石巖，王娜，顧小玉，王一軒，任帥，蔡茂林

（1.北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院；2.北京航空航天大學(xué)北航學(xué)院；3.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100191）

近年來，教育部等國(guó)家部委均發(fā)布了針對(duì)研究生教育改革問題的若干指導(dǎo)方針與重要文件，其中，明確提出專業(yè)課的設(shè)置要體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展的前沿，突出交叉學(xué)科的發(fā)展[1]。

針對(duì)現(xiàn)階段我校氣動(dòng)技術(shù)課程教學(xué)存在與工程行業(yè)實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系性少、教學(xué)模式與教學(xué)內(nèi)容落后單一、學(xué)生自主學(xué)習(xí)觀念與創(chuàng)新實(shí)踐能力不強(qiáng)等問題，結(jié)合德育優(yōu)先、以人為本的教學(xué)思想，提出了基于學(xué)科交叉的氣動(dòng)技術(shù)課程綜合實(shí)踐教學(xué)方法。在教學(xué)中突出創(chuàng)新實(shí)踐、教學(xué)改革和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新相結(jié)合，提高我校綜合教學(xué)能力與科研創(chuàng)新能力，同時(shí)為國(guó)家氣動(dòng)技術(shù)新興高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供人才支撐和智力保障。

一、氣動(dòng)技術(shù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

作為機(jī)械傳動(dòng)與控制工程的重要組成部分，液壓與氣動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于高精密機(jī)床、工程機(jī)械、汽車船舶等傳統(tǒng)機(jī)械各行業(yè)，也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化、完成國(guó)家產(chǎn)業(yè)技術(shù)改革的重要技術(shù)手段之一[2]。其中的氣動(dòng)技術(shù)是機(jī)電類人才所必須掌握的關(guān)鍵控制與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，因此氣動(dòng)技術(shù)課程是機(jī)電類專業(yè)人才培養(yǎng)的一門重要基礎(chǔ)課程。近年來，氣壓技術(shù)和智能控制技術(shù)等前沿理論相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于航空航天、深海開發(fā)、智能車輛等前沿科技領(lǐng)域，使氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用得到新的發(fā)展，產(chǎn)生了基于學(xué)科交叉的氣動(dòng)技術(shù)的課程需求。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的傳統(tǒng)氣壓課程存在一定問題，主要問題是其教學(xué)模式過于單一，具體特點(diǎn)體現(xiàn)為：①其教學(xué)內(nèi)容比較單一，氣壓課程內(nèi)容比較廣泛，而且教學(xué)所涉及的理論推導(dǎo)、狀態(tài)分析較多，與工程實(shí)際應(yīng)用差別較大；②教學(xué)方法比較陳舊，教案老套，課程教學(xué)過程中缺少與學(xué)生的交流互動(dòng)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏主動(dòng)性；③實(shí)驗(yàn)條件過于簡(jiǎn)單，傳統(tǒng)的老舊設(shè)備自動(dòng)化程度低、制造工藝差、功能單一[3]，但與工程實(shí)踐中實(shí)際使用情況的差距較大；③實(shí)踐內(nèi)容過少，特別是工程實(shí)踐內(nèi)容較少，對(duì)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性的培養(yǎng)產(chǎn)生不利影響，不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

由于其教學(xué)內(nèi)容單一、教學(xué)方式陳舊、實(shí)踐內(nèi)容較少等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的氣動(dòng)課程教學(xué)方式，往往容易導(dǎo)致“盲目接受”的教學(xué)狀態(tài)，這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主觀能動(dòng)性受到影響，對(duì)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性的培養(yǎng)產(chǎn)生不利影響，不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)[2]，更加不符合我國(guó)所要求的“培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、能力強(qiáng)、素質(zhì)高的新型人才”的教學(xué)目標(biāo)。不能跟上學(xué)科交叉融合發(fā)展的趨勢(shì)，落后于氣動(dòng)技術(shù)現(xiàn)階段理論性、實(shí)踐性、應(yīng)用性和交叉性的多元發(fā)展趨勢(shì)。

二、開展學(xué)科交叉的氣動(dòng)技術(shù)課程改革的意義

（一）實(shí)現(xiàn)課程體系從單一到交叉融合的轉(zhuǎn)變

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，氣動(dòng)控制技術(shù)由于其諸多的顯著優(yōu)點(diǎn)，已得到越來越廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動(dòng)化不可或缺的重要手段。但是，現(xiàn)階段國(guó)外研究型大學(xué)創(chuàng)新課程體系的設(shè)置呈綜合化和跨學(xué)科趨勢(shì)，如何將氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于其他高新科技領(lǐng)域是我國(guó)氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。

