“机、电、液”知识体系融合的实践教学改革与研究——以柳州工学院机械工程学院为例

农胜隆，高尚晗

（1.柳州工学院 广西 柳州 545616；2.广西科技大学 广西 柳州 545006）

现代工程机械的发展趋势必然会使各学科方向的工程知识走向交叉与融合[2]。以机械工程为例，其专业核心课程主要有“机械传动、电气控制传动、气液压传动”三个方向，课程与实际工程机械所涉及的知识联系密切，这就要求机械工程专业所培养出的人才不仅要掌握“机、电、液”三个方向的基础知识，还要逐渐形成具有分析问题的系统性逻辑思维，并具有初步的工程实践能力和创新能力。因此，要实现“机、电、液”知识体系融合的应用型人才的培养，就要帮助学生做到理论联系实际，并提高其创新能力。

1 “机、电、液”方向课程教学中普遍存在的问题

目前，各高校机械工程专业涉及机、电、液方向的课程较多，有“机械设计基础”“机械工程测试技术”“机械工程控制基础”“电气控制与PLC”“电工电子技术”“工业机器人原理与应用”“流体力学与流体传动”等专业基础课程和专业课程，所涵盖知识面较广。学生首先要有一定的综合性与系统性思维才能对这些课程的知识体系进行融会贯通。然而，传统单一的授课方式无法保证课程之间的知识融合，教师对同一知识点在不同课程的授课过程中缺乏统一性，而各部门课程所采用的教材不同，无法达到相辅相成和相互促进的目的。没有综合性与系统性的教学方法，就很难突破课程间的知识界限。目前机械工程类专业“机、电、液”方向的实践教学总体上主要存在以下两大问题：

1.1 “机、电、液”各实验室所设置的功能单一，缺乏综合整体性和创新性

一方面，由于实验、实训室是按照“机、电、液”所对应课程进行设置的，通常是一种实验设备对应一个实验项目，教学功能单一，要对其进行实现多功能改造的成本又太高，加上实验室本身开放式程度低，无共享机制等因素，导致很多实验室的潜在功能没有得到发挥；另一方面，由于实验项目、实验学时是由教学大纲所规划的，理论与实践教学在内容上往往衔接度不够，导致学生是为实验而实验，很难做到理论联系。这些问题的存在必然会使“机、电、液”各课程的实践教学缺乏综合性和整体设计的创新性。

1.2 学生缺乏“机、电、液”课程之间的知识联系，难以形成完整知识体系

学生虽然能很好掌握“机、电、液”中某一课程的知识，但对交叉课程之间的知识体系无法形成系统性，不能掌握机、电、液各门课程之间核心的知识联系。此外，由于大多数实验都是对理论的验证，实验附属于理论的教学思维根深蒂固，加上各门课程之间的实验又缺少融合与交叉，学生在整个实验过程中的认知只停留在该门课程的实验，很少去思考该实验与其他课程是否有联系，导致综合性实验与创新性实验无法深入开展。这种教学方式最终导致学生无法以系统的角度去设计、分析与解决问题。

2 “机、电、液”知识体系融合实践教学目的

通过对“机、电、液”三个方向课程知识之间的相互融合，设计、整合相关课程的实验、实训教学，把每一方向课程的核心知识点和能力培养目标进行统一梳理，以建立知识点间的相互联系。采取实验、实训项目结合工程实际的教学方式，形成综合的实践教学模式，实现多门课程知识体系的相互融合，使学生能从对具体一门课程的知识掌握提升到系统性知识的认知[3]，从而理解机械专业各个核心课程之间的相互联系，以实现在机械控制、电气控制、气液压控制等方面知识的融会贯通。实施“机、电、液”知识体系融合教学的主要目的。

2.1 整合与优化实践教学，建立与实际工程接轨的“机、电、液”控制实践教学场景

实践教学场景是“机、电、液”一体化实践教学的基础，在实施整合与优化实践教学过程中，将机械控制、气液压控制、电气控制进行有机结合并贯穿于整个教学过程，改变传统实践教学的单一性，创建具有创新性、综合性、先进性与开放性的实践教学环境，让学生在实践教学过程中思维更积极活跃，提高学生工程实践能力、创新能力的培养，达到全面提升学生的专业知识、能力和素质的目的。

