基于知識集成能力的實驗平臺的開發

李孝祿, 王文越, 王　旭, 吳　霞, 張　偉

(1. 中國計量學院　機電工程學院, 浙江 杭州　310018； 2. 浙江大學 海洋學院, 浙江 舟山　316021)

?

基于知識集成能力的實驗平臺的開發

李孝祿1, 王文越1, 王旭2, 吳霞1, 張偉1

(1. 中國計量學院機電工程學院, 浙江 杭州310018； 2. 浙江大學 海洋學院, 浙江 舟山316021)

結合專業教學計劃和課程教學大綱,明確實驗平臺改造方案,編寫基于知識集成能力的實驗指導書。該實驗平臺開發的實驗項目含有多門課程知識點,可以有效提高大學生知識集成能力。該研究為提升大學生創新能力提供了一條新思路。

專業知識集成； 實驗平臺； 實驗項目； 創新能力

創新是國家發展的動力,培養具有創新能力的人才是我國高等教育的重要使命[1]。特別是在“大眾創業,萬眾創新”的新形勢下,更需要培養大學生具有創新精神和創新能力。實驗能夠加深學生對理論的掌握,提高學生學習主動性,是培養大學生創新能力重要的一環[2]。很多理工科專業教學計劃中,實驗學時占總學時的比例不斷提高[3]。目前,開設的實驗類型有演示、驗證、綜合、設計等,主要目的是對理論進行驗證或利用已學知識進行系統或產品設計[4]。

總體來說,大多數實驗內容針對的是某門課程具體教學內容,沒有將已學課程相關知識有意識地融合到實驗中,未能很好地激發學生創新思維。特別是對高年級的大學生(大三、大四)來說,已學完公共課程、學科課程和部分專業課程,處于學習的“疲勞期”,對學過的知識容易出現遺忘或生疏,而專業課程的實驗平臺往往涉及較多基礎知識。如何通過專業課程的實驗平臺,利用和改造現有設備,開發新實驗項目,激發學生創新思維以便對知識主動集成,具有較強的知識集成能力,最終提高學生創新能力,是一個迫切需要解決的問題。

1　高年級大學生知識集成能力現狀

知識集成(knowledge integration)的概念是由Henderson 和Clark提出的,它是系統集成方法的核心和關鍵[5]。知識集成的目標是實現知識再利用,提高個人或組織的創新能力，它的內涵包括知識集成的對象、活動、過程、本質、目標等,目的是構建個人或組織的核心競爭力。知識集成具有4個效應:整合效應,知識整合后使系統形成新的功能；共享效應,整合后的知識在組織內共享和交流；協同效應,通過知識共享,促使各類知識協同發展,促使系統有序和創新；聚集效應和倍增效應,知識集成促使不同知識聚集,優勢互補并實現倍增效應[6]。知識集成能力是組織、整合和應用知識的動態能力,反映知識創新程度。提高大學生知識集成能力,有助于提高大學生創新能力[7]。

受社會環境、制度、傳統文化、個體差異和思維方式等的影響,我國大學生的知識集成能力不盡如人意,還有很大的提升空間。例如,我國大學普遍要求畢業學分達到160～180,課程較多,專業過細,學生忙于應付考試,忽視課程知識之間的組織和整合[8]。課程設置上,理論課時偏多,實驗(實踐)課時偏少,學生對概念的理解和掌握不深不透,一知半解,學習積極性也不高,影響學生整合知識和聚集知識。學生之間、師生之間用于討論和交流的時間較少,影響學生共享知識和再生知識。特別是高年級大學生,忙于就業、考研、出國等,對專業知識學習不夠,直接影響知識集成能力[9]。對大學而言,需要繼續加強高年級大學生的知識集成能力,把好關系到我國社會經濟長遠發展的大學生創新能力培養這一關。

