教案改革在《液氣壓傳動(dòng)》教學(xué)中的應(yīng)用研究

鄭莉芳 周曉敏 陳新華 鞏憲鋒 馮 明

（北京科技大學(xué) 北京 100083）

《液氣壓傳動(dòng)》課程是機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐認(rèn)知能力，實(shí)現(xiàn)在師生之間、生生之間對(duì)教學(xué)內(nèi)容的多向互動(dòng)、平等對(duì)話和積極研討，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生主動(dòng)參與課堂討論，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，改革教案結(jié)構(gòu)形式并對(duì)教案進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)就顯得至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為，對(duì)于液氣壓傳動(dòng)這一實(shí)踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，對(duì)教案的科學(xué)設(shè)計(jì)有利于實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐之間的應(yīng)用連接，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和科研素質(zhì)，因此，對(duì)教案改革是十分必要的。本文以《液氣壓傳動(dòng)》中“容積式液壓泵工作原理”為例，進(jìn)行一系列教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，使學(xué)生切身感受到工程類課程的魅力。

教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)可以分為知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。知識(shí)目標(biāo)為能夠用自己的話說(shuō)出容積式液壓泵的工作原理，總結(jié)出容積式液壓泵的工作三要素；能夠講述外嚙合齒輪泵的工作原理；能夠根據(jù)外嚙合齒輪泵中齒輪的運(yùn)動(dòng)方向判斷吸油口和壓油口。能力目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的分析能力，敢于設(shè)想、思考和修改，嘗試提出解決方法。素質(zhì)目標(biāo)為通過(guò)依次對(duì)容積式液壓泵和外嚙合齒輪泵工作原理的介紹，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立工程技術(shù)服務(wù)于工程應(yīng)用的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和綜合應(yīng)用的能力；在授課過(guò)程中，通過(guò)多次展示圖片和動(dòng)畫(huà)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生對(duì)液氣壓傳動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用熱情。

實(shí)施過(guò)程

（一）引入

通過(guò)問(wèn)題的形式，將本節(jié)課的內(nèi)容引入課堂。液壓泵是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力裝置，它把輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能，再輸出到系統(tǒng)中去。簡(jiǎn)言之，液壓泵是能量轉(zhuǎn)換元件。那么，液壓泵是如何將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能的呢？本環(huán)節(jié)的教案設(shè)計(jì)中，采用提出問(wèn)題的方法，讓學(xué)生感知泵作為動(dòng)力元件為液壓系統(tǒng)提供液壓能，領(lǐng)略到本節(jié)課學(xué)習(xí)的意義，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入課程學(xué)習(xí)。

（二）內(nèi)容講授

利用多媒體設(shè)備，以課件形式呈現(xiàn)講授內(nèi)容，添加小標(biāo)題，化繁為簡(jiǎn)，使講授內(nèi)容形成清晰的脈絡(luò)，以提高教學(xué)效果。

對(duì)容積式液壓泵工作原理的講授 對(duì)容積式液壓泵工作原理的講授可分為以下幾步進(jìn)行。首先，結(jié)合投影出的容積式液壓泵的工作原理圖 （如圖1所示），對(duì)其中的各個(gè)零部件進(jìn)行逐一介紹，為其工作原理的講授奠定基礎(chǔ)。其次，講授容積式液壓泵的工作原理。圖中柱塞2裝在缸體4中形成一個(gè)密封容積a，柱塞在彈簧3的作用下始終壓緊在偏心輪1上。原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪1旋轉(zhuǎn)使柱塞2作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使密封容積a的大小發(fā)生周期性的交替變化。當(dāng)a由小變大時(shí)就形成部分真空，使油箱中油液在大氣壓作用下，經(jīng)吸油管頂開(kāi)單向閥6進(jìn)入密封容腔a而實(shí)現(xiàn)吸油；反之，當(dāng)a由大變小時(shí)，密封容腔中吸滿的油液將頂開(kāi)單向閥5流向系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)壓油。這樣容積式液壓泵就將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能。原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪不斷旋轉(zhuǎn)，容積式液壓泵就不斷地吸油和壓油，為系統(tǒng)送去壓力油。最后，采取設(shè)問(wèn)的形式向?qū)W生提出問(wèn)題，根據(jù)容積式液壓泵工作原理的講解，讓學(xué)生總結(jié)容積式液壓泵工作的三個(gè)要素：可靠的工作密封容腔；密封工作容腔的容積能周期性變化；有配油裝置，吸油時(shí)與吸油口相通，壓油時(shí)與壓油口相通，吸壓油口永不相通。再次結(jié)合容積式液壓泵的工作原理圖，在圖中依次找到工作三要素，以加深學(xué)生對(duì)容積式液壓泵工作原理的理解和掌握。給學(xué)生留一道思考題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：圖中的兩個(gè)單向閥5和6，如果改變其安裝方向，容積式液壓泵還能正常工作嗎？為什么？在本環(huán)節(jié)的教案設(shè)計(jì)中，向?qū)W生展示了彩色動(dòng)畫(huà)圖，使枯燥的講授內(nèi)容變得生動(dòng)形象，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；在工作原理講授完之后，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出容積式液壓泵工作三要素，以培養(yǎng)學(xué)生的分析總結(jié)能力；之后給學(xué)生留一道思考題，旨在培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題的好習(xí)慣，使學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力得到提高。