2.2 加强“机、电、液”各课程知识体系的交叉融合，形成“机、电、液”专业知识系统

加强“机、电、液”三方向课程教学知识的交叉融合，重点突出知识体系在工程上的实际应用。通过详细分析“机、电、液”三个方向课程间的内在联系与交叉，理顺教学过程中各知识点的授课先后关系，由浅至深，构建综合性、工程化的教学模式，使学生对所学专业知识具备系统性理解，并能够综合利用机电液一体化知识进行技术创新，强化工程实践能力的培养。

3 “机、电、液”知识体系融合的实践教学改革途径

3.1 构建“机、电、液”课程群，结合工程案例教学实现知识融合

围绕学生工程素质及工程实践能力的培养，对“机、电、液”三个方向划分相应课程群，“机”主要对应机械设计、机械传动和机械自动化控制等课程，“电”主要对应电气控制、数控控制技术等课程，“液”主要对应液压与气动控制技术等课程。在教学过程中将课程群之间的知识点进行交叉融合，建立各课程间的有机联系，有利于学生对比各方向的知识应用，在实际设计传动方案时选取最优方式。在教学过程中尽可能结合实际应用对知识点进行讲解，适当减少理论分析，比如，在机械工程控制课程中，减少偏理论的控制系统设计和校正内容，强化PID控制器的作用、整定过程及参数的调试等知识的讲解。

3.2 优化“机、电、液”实验项目，构建综合性、创新型实验

在满足单一课程基础实验的前提下，融合机、电、液知识体系，并结合新技术、新方法修订实验教学大纲，结合工程实际优化及构建实验项目，删减缺创新、缺技能、过于死板的教学内容，通过“修订—开展—调整”的循环方式，不断更新实验教学大纲与实验项目，增加综合设计性及创新性实验的比例[4]。比如，在“机械设计基础”的动平衡实验教学中，随着实验设备的发展，淘汰原有以百分表的形式记录实验数据的方式，用位移或加速度传感器并结合现代测控系统实验代替，将机械工程测试技术课程中的传感器知识融合于机械设计基础的实验中，体现了机电结合的综合应用与创新，拓宽实验领域。

3.3 整合现有实践环境，实施“机、电、液”综合实践教学

根据“机、电、液”单一功能的实践教学现状，创建成技术先进、机电液结合好、应用性强的综合实践教学环境。综合实践教学以“机、电、液”结合为主，进行包括机械、液压、气动、控制为一体的机电液系统设计学习，实践过程遵循循序渐进，内容形成梯度，既有基础性又有提高综合性和创新性。实施多样化教学，丰富及创新实践教学内容，使学生在掌握专业知识点的基础上，接受专业业务技能进行针对性强化训练，有效提高学生的动手实践能力。比如，将原来独立课程“流体力学与流体传动”和“电气控制与PLC”所对应的实践环境进行整合，实现电气与气液压的控制结合，使PLC控制的工程应用更具体化。

3.4 以“机、电、液”知识融合作为毕业设计的主要选题内容

毕业设计环节是学生大学四年对专业知识综合掌握及应用的体现，而“机、电、液”正是机械工程类专业整个知识体系的综合。所以，在毕业设计选题中以“机、电、液”综合为主要设计内容，使学生意识到不同方向知识间的相关性和潜在联系，初步形成系统性思维。例如，学生的毕业设计课题中涉及一种机构的顺序运动控制，而该顺序运动可通过独立的机械控制、气液压控制、电气控制或这三种控制方式相互结合来实现，此时对最佳设计方案的选取就体现了“机、电、液”知识体系的重要性，势必要求学生在毕业设计过程中学会综合利用“机、电、液”相关知识进行对比与判断。

4 “机、电、液”知识体系融合的实践教学环境及方案

4.1 实践教学环境

针对柳州工学院机械工程学院现有实践教学环境，结合“机、电、液”三个方向课程特点，通过实验、实训室和学院的优势学科平台开展融合式教学，以建立多个知识点间的联系，使学生能够认识所学知识在整体知识结构中的意义。