本文針對機械電子工程專業課程的實驗平臺,通過改造開發出新的實驗項目,以此提高高年級大學生的知識集成能力。

2　原有實驗平臺及實驗項目

機械電子工程是將機械技術、電子技術、控制技術、信息技術等有機融合而形成的一門綜合性學科,涉及學科知識面廣,知識交叉性強。這就對機械電子工程專業培養的學生的知識集成能力有較高的要求。在機械電子工程專業的教學計劃中,一般是在大一、大二學習機械技術和電子技術,大二下學期和大三學習信息技術(主要是傳感、信號處理類課程)和控制技術,大三下學期和大四上學期學習專業課[10]。專業課往往涉及較多的機械技術、電子技術、控制技術和信息技術等的基礎知識,需要學生有扎實的基礎知識和知識集成能力。例如,“汽車電子技術”就是機械電子工程專業大四上學期開設的一門專業課。學生普遍反映這門課知識面廣,知識交叉性強,學起來較難,需要很強的知識集成能力才能學好。利用好這門課的實驗平臺對學好這門課起著十分重要的作用[11]。

2.1原有實驗平臺

原有實驗平臺為桑塔納3000防抱死制動系統(anti-braking system, ABS)實驗平臺,如圖1所示。該實驗平臺包括制動主缸、真空助力器、壓力調節器、制動輪缸、轉速傳感器、控制和顯示面板。兩前輪為鉗盤式制動,由一臺7 kW的變頻交流電機驅動前輪轉動。踩下制動踏板對車輪制動,但車輪在電機的帶動下可以按設定的速度轉動。

圖1　ABS實驗臺

2.2原有實驗項目

2.2.1ABS制動系統演示實驗

通過ABS制動系統結構的講解和工作過程的演示,了解ABS制動系統結構和工作原理,具體掌握制動主缸、真空助力器、壓力調節器、制動輪缸和轉速傳感器這5個典型部件的結構和工作原理。

2.2.2ABS制動系統控制過程實驗

在ABS制動系統演示實驗的基礎上,通過對車輪轉速信號、壓力調節器執行信號的讀取,了解和熟悉ABS制動系統工作原理和控制算法。

2.2.3ABS制動控制系統的設計

由2名研究者獨立篩選文獻、提取資料，并進行數據核對。若有分歧，進行協商并達成共識。提取資料的內容包括：（1）納入研究的基本信息：研究題目，第一作者，發表年限等；（2）研究對象的基本特征：如性別、年齡范圍等；（3）疾病特征：骨折部位、骨缺損的長度范圍、是否合并感染、占位器放置時間、占位器中添加抗生素情況等；（4）骨缺損愈合情況：骨折最終是否愈合，愈合時間，并發癥發生情況。

在上述2個實驗的基礎上,利用ABS制動系統實驗臺架設計簡單的ABS控制器和控制算法,實現ABS制動。

上述3個實驗項目性質分別為演示、驗證和設計實驗。前2個實驗為課內實驗項目,第三個實驗項目為課外科技活動、課程設計或畢業設計項目。學生完成這些實驗后,能較好地理解教材中“ABS制動系統”這一章的內容,但對學過的相關知識進行集成的作用有限。

3　基于知識集成能力的實驗平臺及實驗項目設計

結合專業教學計劃和課程教學大綱,以提高高年級學生知識集成能力為目的,對實驗平臺進行改造,對實驗項目進行設計,并編寫實驗指導書。

3.1改造實驗平臺

對桑塔納3000的ABS系統進行改裝,搭建實驗平臺,如圖2所示。在靠近制動輪缸的制動管路中安裝2個壓力變送器。2個壓力變送器的間隔距離(取壓距離)為1 m。壓力變送器采用瑞士KELLER公司生產的PA-25TAB/80087型壓力傳感器。在靠近制動輪缸的制動管路中安裝透明石英管,其長度為15 cm,內徑為4 mm。高速攝影系統采用德國Basler公司acA2000-165μm型高速攝像機,最大分辨率為2 048×1 024,最大幀頻為200 fps。照明光源采用3 200～5 500 kW雙色溫平板式LED聚光燈。同時,在石英管后面安裝硫酸紙,利用逆光照射提高拍攝質量。

圖2　改造實驗平臺

3.2新增實驗項目

通過測量制動管路中不同距離的壓力,根據互相關原理計算ABS制動系統壓力波傳播速度,了解液壓系統在不同工作條件(制動液含氣或不含氣)和運轉條件(制動液壓力和制動轉速)下的制動液壓力波傳播速度,理解液壓控制系統設計時對系統工作條件和運轉條件的要求。經計算,制動液含氣和不含氣條件下,制動液壓力波傳播速度分別可達125 m/s和1 100 m/s[12]。