基于醫(yī)工交叉的現(xiàn)代氣動(dòng)技術(shù)涉及了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是對(duì)氣動(dòng)技術(shù)、控制工程、自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的綜合應(yīng)用。交叉科學(xué)的發(fā)展解決了技術(shù)交叉中的問題，使技術(shù)高度綜合化。

正如近期的疫情抗擊中，以基于醫(yī)工交叉的現(xiàn)代氣動(dòng)技術(shù)為代表的交叉學(xué)科便解決了許多困難，尤其在對(duì)國(guó)家重大工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、論證、實(shí)施、評(píng)價(jià)等工作中，也必須綜合地運(yùn)用交叉科學(xué)。交叉科學(xué)的發(fā)展解決了技術(shù)交叉中的問題，使技術(shù)高度綜合化。因此，如何培養(yǎng)交叉學(xué)科人才，是當(dāng)前國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)高等教育提出的一個(gè)挑戰(zhàn)和急迫需求。

（二）實(shí)現(xiàn)從了解到深刻理解的轉(zhuǎn)變

氣壓傳動(dòng)技術(shù)是一門理論性與實(shí)踐性相結(jié)合較為緊密的基礎(chǔ)課程，傳統(tǒng)的氣動(dòng)課程由于其過于側(cè)重于理論知識(shí)的講授，使課堂比較枯燥和乏味。同時(shí)實(shí)驗(yàn)課程也僅作為理論課程的衍生，是對(duì)基礎(chǔ)氣動(dòng)元件的講解與操作，學(xué)生無法將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際工程應(yīng)用相聯(lián)系，教學(xué)效果較差。因此在開展學(xué)科交叉的氣動(dòng)技術(shù)課程改革中，需要緊密結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從理論了解到工程使用深刻理解的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生真正掌握氣壓傳動(dòng)技術(shù)在學(xué)科交叉領(lǐng)域中的關(guān)鍵知識(shí)及相關(guān)使用方式。

在氣動(dòng)技術(shù)教學(xué)內(nèi)容和方法的改革方面，通過“基礎(chǔ)理論知識(shí)掌握與工程實(shí)踐能力提高”的多目標(biāo)并行的教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式多層次、多目標(biāo)的教學(xué)方法，使理論與實(shí)踐成為相互統(tǒng)一的有效整體[4]。在以學(xué)科交叉為教學(xué)改革目標(biāo)的氣動(dòng)技術(shù)課程中，基于教師團(tuán)隊(duì)的科研項(xiàng)目，搭建“咳痰樣機(jī)”“氣動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械通氣呼吸機(jī)樣機(jī)”等醫(yī)用工程項(xiàng)目。將學(xué)科知識(shí)、項(xiàng)目背景、項(xiàng)目實(shí)施方式貫穿于教學(xué)課堂中，使學(xué)生對(duì)氣動(dòng)技術(shù)理論與實(shí)踐課程的綜合應(yīng)用有了更為全面深入的理解。

（三）實(shí)現(xiàn)學(xué)生從解決問題到提出問題能力的提升

正如愛因斯坦曾說過：“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更為重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問題也許是一個(gè)數(shù)學(xué)或?qū)嶒?yàn)上的技巧?！北焙阶鳛閲?guó)內(nèi)雙一流高校，其教學(xué)宗旨緊跟國(guó)家科技經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，為滿足我國(guó)對(duì)培養(yǎng)全面性、創(chuàng)新性人才的需求，現(xiàn)階段引入基于學(xué)科交叉的教學(xué)模式十分重要。

基于學(xué)科交叉的氣動(dòng)技術(shù)課程改革中通過學(xué)生親自體驗(yàn)項(xiàng)目、產(chǎn)品開發(fā)過程的教學(xué)形式，拓寬學(xué)生科研工作的研究思路，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。在學(xué)生能集中精力思考和解決問題的過程中，激發(fā)其創(chuàng)造性思維，使理論性知識(shí)向應(yīng)用性、綜合性轉(zhuǎn)變。

本次教學(xué)改革深入貫徹“以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的高素質(zhì)人才為目標(biāo)”的教學(xué)指導(dǎo)思想，促進(jìn)了我國(guó)高等教育的學(xué)科交叉方向的教學(xué)改革，同時(shí)滿足現(xiàn)階段國(guó)家對(duì)綜合型人才培養(yǎng)的需求。

