應(yīng)用該技術(shù)，并給予多方位指導(dǎo)。學(xué)生在大賽中取得較好的成績，綜合能力得到提高。學(xué)生設(shè)計(jì)的多傳感器智能防護(hù)窗如圖8所示。

圖8 學(xué)生設(shè)計(jì)的多傳感器智能防護(hù)窗

液壓與氣壓傳動(dòng)課程進(jìn)行教學(xué)改革以后，教學(xué)內(nèi)容更加接近工程實(shí)際，教學(xué)過程中更加注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，受到了學(xué)生的好評(píng)。在教學(xué)實(shí)踐中，多種教學(xué)方法的實(shí)施，讓學(xué)生更容易理解和掌握該課程知識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)精神及創(chuàng)新意識(shí)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性及學(xué)生動(dòng)手操作和工程實(shí)踐的能力。同時(shí)該課程支撐工程認(rèn)證畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成度逐年上升，為學(xué)生走向工作崗位奠定基礎(chǔ)，使學(xué)生能快速適應(yīng)新的工作崗位。