气动实验教学中实践卓越计划的启示

摘要：卓越工程师培养计划要求东北石油大学按照行业标准和通用标准来培养学生的工程能力与创新能力，面向油田的机械设计制造及其自动化专业学生的培养目标是培养具有实践能力和创新精神的石油机械工程师。“液压与气动”课程是一门实践性较强的课程，在实验教学中，利用FESTO公司的气动教学平台，按照卓越工程师培养计划要求，改进实验教学方法，建立开放性实验室，增加综合设计性实验内容，能够显著提高学生的动手能力、创新意识和团队精神。

关键词：FESTO气动教学平台；卓越计划；液压与气动；实验教学

作者简介：任永良（1973-），男，河南新野人，东北石油大学机械科学与工程学院，副教授；贾光政（1965-），男，山东梁山人，东北石油大学机械科学与工程学院，教授。（黑龙江 大庆 163318）

基金项目：本文系教育部—欧特克公司专业综合改革项目“东北石油大学机械设计制造及其自动化专业综合改革”、黑龙江省高教综合改革试点专项“基于CDIO的机自专业卓越工程师培养模式探索与实践”、黑龙江省重点专业建设项目的研究成果。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）34-0156-02

“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”）是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的重大改革项目，也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。“卓越计划”旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才。[1]“卓越计划”参考了国外较为成功的教学方法，[2，3]也吸收了国内高校的一些实际经验，[4]是一种比较适合我国现阶段人才培养模式的教学方法。东北石油大学机械设计制造及其自动化专业作为教育部第二批CDIO试点高校，在人才培养模式上进行了有效改革，并在课程教学方面为实践“卓越计划”进行了新的探索。

一、改革思路

“液压与气动”是一门理论性和实践应用性都很强的机械类专业课程，油田生产中的钻采设备、修井设备等装置都大量采用液压与气动技术。对于面向油田的机械设计制造及其自动化专业学生来说，需要掌握本课程的基础知识，具备基本的实践能力。“卓越计划”的培养目标对学生的工程实践能力提出了更高的要求，因此，对“液压与气动”的课程内容和授课方式进行了改革：[5]将实验教学环节由原来的4学时增加为8学时；将实验室对学生开放；利用Festo公司的FluidSIM仿真软件和教学实验台，加大综合性和设计性实验内容；进行以小组为单位的团队合作学习形式；采用目标确定、方案设计、原理分析、仿真运行、硬件实现的工程设计和实施步骤，完全践行CDIO的教学模式，[6]最终实现“卓越计划”的培养要求，并在此基础上进行教学质量评估和经验总结。

由于液压传动与气压传动之间的相似性，加之气压传动实验具有成本低、无污染、回路连接快捷等优点，因此在学生进行实验设计时，应尽量先利用液压与气动仿真软件FluidSIM进行模拟，然后利用气动试验台进行实际的管线连接实验以验证模拟结果。通过气动回路的设计、模拟和连接及功能实现，学生能够更好地掌握相关知识和技术，具备一定的实践经验，同时锻炼了团队精神和协作精神，这对他们以后的工作具有非常重要的指导意义。

二、实践内容举例

延时气动控制回路的连接图如图1所示，其原理图如图2所示，目的是熟悉和掌握延时阀的工作原理以及在具体回路中的应用、掌握行程开关在控制回路中的应用、掌握气控元件的连接。实验所需元件有：常开式延时阀1个、气控二位五通阀1个、机控二位三通阀2个、双作用气压缸1个、气源1个、分气站1个、气动连接管线若干、压力表若干。两机控阀开关作为双作用气缸活塞杆的行程开关，分别设置在0mm和100mm行程位置。打开气源开关后，气压缸活塞自动伸出，达到行程100mm后，触动行程开关S2，延时一定时间后，换向阀切换，气缸活塞自动缩回，返回到最左端时触发S1，二位五通阀又换向，气缸活塞重新伸出，如此周而复始。反复调整延时开关旋钮开度的大小，从而可以控制延时时间的长短，即活塞杆缩进时间的长短。

首先利用气动仿真软件FluidSIM按照图1连接气动元件，设定各元件的系统参数运行仿真，图1右上角为部分元件的运行状态图。通过仿真，可以检验管路连接是否正确、逻辑关系是否正确、元件参数是否满足要求、运行结果是否正确等。通过软件仿真模拟无误后，在气动实验台上进行实际的气动回路连接并运行。该回路的工作原理是：打开气源开关，由于气缸活塞杆处于行程开关S1位置，与S1相连的二位三通阀自动调整到左位，使二位五通阀左位通气从而控制双作用缸的伸出；当活塞杆到达终点时，触发行程开关S2，使与其相连的二位三通切换到左位而导通，延时阀控制口进气，内部气囊开始充气并开始延时，充气时间决定了延时时间，通过调整延时阀上面的旋钮可以改变节流阀开度并改变充气时间。气囊充气到一定程度，延时阀导通，使二位五通阀切换到右位从而控制双作用气缸活塞杆回缩。调整S1、S2的位置，可以控制气缸活塞的行程和切换频率（见图2）。