三、學(xué)科交叉的氣動(dòng)技術(shù)課程綜合實(shí)踐教學(xué)的開展

（一） 面向?qū)ο?/h3>

“學(xué)科交叉的氣動(dòng)技術(shù)課程綜合實(shí)踐教學(xué)”是機(jī)電技術(shù)專業(yè)的一門重要的專業(yè)知識(shí)課程，該課程面向的學(xué)生群體為自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程專業(yè)的碩博士研究生，同時(shí)其他專業(yè)的學(xué)生也可作為跨學(xué)科專業(yè)選修。無論對(duì)學(xué)生的思維素質(zhì)、創(chuàng)新能力、科學(xué)精神以及在工作中解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)，還是對(duì)后繼課程的學(xué)習(xí)，都具有十分重要的作用。

在本課程中，學(xué)生的主要任務(wù)為較系統(tǒng)地掌握氣動(dòng)技術(shù)的基本原理知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用方法。學(xué)生需要在系統(tǒng)性地掌握基本的理論知識(shí)基礎(chǔ)上，認(rèn)識(shí)到這門氣動(dòng)技術(shù)課程的工程價(jià)值，然后逐步通過實(shí)踐課程學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生將專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)際工程實(shí)踐相結(jié)合的能力，為后續(xù)課程和進(jìn)一步學(xué)習(xí)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)打下專業(yè)基礎(chǔ)，最終通過本課程教學(xué)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)與塑造。

本課程內(nèi)容主體將采用以理論授課與實(shí)戰(zhàn)教學(xué)相結(jié)合的模式。在理論課程中，將加強(qiáng)學(xué)生對(duì)氣動(dòng)技術(shù)概念、原理、應(yīng)用的理解，在指導(dǎo)學(xué)生完成理論學(xué)習(xí)的任務(wù)中把握知識(shí)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其求知欲與創(chuàng)造性思維的能力。在實(shí)踐課程中，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)及醫(yī)工交叉項(xiàng)目教學(xué)的模式，促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論授課內(nèi)容的理解，滿足學(xué)生對(duì)氣動(dòng)產(chǎn)品的理論、原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的認(rèn)識(shí)以適應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生能力的要求；通過項(xiàng)目引導(dǎo)、目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，深入貫徹“以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的高素質(zhì)人才為目標(biāo)”的教學(xué)指導(dǎo)思想。實(shí)施學(xué)生親自體驗(yàn)項(xiàng)目、產(chǎn)品開發(fā)過程的教學(xué)形式，全面提高學(xué)生的工程素養(yǎng)。

（二）教學(xué)形式

本課程將采用氣動(dòng)理論與實(shí)踐課程相結(jié)合的項(xiàng)目訓(xùn)練教學(xué)法，在教學(xué)計(jì)劃所規(guī)定的項(xiàng)目時(shí)間與教學(xué)規(guī)劃中，學(xué)生需要完成氣動(dòng)技術(shù)課程綜合實(shí)踐教學(xué)的三方面內(nèi)容。

①第一部分為氣動(dòng)技術(shù)課程基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。在本課程中將對(duì)氣壓技術(shù)理論知識(shí)進(jìn)行詳細(xì)介紹與學(xué)習(xí)，教學(xué)內(nèi)容部分主要包含：氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)、氣動(dòng)技術(shù)相關(guān)的熱力學(xué)理論、氣動(dòng)技術(shù)相關(guān)的流體力學(xué)理論、氣動(dòng)元件的流量特性、容器的充氣與放氣、管路內(nèi)的氣體流動(dòng)、壓縮空氣的能量、氣缸的運(yùn)動(dòng)特性及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)以及非定常流的測(cè)量與產(chǎn)生等。

②第二部分為基于基礎(chǔ)理論知識(shí)的氣動(dòng)技術(shù)實(shí)踐教學(xué)。本課程將在氣壓技術(shù)理論知識(shí)學(xué)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生通過搭建基礎(chǔ)氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)回路，對(duì)容器的充氣與放氣過程與管路內(nèi)的氣體流動(dòng)特性進(jìn)行詳細(xì)觀察與分析，然后進(jìn)行對(duì)相關(guān)氣動(dòng)元件的特性測(cè)試及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)中的流量測(cè)試數(shù)據(jù)、氣體壓力采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前的理論分析進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，滿足學(xué)生對(duì)氣動(dòng)產(chǎn)品的理論、原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的認(rèn)識(shí)以適應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生能力的要求。

