基于知识集成能力的实验平台的开发

李孝禄, 王文越, 王　旭, 吴　霞, 张　伟

(1. 中国计量学院　机电工程学院, 浙江 杭州　310018； 2. 浙江大学 海洋学院, 浙江 舟山　316021)



基于知识集成能力的实验平台的开发

李孝禄1, 王文越1, 王旭2, 吴霞1, 张伟1

(1. 中国计量学院机电工程学院, 浙江 杭州310018； 2. 浙江大学 海洋学院, 浙江 舟山316021)

结合专业教学计划和课程教学大纲,明确实验平台改造方案,编写基于知识集成能力的实验指导书。该实验平台开发的实验项目含有多门课程知识点,可以有效提高大学生知识集成能力。该研究为提升大学生创新能力提供了一条新思路。

专业知识集成； 实验平台； 实验项目； 创新能力

创新是国家发展的动力,培养具有创新能力的人才是我国高等教育的重要使命[1]。特别是在“大众创业,万众创新”的新形势下,更需要培养大学生具有创新精神和创新能力。实验能够加深学生对理论的掌握,提高学生学习主动性,是培养大学生创新能力重要的一环[2]。很多理工科专业教学计划中,实验学时占总学时的比例不断提高[3]。目前,开设的实验类型有演示、验证、综合、设计等,主要目的是对理论进行验证或利用已学知识进行系统或产品设计[4]。

总体来说,大多数实验内容针对的是某门课程具体教学内容,没有将已学课程相关知识有意识地融合到实验中,未能很好地激发学生创新思维。特别是对高年级的大学生(大三、大四)来说,已学完公共课程、学科课程和部分专业课程,处于学习的“疲劳期”,对学过的知识容易出现遗忘或生疏,而专业课程的实验平台往往涉及较多基础知识。如何通过专业课程的实验平台,利用和改造现有设备,开发新实验项目,激发学生创新思维以便对知识主动集成,具有较强的知识集成能力,最终提高学生创新能力,是一个迫切需要解决的问题。

1　高年级大学生知识集成能力现状

知识集成(knowledge integration)的概念是由Henderson 和Clark提出的,它是系统集成方法的核心和关键[5]。知识集成的目标是实现知识再利用,提高个人或组织的创新能力，它的内涵包括知识集成的对象、活动、过程、本质、目标等,目的是构建个人或组织的核心竞争力。知识集成具有4个效应:整合效应,知识整合后使系统形成新的功能；共享效应,整合后的知识在组织内共享和交流；协同效应,通过知识共享,促使各类知识协同发展,促使系统有序和创新；聚集效应和倍增效应,知识集成促使不同知识聚集,优势互补并实现倍增效应[6]。知识集成能力是组织、整合和应用知识的动态能力,反映知识创新程度。提高大学生知识集成能力,有助于提高大学生创新能力[7]。

受社会环境、制度、传统文化、个体差异和思维方式等的影响,我国大学生的知识集成能力不尽如人意,还有很大的提升空间。例如,我国大学普遍要求毕业学分达到160～180,课程较多,专业过细,学生忙于应付考试,忽视课程知识之间的组织和整合[8]。课程设置上,理论课时偏多,实验(实践)课时偏少,学生对概念的理解和掌握不深不透,一知半解,学习积极性也不高,影响学生整合知识和聚集知识。学生之间、师生之间用于讨论和交流的时间较少,影响学生共享知识和再生知识。特别是高年级大学生,忙于就业、考研、出国等,对专业知识学习不够,直接影响知识集成能力[9]。对大学而言,需要继续加强高年级大学生的知识集成能力,把好关系到我国社会经济长远发展的大学生创新能力培养这一关。

本文针对机械电子工程专业课程的实验平台,通过改造开发出新的实验项目,以此提高高年级大学生的知识集成能力。

2　原有实验平台及实验项目

机械电子工程是将机械技术、电子技术、控制技术、信息技术等有机融合而形成的一门综合性学科,涉及学科知识面广,知识交叉性强。这就对机械电子工程专业培养的学生的知识集成能力有较高的要求。在机械电子工程专业的教学计划中,一般是在大一、大二学习机械技术和电子技术,大二下学期和大三学习信息技术(主要是传感、信号处理类课程)和控制技术,大三下学期和大四上学期学习专业课[10]。专业课往往涉及较多的机械技术、电子技术、控制技术和信息技术等的基础知识,需要学生有扎实的基础知识和知识集成能力。例如,“汽车电子技术”就是机械电子工程专业大四上学期开设的一门专业课。学生普遍反映这门课知识面广,知识交叉性强,学起来较难,需要很强的知识集成能力才能学好。利用好这门课的实验平台对学好这门课起着十分重要的作用[11]。

2.1原有实验平台

原有实验平台为桑塔纳3000防抱死制动系统(anti-braking system, ABS)实验平台,如图1所示。该实验平台包括制动主缸、真空助力器、压力调节器、制动轮缸、转速传感器、控制和显示面板。两前轮为钳盘式制动,由一台7 kW的变频交流电机驱动前轮转动。踩下制动踏板对车轮制动,但车轮在电机的带动下可以按设定的速度转动。

图1　ABS实验台

2.2原有实验项目

2.2.1ABS制动系统演示实验

通过ABS制动系统结构的讲解和工作过程的演示,了解ABS制动系统结构和工作原理,具体掌握制动主缸、真空助力器、压力调节器、制动轮缸和转速传感器这5个典型部件的结构和工作原理。

