“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的探索與實(shí)踐

吳 海 榮

(聊城大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 聊城 252000)

0 引 言

液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用在機(jī)床、工程機(jī)械、汽車等各行各業(yè)，是自動(dòng)化技術(shù)不可缺少的手段[1-2]，所以“液壓與氣壓傳動(dòng)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課[3-5]。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)除掌握液壓與氣壓傳動(dòng)的基礎(chǔ)知識，各種元件的工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用和選用方法等基本理論知識[6]外，還必須具有初步設(shè)計(jì)液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和分析閱讀系統(tǒng)圖的能力[7]，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程、解決生產(chǎn)實(shí)際問題和開展科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。因此，本課程的教學(xué)過程中，在注重理論內(nèi)容的同時(shí)，還應(yīng)注重對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是重要方式之一，它對于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力具有特殊作用[8]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理工類本科人才實(shí)踐能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

本文從實(shí)驗(yàn)的基本要素入手，敘述了“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程實(shí)驗(yàn)的目的與要求，針對該課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系的不足，分析了增設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的重要性，并從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、操作、報(bào)告填寫、成績評定等方面重點(diǎn)介紹了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)施過程。

1 課程實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求

1.1 實(shí)驗(yàn)基本要素

實(shí)驗(yàn)的基本要素有“實(shí)驗(yàn)者、實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)對象”[9]。實(shí)驗(yàn)者是指從事實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作和數(shù)據(jù)處理等的工作人員。也就是說，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)者應(yīng)該是學(xué)生，他作為認(rèn)識的主體，應(yīng)該是整個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中最活躍、最關(guān)鍵的因素。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)者學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能幫助實(shí)驗(yàn)者學(xué)生加深理解實(shí)驗(yàn)所涉及的基本概念，鞏固所學(xué)理論知識，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)到基本的實(shí)驗(yàn)理論和實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力[10]。因此，“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程實(shí)驗(yàn)的目的是加深學(xué)生對液壓與氣壓傳動(dòng)理論知識的理解，提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識分析和解決實(shí)際問題的能力及良好工作素質(zhì)。具體要求學(xué)生通過“液壓與氣壓傳動(dòng)”實(shí)驗(yàn)，掌握基本參數(shù)的測量方法、元件和回路的性能實(shí)驗(yàn)和分析方法，熟悉常見基本回路的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，學(xué)會分析和排除系統(tǒng)常見故障、正確處理數(shù)據(jù)和表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。

2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的重要性

2.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系的不足

“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有元件拆裝實(shí)驗(yàn)、液壓泵性能實(shí)驗(yàn)、節(jié)流調(diào)速回路性能實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)開始前便能夠確切預(yù)知實(shí)驗(yàn)結(jié)果或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象，所以都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[11]，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖谴偈箤W(xué)生進(jìn)一步掌握和鞏固所學(xué)理論知識。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程通常是，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師講解、操作、演示，而學(xué)生只是觀察，偶爾個(gè)別學(xué)生操作也是嚴(yán)格按照老師既定的步驟進(jìn)行，因而實(shí)驗(yàn)過程也只是通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備來加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)所涉及知識的理解，而無法培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識。解決這些問題的一個(gè)主要方式是增設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

2.2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的重要性

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識，在實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和開展實(shí)驗(yàn)的過程，且在實(shí)驗(yàn)開始前，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象能夠基本預(yù)知的實(shí)驗(yàn)[11]。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的目的，除讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解知識理論外，更主要地是培養(yǎng)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)理論和實(shí)驗(yàn)方法，提高獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)的能力。因此，通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，能鍛煉學(xué)生的綜合分析能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)處理能力和查閱資料的能力，提高學(xué)生在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、探索創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神，一些國內(nèi)外的教育專家、學(xué)者們有這方面的研究和論述[12-14]。對于機(jī)械類專業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才有非常重要的意義。

通常情況下，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生經(jīng)過常規(guī)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，即在學(xué)生掌握了一定的實(shí)驗(yàn)技能和方法，經(jīng)歷了一個(gè)由淺入深的實(shí)踐過程之后開設(shè)的高層次實(shí)驗(yàn)。因此，從本質(zhì)上而言，相對于基礎(chǔ)、傳統(tǒng)、內(nèi)容單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)而言，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)應(yīng)是具有現(xiàn)代、復(fù)合、先進(jìn)、時(shí)代和創(chuàng)新特性的實(shí)驗(yàn)，是為適應(yīng)時(shí)代、技術(shù)需求和發(fā)展，對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行的必然改革和補(bǔ)充，符合事物認(rèn)知探尋的發(fā)展規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)能力培養(yǎng)目標(biāo)的重要手段。