3.2.2ABS制動管路中氣液兩相流流型的觀察

通過觀察制動管路中氣液兩相流流型,了解制動時氣阻產生原因,理解制動液含氣或不含氣對制動液壓力波傳播速度的影響。實驗中觀察到泡狀流、塞狀流、彈狀流和環狀流,如圖3所示。制動時為泡狀流[12]。

圖3　ABS制動管路中氣液兩相流流型

這2個實驗還涉及工程流體力學、傳感技術、檢測技術、液壓傳動、控制工程基礎等多門課程中的知識。根據實驗、討論和編寫的實驗指導書中的思考題,有意識引導學生理解相關概念,學生將這些知識和汽車電子技術課程的知識進行組織和整合,對這些知識的理解和掌握更加深刻,達到了知識的整合效應、共享效應、協同效應、聚集效應和倍增效應。例如,通過對ABS制動系統壓力波傳播速度的計算,對壓力傳感器原理、信號處理、檢測、流體、兩相流、流型、氣阻、氣穴、體積彈性模量、壓力波傳播速度、電磁閥原理、ECU等不同課程知識集成到ABS控制中來,概念更加清楚且產生有機聯系,知識集成能力明顯提高。

4　結語

實驗平臺在保留原有實驗項目的基礎上,通過改造升級,增加了“ABS制動系統壓力波傳播速度的測量”和“ABS制動管路中氣液兩相流流型的觀察”2個實驗項目,這2個實驗項目包含更多已學課程的知識,通過實驗、討論和學生自己思考等方式,更能提高學生的知識集成能力。意義在于基于知識集成能力的實驗平臺的設計,以教學理論指導實驗項目的設計,不但能利用已有實驗系統為大學生進行跨課程知識的集成,而且為探索提升高年級學生創新能力提供了一條新思路。

References)

[1] 李培根. 從根基上認識高等教育[J]. 高等教育研究,2009,30(8):33-37.

[2] 韓響玲,金一粟,穆克朗,等. 以實踐創新能力培養為核心 全面推進實驗室面向本科生開放[J]. 實驗技術與管理,2013,30(2):10-13,17.

[3] 榮華偉,錢小明,錢靜珠. 關于高校實驗室開放管理的探索與實踐[J]. 實驗技術與管理,2014,31(12):233-236.

[4] 劉利秋,盧艷軍. 關于工科專業實驗教學設計的探討[J]. 實驗技術與管理,2011,28(7):248-250.

[5] Henderson R M, Clark K B. Architectural innovation: The reconfiguration of existing product technologies and the failure of established firms[J]. Administrative Science Quarterly, 1990(35):9 -30.

[6] 蔡猷花,陳國宏. 知識集成研究綜述[J]. 研究與發展管理,2010,22(6):15-22.

[7] 李孝祿. 機械電子工程專業知識集成研究[J]. 中國電力教育,2013,279(20):44-45.

[8] 劉彥文,董巖. 近些年我國一流大學教學計劃特征分析[J]. 中國電力教育,2012(29):31，37.

[9] 賴小林,祝森志,陳艷雅. 廣東汕頭大學高年級學生心理健康及壓力調適研究[J]. 心理科學,2006,29(3):708-709.

[10] 王殿君,焦向東,王偉,等. 新版機械電子工程專業培養方案的研究與實踐[J]. 安徽師范大學學報:自然科學版,2010,33(1):39-42.

[11] 李迎,李孝祿. 《汽車電子技術》課程教學方法探討[J]. 廣西大學學報:哲學社會科學版,2009,31(S2):31-32.

[12] 戚雪珍. 汽車ABS制動液中氣液兩相流壓力波特性的研究[D]. 杭州:中國計量學院,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

浙江省自然科學基金項目(LY14E050023)；浙江省教育科學規劃項目(2011SCG130,2013SCG054)；浙江省新世紀高等教育教學改革項目(zc2010033)

李孝祿(1968—),男,湖北大悟,工學博士,副教授,主要從事汽車電子的教學和科研工作.

E-mail:lxl2006@cjlu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)3- 0016- 04