基于学科交叉的气动技术课程综合实践教学研究

石岩，王娜，顾小玉，王一轩，任帅，蔡茂林

（1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院；2.北京航空航天大学北航学院；3.北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京 100191）

近年来，教育部等国家部委均发布了针对研究生教育改革问题的若干指导方针与重要文件，其中，明确提出专业课的设置要体现学科发展的前沿，突出交叉学科的发展[1]。

针对现阶段我校气动技术课程教学存在与工程行业实际应用联系性少、教学模式与教学内容落后单一、学生自主学习观念与创新实践能力不强等问题，结合德育优先、以人为本的教学思想，提出了基于学科交叉的气动技术课程综合实践教学方法。在教学中突出创新实践、教学改革和产业创新相结合，提高我校综合教学能力与科研创新能力，同时为国家气动技术新兴高科技产业的发展提供人才支撑和智力保障。

一、气动技术课程的教学现状

作为机械传动与控制工程的重要组成部分，液压与气动技术广泛应用于高精密机床、工程机械、汽车船舶等传统机械各行业，也是实现工业自动化、完成国家产业技术改革的重要技术手段之一[2]。其中的气动技术是机电类人才所必须掌握的关键控制与伺服驱动技术，因此气动技术课程是机电类专业人才培养的一门重要基础课程。近年来，气压技术和智能控制技术等前沿理论相结合，广泛应用于航空航天、深海开发、智能车辆等前沿科技领域，使气动技术的应用得到新的发展，产生了基于学科交叉的气动技术的课程需求。

国内现阶段的传统气压课程存在一定问题，主要问题是其教学模式过于单一，具体特点体现为：①其教学内容比较单一，气压课程内容比较广泛，而且教学所涉及的理论推导、状态分析较多，与工程实际应用差别较大；②教学方法比较陈旧，教案老套，课程教学过程中缺少与学生的交流互动，导致学生缺乏主动性；③实验条件过于简单，传统的老旧设备自动化程度低、制造工艺差、功能单一[3]，但与工程实践中实际使用情况的差距较大；③实践内容过少，特别是工程实践内容较少，对学生的主动性、积极性和创造性的培养产生不利影响，不利于学生综合素质的培养。

由于其教学内容单一、教学方式陈旧、实践内容较少等特点，传统的气动课程教学方式，往往容易导致“盲目接受”的教学状态，这种传统的教学方式导致学生在教学活动中的主观能动性受到影响，对学生的主动性、积极性和创造性的培养产生不利影响，不利于学生综合素质的培养[2]，更加不符合我国所要求的“培养理论基础扎实、能力强、素质高的新型人才”的教学目标。不能跟上学科交叉融合发展的趋势，落后于气动技术现阶段理论性、实践性、应用性和交叉性的多元发展趋势。

二、开展学科交叉的气动技术课程改革的意义

（一）实现课程体系从单一到交叉融合的转变

在工业自动化领域，气动控制技术由于其诸多的显著优点，已得到越来越广泛的应用，成为工业自动化不可或缺的重要手段。但是，现阶段国外研究型大学创新课程体系的设置呈综合化和跨学科趋势，如何将气动技术应用于其他高新科技领域是我国气动技术发展所面临的挑战与机遇。

基于医工交叉的现代气动技术涉及了多个学科领域，是对气动技术、控制工程、自动化、医学等学科的综合应用。交叉科学的发展解决了技术交叉中的问题，使技术高度综合化。

正如近期的疫情抗击中，以基于医工交叉的现代气动技术为代表的交叉学科便解决了许多困难，尤其在对国家重大工程系统的设计、论证、实施、评价等工作中，也必须综合地运用交叉科学。交叉科学的发展解决了技术交叉中的问题，使技术高度综合化。因此，如何培养交叉学科人才，是当前国家发展战略对高等教育提出的一个挑战和急迫需求。

（二）实现从了解到深刻理解的转变

气压传动技术是一门理论性与实践性相结合较为紧密的基础课程，传统的气动课程由于其过于侧重于理论知识的讲授，使课堂比较枯燥和乏味。同时实验课程也仅作为理论课程的衍生，是对基础气动元件的讲解与操作，学生无法将所学知识与实际工程应用相联系，教学效果较差。因此在开展学科交叉的气动技术课程改革中，需要紧密结合实际应用，实现从理论了解到工程使用深刻理解的转变，使学生真正掌握气压传动技术在学科交叉领域中的关键知识及相关使用方式。

在气动技术教学内容和方法的改革方面，通过“基础理论知识掌握与工程实践能力提高”的多目标并行的教学目标，结合项目驱动式多层次、多目标的教学方法，使理论与实践成为相互统一的有效整体[4]。在以学科交叉为教学改革目标的气动技术课程中，基于教师团队的科研项目，搭建“咳痰样机”“气动系统机械通气呼吸机样机”等医用工程项目。将学科知识、项目背景、项目实施方式贯穿于教学课堂中，使学生对气动技术理论与实践课程的综合应用有了更为全面深入的理解。

（三）实现学生从解决问题到提出问题能力的提升

正如爱因斯坦曾说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更为重要，因为解决一个问题也许是一个数学或实验上的技巧。”北航作为国内双一流高校，其教学宗旨紧跟国家科技经济发展战略，为满足我国对培养全面性、创新性人才的需求，现阶段引入基于学科交叉的教学模式十分重要。

基于学科交叉的气动技术课程改革中通过学生亲自体验项目、产品开发过程的教学形式，拓宽学生科研工作的研究思路，提高学生的工程实践能力。在学生能集中精力思考和解决问题的过程中，激发其创造性思维，使理论性知识向应用性、综合性转变。