③第三部分為基于學(xué)科交叉的氣動(dòng)技術(shù)實(shí)踐項(xiàng)目學(xué)習(xí)。在多學(xué)科交叉方面，基于教師團(tuán)隊(duì)的科研項(xiàng)目，搭建“咳痰樣機(jī)”“氣動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械通氣呼吸機(jī)樣機(jī)”設(shè)備供學(xué)生學(xué)習(xí)及做實(shí)驗(yàn)（圖1）。在該項(xiàng)目實(shí)踐學(xué)習(xí)中，著眼于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與綜合的工程實(shí)踐能力，構(gòu)建工程創(chuàng)新平臺(tái)，學(xué)生真正參與具有實(shí)際工程意義的項(xiàng)目實(shí)踐工作。通過項(xiàng)目訓(xùn)練教學(xué)法中的項(xiàng)目任務(wù)、項(xiàng)目評(píng)估、項(xiàng)目計(jì)劃、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目成果、項(xiàng)目評(píng)價(jià)的教學(xué)過程培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工程能力，學(xué)生在項(xiàng)目的不同階段發(fā)揮著不同的作用并鍛煉其相應(yīng)的能力，最終將項(xiàng)目過程與結(jié)果通過撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式進(jìn)行總結(jié)回顧。學(xué)生在該過程中通過對(duì)所遇問題的綜合分析，一方面鞏固和擴(kuò)充了基礎(chǔ)理論知識(shí)，另一方面動(dòng)手實(shí)踐能力也得到了鍛煉。

圖1 氣動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械通氣呼吸機(jī)樣機(jī)

（三）實(shí)踐內(nèi)容實(shí)例

1.基于基礎(chǔ)理論知識(shí)的氣動(dòng)技術(shù)實(shí)踐教學(xué)

開展了對(duì)氣壓技術(shù)課程中所學(xué)習(xí)的理論知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與對(duì)比教學(xué)，搭建了基于調(diào)速閥的容器充放氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.基于學(xué)科交叉的氣動(dòng)技術(shù)實(shí)踐項(xiàng)目

在本實(shí)踐部分中，教學(xué)目標(biāo)為通過項(xiàng)目訓(xùn)練教學(xué)法，基于教師團(tuán)隊(duì)的多學(xué)科交叉科研項(xiàng)目，搭建“咳痰樣機(jī)”“氣動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械通氣呼吸機(jī)樣機(jī)”等設(shè)備供學(xué)生學(xué)習(xí)及做實(shí)驗(yàn)。

四、教學(xué)改革成效

（一）學(xué)生正面積極的綜合評(píng)價(jià)

課程選課人數(shù)逐年增加，學(xué)生普遍反映上課效果較好。2016～2020年，本教學(xué)模式已實(shí)施3屆，學(xué)生對(duì)課程綜合評(píng)價(jià)非?？隙?，認(rèn)為“實(shí)例講得很好”“老師開展交叉學(xué)科的思路很棒，拓展了視野”“老師教學(xué)認(rèn)真仔細(xì)，激發(fā)學(xué)生思考，注重學(xué)生的動(dòng)手能力”。

（二）學(xué)生參加科技競(jìng)賽獲獎(jiǎng)

2名學(xué)生作為完成人獲得2016年中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，3名學(xué)生作為完成人獲得2019 年度中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，指導(dǎo)的研究生團(tuán)隊(duì)獲得北航研究生優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)。

（三）學(xué)生發(fā)表高水平論文

學(xué)生科研能力得到提升，在多個(gè)交叉領(lǐng)域中發(fā)表學(xué)術(shù)論文：在Int J Numer Method Biomed Eng，Bioinformatics等期刊上發(fā)表論文10余篇。

五、結(jié)束語(yǔ)

基于學(xué)科交叉的氣動(dòng)技術(shù)課程綜合實(shí)踐教學(xué)研究是對(duì)我國(guó)氣動(dòng)技術(shù)課程的一次重要教學(xué)改革，在深刻理解并掌握氣動(dòng)知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)現(xiàn)課程體系從單一到交叉融合的轉(zhuǎn)變，極大地?cái)U(kuò)充了教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從了解知識(shí)到實(shí)踐應(yīng)用的轉(zhuǎn)變；通過建立以多項(xiàng)醫(yī)用工程項(xiàng)目為實(shí)踐內(nèi)容的工程創(chuàng)新平臺(tái)提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，激發(fā)其創(chuàng)造性思維，促進(jìn)了我國(guó)高等教育的學(xué)科交叉方向教學(xué)改革，同時(shí)滿足現(xiàn)階段國(guó)家對(duì)綜合型人才培養(yǎng)的需求。