柳州工学院机械工程学院目前拥有“机械自动化技术实训室”“气液压控制实验室”“机械制造自动化实验实训室”“工业机器人应用实训室”“数控设备故障诊断实训室”“电工技术实训室”“机械创新实验室”等12个实验室，可同时供600多名学生进行实验、实训教学。

目前的实验、实训室及相关设备能在保障单一课程实验的基础上还能满足“机、电、液”融合教学的基本要求，为开展综合性及工程性实践教学提供可靠保障。另外，学生对实践教学通常有较高的积极性，对激发其创新思维有促进作用。

4.2 方案实施过程

实施“机、电、液”知识体系融合协同培养的目标如图1所示：

图1 “机、电、液”实践教学融合协同培养示意图

根据以上培养目标，以柳州工学院机械工程学院机械工程专业机、电、液相关专业课程的实践教学为例，并对本方案的实施过程进行详细说明，如图2（p64）所示。

第一步：创建“机、电、液”课程群。根据课程性质构建机、电、液三类课程群，如图2中“课程群”所指的相应课程。组织相应课程群的任课教师了解当前各门课程所开设的实验、实训项目，并根据培养需求，进行各课程群体内实践教学内容的协调、衔接和融合，目的是避免出现教学内容重复或孤立的情况，以“机械工程测试技术”和“机械工程控制基础”这两门课程为例，“机械工程测试技术”中“测量系统的动态特性”内容与“机械工程控制基础”中“信号的频谱分析”内容出现了重复的现象，那么在授课过程中就需要明确该内容在哪一门课进行重点讲解。

第二步：整合“机、电、液”实验室。把现有实验室、实训室按功能分为“机、电、液”三大类，每一大类又分为“基础性实验”实验室和“综合应用创新性实验”实验室两个方向。将分好相应“课程群”中单一课程的现有实验室纳入“基础性实验”实验室，将另一类课程融合进来进行综合实践教学的纳入该门课程所对应的“综合应用创新性实验”实验室，基础性实验在其所对应课程的基础性实验实验室开展，应用创新性实验在其所对应课程的综合应用创新性实验实验室开展。

分类路线（如图2）中“机、电、液”所指的“基础性实验”实验室和“应用创新性实验”实验室。例如，在“电气控制与PLC”课程的编程实验中，其基础性实验可在“电”类中的“机械自动化技术实训室”开展；需要配合气或液压元器件（电磁阀、气/液压缸等）的动作控制进行综合性、创新性实验时，可在“液”类中“气液压控制实验室”开展。

图2 “机、电、液”融合实践教学实施流程

第三步：实施“机、电、液”融合教学。对以上三大类课程的交叉知识点进行重新梳理并建立多个知识点间的联系，详细了解分类的实验室所具备的实验功能，目的是确定能否把传统的一门课程对应一个实验室的单一功能作为其他跨类课程的“创新性实验”实验室，使其融合其他方向课程的综合实践教学，为开展机、电、液一体化综合性实践教学做准备，另外又能使实验室功能最大化，提高实验室的使用效率。

第四步：实施“机、电、液”毕业设计。在毕业设计环节中进行以“机、电、液”相关的实践课题时，设计方向以综合应用为主，主要包括机械、液压、气动、控制为一体的机电液系统设计。指导教师可根据所设计装置的使用环境、生产成本、控制特点等，引入多方案创新设计机制，要求学生在设计中进行“机、电、液”多种控制方案对比，选出最优方案。例如，毕业设计选题内容为设计车床自动上料系统，在上料控制方案的选取上可采用机械、电气及气液压传动控制，指导老师可要求学生在实现功能、定位精度的基础上，计算加工效率和核算加工成本，以选定最优控制方案，使学生的操作在整个设计过程中更切合工程实际。

5 结语

通过对机械工程类专业的机、电传动控制和液压传动控制等课程相互独立实践教学体系中所存的在问题进行梳理，提出机、电传动控制和液压传动控制等课程知识体系相融合的实践教学方式及优化实践环境方法，以扩大现有实验、实训室的实践领域，并增强师生在机械、电气、气液压等控制领域相关知识的贯通，将综合、应用、创新理念贯穿于实践教学全过程，构建工程化、综合性、创新型的“机、电、液”实践模式，培养现今社会所需的机电液复合型专业人才[5]。