液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)的理論基礎(chǔ)源于力學(xué)，而常用元件的結(jié)構(gòu)工作原理和性能部分實(shí)踐性較強(qiáng)[15]，其典型系統(tǒng)實(shí)例和系統(tǒng)設(shè)計(jì)則更是密切聯(lián)系實(shí)際的內(nèi)容，因此，在液壓與氣壓傳動(dòng)課程中增設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，是培養(yǎng)學(xué)生工程意識，提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的重要途徑之一，也是深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量的重要措施之一。

3 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

一個(gè)完整的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施，需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫、實(shí)驗(yàn)成績評定等過程。現(xiàn)以液壓傳動(dòng)電磁換向回路設(shè)計(jì)為例來分析設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的具體教學(xué)過程。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前提。為保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師和學(xué)生均需做細(xì)致的準(zhǔn)備工作。

3.1.1實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師

(1) 印刷書面材料。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師需根據(jù)教學(xué)目標(biāo)提出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，并介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)備等條件。在液壓傳動(dòng)電磁換向回路等設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，通常采用QCS014A裝拆式液壓教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該實(shí)驗(yàn)臺采用液壓元件拆裝式，可用快換接頭和膠管將所選元件連接成多種油路[16]，非常適合設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求。因此，為保證學(xué)生清晰了解這些內(nèi)容，我們將實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、?shí)驗(yàn)臺及其主要元件等內(nèi)容印刷成書面材料分發(fā)給學(xué)生，這樣可有利于學(xué)生在滿足實(shí)驗(yàn)要求的前提下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件確定實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法。

(2) 檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師應(yīng)檢查液壓教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺等設(shè)備，保證設(shè)備及其元件齊全、運(yùn)行狀態(tài)良好。同時(shí)，將設(shè)備的功能、原理、元件名稱、操作方法及注意事項(xiàng)等印刷成冊放在實(shí)驗(yàn)臺上，以備學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用。

(3) 開放實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室開放是自主學(xué)習(xí)方式的基礎(chǔ)，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)潛力的發(fā)揮，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和人才的個(gè)性化發(fā)展[17]。因此，為方便學(xué)生自主性學(xué)習(xí)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，學(xué)院開放液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施提供了一種開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和必要條件。學(xué)生可預(yù)約到實(shí)驗(yàn)室熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備或進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)摸索條件。通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自由探索, 讓他們體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的快樂, 體現(xiàn)了以學(xué)生發(fā)展為本和學(xué)習(xí)個(gè)性化的教育教學(xué)理念。開放期間，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師或?qū)嶒?yàn)員應(yīng)現(xiàn)場隨時(shí)解答學(xué)生的問題。

(4) 批閱預(yù)習(xí)報(bào)告。學(xué)生預(yù)習(xí)報(bào)告的書寫情況，可充分反映學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)是否做了充足的準(zhǔn)備、認(rèn)識是否正確等。因此，在正式實(shí)驗(yàn)開始前，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師需通過批閱學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告來檢查學(xué)生預(yù)習(xí)情況。對于液壓傳動(dòng)電磁換向回路實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)檢查的內(nèi)容是液壓元件的選用、繪制的實(shí)驗(yàn)原理圖和擬定的實(shí)驗(yàn)步驟。對不符合設(shè)計(jì)規(guī)范或不安全可靠的學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師要及時(shí)提出指導(dǎo)性建議。

3.1.2實(shí)驗(yàn)學(xué)生

(1) 復(fù)習(xí)理論知識。理論知識是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)順利開設(shè)的理論基礎(chǔ)，所以學(xué)生應(yīng)根據(jù)下發(fā)的書面材料，熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求、?nèi)容等，并對實(shí)驗(yàn)用到的理論知識進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固。

(2) 熟悉實(shí)驗(yàn)條件。實(shí)驗(yàn)設(shè)備等實(shí)驗(yàn)條件是學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的有力工具，因此學(xué)生應(yīng)認(rèn)真熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其元件，并重點(diǎn)掌握設(shè)備原理、實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)和注意事項(xiàng)等。