三、启示

上述实验是实验小组在教师提出目标的基础上自己独立设计并进行模拟和连接的。通过设计实验，学生能够直观地掌握气动回路、了解气动元件，也增强了对理论知识的掌握和延伸。在此基础上，很多学生都充分发挥自己的想象力，利用气动实验台构建了很多具有特殊功能的气动回路，丰富了气动知识。通过在气动教学中实施“卓越计划”，可以得到如下启示：

1.“卓越计划”强调的是创新，但创新的前提是对基本知识的掌握

在实验中发现，基础知识好的学生往往理解能力较强，所设计的回路适用性更强；而学习很差的学生，则基本上对团队没有什么贡献；学习成绩居中的学生呈两级分化，动手能力强的学生则对团队贡献很大，动手能力差的学生则贡献较小。

2.理论与实践结合需要一个过程

液压与气动元件的符号图虽然直观，但与实际元件相比还是很抽象。因此在实际连接回路时总是找不到元件或者找到了不知该如何连接，有时甚至不知道指的是什么。比如在气动回路中用到的机控阀兼做行程开关，学生总认为行程开关应该是一个单独的元件。这些问题通过2次实验基本上都能克服。

3.团队之间的协作非常重要

一个复杂的回路实验往往需要团队之间的共同努力，出现问题需要共同想办法。在实验中发现，凡是能够顺利完成任务或者有创新思维的都是团队协作较好的小组；团队成员参与度不够或者协作不好的小组，其士气往往低落且创新意识很淡薄。思想活跃、成员参与度良好且具有竞争意识的团队能激发成员的创新思维，调动成员的创新积极性，使小组的收获更大。

4.团队之间要有一定的竞争

在实验中发现，对于同一个课题，如果在各个小组之间引入竞争机制，则往往能够激发他们发现不同的解题思路，以表现其与众不同；如果没有具有可比性的竞争，则往往达不到类似的效果。因此，对于任何一个目标的实现，如果安排2个以上的小组参与并引入竞争机制，能够更好、更快的完成任务。

四、总结

通过对“液压与气动”课程试行“卓越计划”教学实验，开展以实验为主，教学与实验并重的教学改革，要求在实验和学习过程中，学生以小组为单位独立完成设计任务，独立分析设计中所遇到的问题，这就要求小组中每个个体之间都要相互协作、相互配合，遇到问题要相互探讨，提高了组员之间的协作精神。在现代化的科研和生产过程中，需要多部门、多学科之间的相互配合和协作。基于“卓越计划”教育的课程改革适应了现在社会对学科与团队协作、实践精神的需求。东北石油大学作为普通的工科院校，并不以培养高级研究型人才为主，而是以培养石油工业广泛需求的具有实践性、团队协作性的工程技术人员为主，因此，“卓越计划”教育的意义就体现在此。以“液压与气动”课程为例，“卓越计划”教学理念+专业课程改革+Festo气动实验台能够充分实现“卓越计划”教育的宗旨。从教学效果来看，该方法能够大大促进学生的自主学习积极性，使学生不仅能掌握基础理论知识，更能把这些知识运用到实践中去，且能够对问题进行深入思考，这是传统教学难以实现的。

参考文献：

[1]卓越工程师教育培养计划[EB/OL].[2013-04-24].http：//baike.baidu.com/view/3810178.htm？fromId=4131329.

[2]刘建强.德国应用科学大学模式对实施“卓越工程师培养计划的启示”[J].中国高教研究，2010，（6）：50-52.

[3]娄平，张小梅，江雪梅.美、德工程师培养模式对我国“卓越工程师”培养的启示[J].中国电力教育，2012，（3）：57，75.

[4]崔媛.基于学科专业特色的卓越工程师培养模式——来自哈尔滨工程大学的实践[J].煤炭高等教育，2011，29（1）：66-68.

[5]张海，王小明.FESTO MPS自动化控制系统在实验教学上的应用[J].机床与液压，2007，35（11）：134-136.

[6]Johan Bankel，etc.The CDIO Syllabus A comparative study of expected student proficiency[J].European Journal of Engineering Education，2003，（3）：26.

（责任编辑：孙晴）