圖1 容積式液壓泵工作原理圖

對(duì)外嚙合齒輪泵工作原理的講授 對(duì)外嚙合齒輪泵工作原理的講授，可分為以下幾步進(jìn)行。直接投影出外嚙合齒輪的結(jié)構(gòu)解剖圖（如圖2所示），介紹其基本組成為一對(duì)外嚙合齒輪、泵體、前泵蓋、后泵蓋、傳動(dòng)軸。此處將外嚙合齒輪結(jié)構(gòu)的解剖圖直觀展示在學(xué)生面前，使學(xué)生對(duì)其結(jié)構(gòu)能夠快速理解，為其工作原理的講授做好準(zhǔn)備。然后，以設(shè)問(wèn)的形式向?qū)W生提問(wèn)：作為典型的容積式液壓泵，外嚙合齒輪泵是如何實(shí)現(xiàn)吸油和排油的呢？這時(shí)，將動(dòng)畫(huà)式外嚙合齒輪泵的工作原理圖投影出來(lái)，同時(shí)，復(fù)述容積式液壓泵的工作三要素，采取循序漸進(jìn)的方法，引導(dǎo)學(xué)生從容積式液壓泵工作三要素的角度來(lái)分析外嚙合齒輪泵的工作原理，為下面的教學(xué)內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。這種提示方法使學(xué)生感知到自己已經(jīng)掌握了分析外嚙合齒輪泵工作原理的理論知識(shí)，從而產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。從容積式液壓泵的工作三要素的角度來(lái)分析外嚙合齒輪泵的工作原理。首先分析外嚙合齒輪泵的密封容腔是如何形成的。如圖3所示，泵體的內(nèi)曲面、兩個(gè)齒輪的齒頂、還有前后端蓋就構(gòu)成了密封容腔，同時(shí)，嚙合輪齒的嚙合線，將齒輪泵的密封容腔一分為二，左右各一個(gè)密封容腔。接著，分析密封容腔的體積是如何進(jìn)行周期性變化的。結(jié)合投影出的動(dòng)畫(huà)圖，引導(dǎo)學(xué)生來(lái)觀察，當(dāng)齒輪在傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下按圖中方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，左側(cè)輪齒退出嚙合，右側(cè)輪齒進(jìn)入嚙合。退出嚙合的一側(cè)，輪齒從齒間退出，使左側(cè)密封容積變大，形成局部真空，壓力降低，油箱中的油液在外界大氣壓的作用下，經(jīng)吸油管路和吸油口進(jìn)入齒間，實(shí)現(xiàn)了泵的吸油過(guò)程，相應(yīng)地，就左邊的密封容腔為吸油腔。隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)，吸入齒間的油液被旋轉(zhuǎn)的齒輪帶到右側(cè)，右側(cè)的齒輪進(jìn)入嚙合，也就是輪齒進(jìn)入齒間，使密封容積減小，壓力升高，齒間的部分油液在高壓下被擠出，從壓油口排出送往系統(tǒng)，這就實(shí)現(xiàn)了泵的壓油過(guò)程。同樣，右邊的密封容腔稱之為壓油腔。當(dāng)齒輪泵的主動(dòng)齒輪在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下不斷旋轉(zhuǎn)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了齒輪泵左側(cè)吸油腔的不斷吸油和右側(cè)壓油腔的不斷壓油，源源不斷地向系統(tǒng)供油。外側(cè)的輪齒進(jìn)入嚙合狀態(tài)，相對(duì)應(yīng)的油口就是—壓油口，內(nèi)側(cè)的輪齒必然是退出嚙合狀態(tài)的，相對(duì)應(yīng)的油口就是—吸油口。最后，筆者將分析外嚙合齒輪泵的配油裝置。外嚙合齒輪泵在吸油和壓油過(guò)程中，其一對(duì)嚙合輪齒的嚙合線將吸油口和壓油口隔開(kāi)，使二者永不相通，起到了配油作用。在教案設(shè)計(jì)時(shí)，此處采用了圖片展示、動(dòng)畫(huà)展示、講述等多種方式結(jié)合的方法，使教學(xué)內(nèi)容變的更加直觀，變抽象教學(xué)為形象教學(xué)，使學(xué)生透徹理解教學(xué)內(nèi)容，有利于下一步教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)行。同時(shí)，在講述過(guò)程中，與容積式液壓泵的工作三要素相呼應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生去尋找外嚙合齒輪泵的工作三要素，使學(xué)生清晰地理解和掌握外嚙合齒輪泵的工作原理。投影出一張立體動(dòng)畫(huà)圖（如圖4所示），讓學(xué)生根據(jù)圖中外嚙合齒輪主動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)方向，判斷哪個(gè)是泵的吸油口，哪個(gè)是壓油口。在學(xué)生回答問(wèn)題的過(guò)程中順次投影出 “吸油”和吸油箭頭、壓油和壓油箭頭。在此教案設(shè)計(jì)中，通過(guò)提問(wèn)的方式與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，活躍課堂氣氛；鼓勵(lì)學(xué)生大膽想象，讓學(xué)生正確應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，使學(xué)生體驗(yàn)成功的喜悅，點(diǎn)燃進(jìn)一步學(xué)習(xí)的激情，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行工程應(yīng)用的信心。