(3) 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)方案能全面綜合地反映學(xué)生的理論知識、實(shí)驗(yàn)技能、思維過程及書面表達(dá)能力。因此，學(xué)生應(yīng)運(yùn)用已掌握的基本知識和實(shí)驗(yàn)技能等進(jìn)行獨(dú)立思考，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理圖和具體方案，擬定實(shí)驗(yàn)步驟，選定液壓元件等，并設(shè)想實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)結(jié)果，必要時(shí)可以預(yù)約到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。

(4) 填寫預(yù)習(xí)報(bào)告。為方便實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師檢查學(xué)生對該設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知程度，我們要求學(xué)生將實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求、設(shè)備、原理、擬定方案和步驟等填寫在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告中，并及時(shí)交予老師批閱。對于批閱后需要完善的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，要在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過程前完成修改。

3.2 實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作

按照擬定的實(shí)驗(yàn)方案和步驟獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作，是學(xué)生完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，也是衡量學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能高低的重要標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)過程應(yīng)包含以下工作：

3.2.1實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師

(1) 強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)。在學(xué)生實(shí)際操作前，指導(dǎo)老師要提醒學(xué)生注意人身及設(shè)備安全，主要包括①安裝調(diào)試系統(tǒng)時(shí)，不要損壞元件，并注意提高系統(tǒng)效率；②系統(tǒng)壓力不要調(diào)節(jié)過大，本實(shí)驗(yàn)臺工作壓力在6.3 MPa以下[16]；③安裝完畢后，應(yīng)仔細(xì)校對回路和元件是否正確，經(jīng)教師同意后才可開機(jī)。

(2) 檢查實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中，指導(dǎo)老師應(yīng)觀察學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作。①檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，并對影響設(shè)備和人身安全的操作及時(shí)制止；②根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況適時(shí)提問，以檢查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)知識的理解掌握情況和創(chuàng)新意識。

3.2.2實(shí)驗(yàn)學(xué)生

(1) 實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生應(yīng)按照擬定的實(shí)驗(yàn)方案獨(dú)立完成操作，其基本步驟是：①按照設(shè)計(jì)好的液壓回路原理圖，用液壓膠管總成在QCS014實(shí)驗(yàn)臺上搭建回路；②起動(dòng)主機(jī)，進(jìn)入萬能自編界面，按事先設(shè)計(jì)好電磁閥的動(dòng)作順序表分別將電磁鐵按要求通斷；③搭建好的回路必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師檢查，以確認(rèn)無誤且回路完全符合實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)?zāi)康模虎芷饎?dòng)實(shí)驗(yàn)臺，并進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)操作。

(2) 實(shí)驗(yàn)記錄。實(shí)驗(yàn)記錄是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要依據(jù)，因此，學(xué)生應(yīng)仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、認(rèn)真采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并實(shí)事求是地做好原始記錄。若發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與設(shè)想的差別極大、或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)異常等問題，要細(xì)致分析，查找原因并及時(shí)解決。實(shí)驗(yàn)記錄由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師簽字認(rèn)可后方為有效。

3.3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫

學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作完還需撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這樣可有效訓(xùn)練學(xué)生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達(dá)能力，具體內(nèi)容有：

(1) 實(shí)驗(yàn)分析。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，將所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果和正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及步驟一起填寫在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。

(2) 實(shí)驗(yàn)總結(jié)。根據(jù)相關(guān)理論知識對所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋和分析，包括實(shí)驗(yàn)成功和失敗的原因，實(shí)驗(yàn)后的心得體會、建議等，并將這些內(nèi)容簡要書寫在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。

3.4 實(shí)驗(yàn)成績評定

合理評定實(shí)驗(yàn)成績，是搞好設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。所以，一些研究人員在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評定方面的研究。為使成績評定既科學(xué)合理又簡便可行，我校“液壓與氣壓傳動(dòng)”設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)成績采用百分制，并以實(shí)驗(yàn)的不同階段來劃定，具體評定方法如表1所示。這種評定方法有助于學(xué)生反思和調(diào)控自己的學(xué)習(xí)過程，從而促進(jìn)操作能力的不斷發(fā)展，所以它能綜合反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量等，并能重點(diǎn)突出對學(xué)生實(shí)踐能力的評價(jià)。

表1 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)成績評定方法

4 結(jié) 語

為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體水平，聊城大學(xué)把設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究、設(shè)計(jì)、實(shí)施作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一項(xiàng)重要課題。實(shí)踐證明，“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程合理增設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)并正確實(shí)施，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，更重要的是讓學(xué)生感受到了該課程理論知識的嚴(yán)謹(jǐn)性和在實(shí)踐中的應(yīng)用，有利于學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，將使他們終生受益。

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