基于复杂工程问题的《液压与气压传动》课程项目教学探索
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作者:王飞 彭子龙 杨建军 朱晓阳
摘要：为提高本科生的复杂问题解决能力，文章结合《液压与气压传动》课程进行了实物项目教学探索，给出了实物项目的要求，分析了项目与课程的关系，展示了项目教学的成果，教学结果显示学生增强了对复杂工程问题的认识和解决能力。
关键词：复杂工程问题;工程教育专业认证;项目教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）11-0249-02
一、引言
自动化控制大大降低了工人作业强度，显著提升了工作效率和产品质量稳定性，随着我国产业结构调整和升级的进行，自动化控制系统将得到更加广泛的应用，因而在本科教学中，切实提高学生解决自动化工业生产中的复杂工程问题能力就显得越来越迫切。而且，在工程教育专业认证中，复杂工程问题的解决也是衡量工科人才培养的主要指标之一[1，2]。因此，在课堂教学中不仅需要学生掌握扎实的理论知识，还需要学生学会具备发现问题、分析问题和解决问题的能力，提升学生综合运用理论知识解决复杂工程问题的能力[3，4]。
我国依据《华盛顿协议》体系对部分专业进行认证，在工程认证的12个毕业要求中，三分之二的毕业要求对解决复杂工程问题能力有具体要求。而根据《工程教育认证标准》的规定，复杂工程问题必须运用深入的工程原理，经过分析才能得到解决。此外，还应当满足以下几个或者全部特征：（1）涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突;（2）需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性;（3）不是仅靠常用方法就可以完全解决的;（4）问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中;（5）问题相关各方利益不完全一致;（6）具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题[5]。因此必须要重视学生解决复杂工程问题能力的培养。
二、课程定位与课程目标分析
机械设计制造及其自动化专业是青岛理工大学的主干专业，2008年获批国家级特色专业，2011年入选教育部卓越工程师教育培养计划专业，2013年获批教育部第一批“本科教学工程”地方高校本科专业综合改革试点专业，2016年获批山东省高水平应用型立项建设重点专业，2018年列入山东省教育服务新旧动能转换专业对接产业项目核心专业，2019年获批山东省“一流专业建设点”。
《液压与气压传动》是本专业的一门专业核心课程，在培养学生创造性思维，综合运用液压、气压基础知识进行系统设计与控制的工程实践能力方面占有重要的地位。课程目标是让学生掌握各种基本液压与气压元件工作原理，及具备特定功能的液压与气压基本回路的设计原理和设计方法;能够掌握与液压和气压技术相关流体力学与数学知识，掌握简单液压与气压系统模型建立、分析求解和设计方案论证的理论及方法，以及分析和解决工程实践问题的创新意识和创新设计能力;培养团队合作能力。
三、项目教学设置
根据以上课程定位和课程目标，本文对《液压与气压传动》课程项目教学进行了探索，以期增加学生对复杂工程问题的认识和提高解决问题的能力，为此，设计了实物制作项目，项目题目为“双气压缸定点控制系统”，项目要求如下。
1.双气压缸能够单独进行控制，每个气压缸有四个准确的位置，气压缸能够准确定位在以上四个位置点上。
2.气压缸运动位置的输入要在上位机电脑上实现。
3.需要利用单片机进行编程控制，单片机种类不限。
4.气源采用便携式空气压缩机，气压缸无工作负载。
5.所需元件自行采购，采购过程满足学校财务要求。
各个项目组成员自由搭配，内部自主分工，锻炼了学生的团队合作能力。在项目实施过程中，按照本项目的各个要求，需要学生将《机械制图》与《计算机辅助制图》《机电传动控制》《程序设计基础》《工程测试基础》和《工程项目管理》等课程知识进行融合。另外，学生需要自行采购，锻炼了学生的项目管理能力。
四、项目实施案例
项目实施过程中，学生积极主动地完成了任务，从课题项目解读、项目组组队、任务分工、项目管理、实物搭建和财务管理等方面取得了一定的成果，下面是本项目的实施案例。
1.项目的整体方案。上位机控制器采用Windows系统的笔记本电脑，并利用可视化编程语言VB编程，实现控制界面，下位机控制系统采用Arduino单片机，上位机和下位机利用串口通讯进行位置指令的输入。下位机通过开通关断继电器来对方向阀进行控制，从而实现气缸的开始运动与停止，而下位机对于气压缸的感应则是通过光电门感应器来检测，其结构原理图如图1所示。
2.操作界面编程。采用可视化编程语言VB进行编程，控制界面如图2所示。其中上位PC机通过VB Mscomm组件与单片机进行串口通信。
3.系统运行效果。所搭建的系统运行效果如图3所示。
本科生经过4周时间的搭建，实现了系统的搭建，在搭建过程中遇到了一些问题，比如学生发现气缸运动不流畅，定位不准确的问题，学生经过分析，减小了节流阀的开度，降低了气缸运动速度，加长了光电门感应时间，并且对单片机的感应时间做出了一定的修改，提高了运动精度。经过项目的实施，本科生普遍反映，经过项目的锻炼，加深了对所学一系列课堂知识的理解，增强了对自动化控制系统的认识，提高了发现、分析和解决问题的能力。
参考文献：
[1]畢海普.解决工程问题能力培养的课程建设研究——基于工程教育专业认证视角[J].黑龙江教育，2019，（7）：61-64.
[2]蒋宗礼.本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养[J].中国大学教学，2016，（11）：27-30
[3]孙爱晶，陈怡君，石晓娟.基于OBE的本科人才培养目标评价体系探究[J].高教学刊，2017，（9）：33-34.
[4]赵鹏.聚焦复杂工程问题的软件工程专业建设探索——以安徽大学软件工程专业为例[J].高教学刊，2019，（15）：22-23
[5]中国工程教育认证协会.工程教育认证通用标准[EB/OL].http：//www.ceeaa.org.cn/main！newsList4Top.w？menuID=0101
0702.
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