本次教学改革深入贯彻“以学生为中心，以培养德智体美劳全面发展的高素质人才为目标”的教学指导思想，促进了我国高等教育的学科交叉方向的教学改革，同时满足现阶段国家对综合型人才培养的需求。

三、学科交叉的气动技术课程综合实践教学的开展

（一） 面向对象

“学科交叉的气动技术课程综合实践教学”是机电技术专业的一门重要的专业知识课程，该课程面向的学生群体为自动化科学与电气工程专业的硕博士研究生，同时其他专业的学生也可作为跨学科专业选修。无论对学生的思维素质、创新能力、科学精神以及在工作中解决实际问题能力的培养，还是对后继课程的学习，都具有十分重要的作用。

在本课程中，学生的主要任务为较系统地掌握气动技术的基本原理知识和实际应用方法。学生需要在系统性地掌握基本的理论知识基础上，认识到这门气动技术课程的工程价值，然后逐步通过实践课程学习培养学生将专业理论知识与实际工程实践相结合的能力，为后续课程和进一步学习现代科学技术打下专业基础，最终通过本课程教学实现对学生的创新素质和严谨求实的科学态度的培养与塑造。

本课程内容主体将采用以理论授课与实战教学相结合的模式。在理论课程中，将加强学生对气动技术概念、原理、应用的理解，在指导学生完成理论学习的任务中把握知识结构，促进学生主动学习，培养其求知欲与创造性思维的能力。在实践课程中，通过实验教学及医工交叉项目教学的模式，促进学生对理论授课内容的理解，满足学生对气动产品的理论、原理、机械结构等方面的认识以适应培养学生能力的要求；通过项目引导、目标驱动的教学方法，深入贯彻“以学生为中心，以培养德智体美劳全面发展的高素质人才为目标”的教学指导思想。实施学生亲自体验项目、产品开发过程的教学形式，全面提高学生的工程素养。

（二）教学形式

本课程将采用气动理论与实践课程相结合的项目训练教学法，在教学计划所规定的项目时间与教学规划中，学生需要完成气动技术课程综合实践教学的三方面内容。

①第一部分为气动技术课程基础理论知识的学习内容。在本课程中将对气压技术理论知识进行详细介绍与学习，教学内容部分主要包含：气压传动基础知识、气动技术相关的热力学理论、气动技术相关的流体力学理论、气动元件的流量特性、容器的充气与放气、管路内的气体流动、压缩空气的能量、气缸的运动特性及系统设计、气动伺服控制系统以及非定常流的测量与产生等。

②第二部分为基于基础理论知识的气动技术实践教学。本课程将在气压技术理论知识学习内容的基础上，要求学生通过搭建基础气动实验回路，对容器的充气与放气过程与管路内的气体流动特性进行详细观察与分析，然后进行对相关气动元件的特性测试及验证实验，对试验中的流量测试数据、气体压力采集数据进行分析，将得出的实验结果与之前的理论分析进行对比验证，满足学生对气动产品的理论、原理、机械结构等方面的认识以适应培养学生能力的要求。

③第三部分为基于学科交叉的气动技术实践项目学习。在多学科交叉方面，基于教师团队的科研项目，搭建“咳痰样机”“气动系统机械通气呼吸机样机”设备供学生学习及做实验（图1）。在该项目实践学习中，着眼于培养学生创新精神与综合的工程实践能力，构建工程创新平台，学生真正参与具有实际工程意义的项目实践工作。通过项目训练教学法中的项目任务、项目评估、项目计划、项目实施、项目成果、项目评价的教学过程培养学生的实际工程能力，学生在项目的不同阶段发挥着不同的作用并锻炼其相应的能力，最终将项目过程与结果通过撰写实验报告的形式进行总结回顾。学生在该过程中通过对所遇问题的综合分析，一方面巩固和扩充了基础理论知识，另一方面动手实践能力也得到了锻炼。

图1 气动系统机械通气呼吸机样机

（三）实践内容实例

1.基于基础理论知识的气动技术实践教学

开展了对气压技术课程中所学习的理论知识内容进行实验验证与对比教学，搭建了基于调速阀的容器充放气实验平台。

2.基于学科交叉的气动技术实践项目

在本实践部分中，教学目标为通过项目训练教学法，基于教师团队的多学科交叉科研项目，搭建“咳痰样机”“气动系统机械通气呼吸机样机”等设备供学生学习及做实验。

四、教学改革成效

（一）学生正面积极的综合评价

课程选课人数逐年增加，学生普遍反映上课效果较好。2016～2020年，本教学模式已实施3届，学生对课程综合评价非常肯定，认为“实例讲得很好”“老师开展交叉学科的思路很棒，拓展了视野”“老师教学认真仔细，激发学生思考，注重学生的动手能力”。

（二）学生参加科技竞赛获奖

2名学生作为完成人获得2016年中国机械工业科学技术一等奖，3名学生作为完成人获得2019 年度中国机械工业科学技术进步二等奖，指导的研究生团队获得北航研究生优秀创新团队奖。

（三）学生发表高水平论文

学生科研能力得到提升，在多个交叉领域中发表学术论文：在Int J Numer Method Biomed Eng，Bioinformatics等期刊上发表论文10余篇。

五、结束语

基于学科交叉的气动技术课程综合实践教学研究是对我国气动技术课程的一次重要教学改革，在深刻理解并掌握气动知识的基础上，通过实现课程体系从单一到交叉融合的转变，极大地扩充了教学内容，实现了学生从了解知识到实践应用的转变；通过建立以多项医用工程项目为实践内容的工程创新平台提高学生的工程实践能力，激发其创造性思维，促进了我国高等教育的学科交叉方向教学改革，同时满足现阶段国家对综合型人才培养的需求。