圖2 外嚙合齒輪結(jié)構(gòu)解剖圖

圖3 外嚙合齒輪泵工作原理圖

圖4 外嚙合齒輪泵工作原理圖

對(duì)講授內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié) 課程內(nèi)容講授完畢后，將所講授內(nèi)容以課件形式進(jìn)行重復(fù)播放，播放時(shí)簡(jiǎn)要復(fù)述本節(jié)主要內(nèi)容，課件被“重復(fù)”利用，增強(qiáng)了教學(xué)效果。同時(shí)，要求學(xué)生閱讀教材，對(duì)容積式液壓泵工作原理和外嚙合齒輪泵工作原理進(jìn)行強(qiáng)化理解。最后，需給學(xué)生留一些問(wèn)題。任何機(jī)器都不是完美的，外嚙合齒輪泵也毫不例外，齒輪泵的結(jié)構(gòu)和工作原理決定了它在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在一些哪樣的問(wèn)題？針對(duì)這些問(wèn)題該采取什么措施進(jìn)行控制呢？這將是下一節(jié)的講授內(nèi)容。對(duì)學(xué)生提出了這些問(wèn)題，旨在留給學(xué)生一個(gè)想象的空間，激勵(lì)學(xué)生在課后對(duì)下一節(jié)課的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)。

結(jié)語(yǔ)

作為機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，需要對(duì)《液氣壓傳動(dòng)》的教學(xué)形式進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和分析，以達(dá)到滿意的教學(xué)效果。在課件準(zhǔn)備時(shí)，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)盡量使用教材中的資料以保證教學(xué)內(nèi)容的嚴(yán)謹(jǐn)性，同時(shí)要大量收集和制作資料并進(jìn)行反復(fù)修改，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的生動(dòng)性和趣味性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在課程講授過(guò)程中，多次采用提問(wèn)的講授方式，既能給學(xué)生留下思考的余地，也讓學(xué)生體會(huì)到答出問(wèn)題的喜悅，培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)利用多媒體將生動(dòng)多彩的動(dòng)畫(huà)和圖片引入課堂，學(xué)生在課堂上便能將課本講授內(nèi)容與實(shí)物對(duì)應(yīng)起來(lái)，使課堂內(nèi)容變得更加生動(dòng)形象，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的實(shí)踐認(rèn)知能力，有助于學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。通過(guò)對(duì)“液壓泵的工作原理”教案的設(shè)計(jì)、分析和實(shí)施，在教學(xué)過(guò)程中體現(xiàn)三位目標(biāo)的有機(jī)整合，取得了良好的教學(xué)效果。

[1]姜繼海，宋錦春，高常識(shí).液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]趙芳，郭新榮.淺談液壓傳動(dòng)技術(shù)教學(xué)改革[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2006，87（1）：22-24.

[3]姚春東，高殿榮，劉勁軍.液壓與氣壓傳動(dòng)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].教學(xué)研究，2006，29（2）：155-156.