2.2.2ABS制动系统控制过程实验

在ABS制动系统演示实验的基础上,通过对车轮转速信号、压力调节器执行信号的读取,了解和熟悉ABS制动系统工作原理和控制算法。

2.2.3ABS制动控制系统的设计

由2名研究者独立筛选文献、提取资料，并进行数据核对。若有分歧，进行协商并达成共识。提取资料的内容包括：（1）纳入研究的基本信息：研究题目，第一作者，发表年限等；（2）研究对象的基本特征：如性别、年龄范围等；（3）疾病特征：骨折部位、骨缺损的长度范围、是否合并感染、占位器放置时间、占位器中添加抗生素情况等；（4）骨缺损愈合情况：骨折最终是否愈合，愈合时间，并发症发生情况。

在上述2个实验的基础上,利用ABS制动系统实验台架设计简单的ABS控制器和控制算法,实现ABS制动。

上述3个实验项目性质分别为演示、验证和设计实验。前2个实验为课内实验项目,第三个实验项目为课外科技活动、课程设计或毕业设计项目。学生完成这些实验后,能较好地理解教材中“ABS制动系统”这一章的内容,但对学过的相关知识进行集成的作用有限。

3　基于知识集成能力的实验平台及实验项目设计

结合专业教学计划和课程教学大纲,以提高高年级学生知识集成能力为目的,对实验平台进行改造,对实验项目进行设计,并编写实验指导书。

3.1改造实验平台

对桑塔纳3000的ABS系统进行改装,搭建实验平台,如图2所示。在靠近制动轮缸的制动管路中安装2个压力变送器。2个压力变送器的间隔距离(取压距离)为1 m。压力变送器采用瑞士KELLER公司生产的PA-25TAB/80087型压力传感器。在靠近制动轮缸的制动管路中安装透明石英管,其长度为15 cm,内径为4 mm。高速摄影系统采用德国Basler公司acA2000-165μm型高速摄像机,最大分辨率为2 048×1 024,最大帧频为200 fps。照明光源采用3 200～5 500 kW双色温平板式LED聚光灯。同时,在石英管后面安装硫酸纸,利用逆光照射提高拍摄质量。

图2　改造实验平台

3.2新增实验项目

通过测量制动管路中不同距离的压力,根据互相关原理计算ABS制动系统压力波传播速度,了解液压系统在不同工作条件(制动液含气或不含气)和运转条件(制动液压力和制动转速)下的制动液压力波传播速度,理解液压控制系统设计时对系统工作条件和运转条件的要求。经计算,制动液含气和不含气条件下,制动液压力波传播速度分别可达125 m/s和1 100 m/s[12]。

3.2.2ABS制动管路中气液两相流流型的观察

通过观察制动管路中气液两相流流型,了解制动时气阻产生原因,理解制动液含气或不含气对制动液压力波传播速度的影响。实验中观察到泡状流、塞状流、弹状流和环状流,如图3所示。制动时为泡状流[12]。

图3　ABS制动管路中气液两相流流型

这2个实验还涉及工程流体力学、传感技术、检测技术、液压传动、控制工程基础等多门课程中的知识。根据实验、讨论和编写的实验指导书中的思考题,有意识引导学生理解相关概念,学生将这些知识和汽车电子技术课程的知识进行组织和整合,对这些知识的理解和掌握更加深刻,达到了知识的整合效应、共享效应、协同效应、聚集效应和倍增效应。例如,通过对ABS制动系统压力波传播速度的计算,对压力传感器原理、信号处理、检测、流体、两相流、流型、气阻、气穴、体积弹性模量、压力波传播速度、电磁阀原理、ECU等不同课程知识集成到ABS控制中来,概念更加清楚且产生有机联系,知识集成能力明显提高。

4　结语

实验平台在保留原有实验项目的基础上,通过改造升级,增加了“ABS制动系统压力波传播速度的测量”和“ABS制动管路中气液两相流流型的观察”2个实验项目,这2个实验项目包含更多已学课程的知识,通过实验、讨论和学生自己思考等方式,更能提高学生的知识集成能力。意义在于基于知识集成能力的实验平台的设计,以教学理论指导实验项目的设计,不但能利用已有实验系统为大学生进行跨课程知识的集成,而且为探索提升高年级学生创新能力提供了一条新思路。

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[12] 戚雪珍. 汽车ABS制动液中气液两相流压力波特性的研究[D]. 杭州:中国计量学院,2015.

Development of experimental platform based on knowledge integration ability

Li Xiaolu1, Wang Wenyue1, Wang Xu2, Wu Xia1, Zhang Wei1

(1. College of Electrical and Mechanical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China)

Combining the specialty teaching project and course syllabuses, this paper confirms the experimental platform scheme and completes the experimental instructions based on the knowledge integration ability. The experimental instructions contain a lot of knowledge points of many courses, and strength the knowledge integration ability of upperclassmen effectively. This research puts forward a new idea for improving the innovation ability of undergraduates.

professional knowledge integration; experimental platform; experimental project; innovation ability

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.005

2015- 08- 11修改日期:2015- 09- 21

浙江省自然科学基金项目(LY14E050023)；浙江省教育科学规划项目(2011SCG130,2013SCG054)；浙江省新世纪高等教育教学改革项目(zc2010033)

李孝禄(1968—),男,湖北大悟,工学博士,副教授,主要从事汽车电子的教学和科研工作.

E-mail:lxl2006@cjlu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)3- 0016- 04