理實一體化教學(xué)模式在氣動工程訓(xùn)練中的應(yīng)用

趙慧玲　劉潤　孫帥　朱先勇　孫愛軍

摘 要 在高等教育工程訓(xùn)練氣動教學(xué)環(huán)節(jié)中，采用理實一體化教學(xué)模式開展教學(xué)活動。在教學(xué)過程中以基本氣動回路為主要教學(xué)內(nèi)容，對學(xué)生提出設(shè)計要求，增加學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。結(jié)合基本理論與實踐操作，豐富工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容，提高工程訓(xùn)練教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 氣動回路；理實一體化；氣動實訓(xùn)

中圖分類號：G642.44 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2014）04-0119-03

1 引言

機電一體化等相關(guān)專業(yè)的高等教育過程應(yīng)以服務(wù)為宗旨，以就業(yè)為導(dǎo)向，以生產(chǎn)實踐教學(xué)為培養(yǎng)手段，以提高實踐能力為培養(yǎng)目標(biāo)，為車輛、食品、機械等制造性行業(yè)培養(yǎng)有工程素養(yǎng)、有實踐技能的一線優(yōu)秀操作與指導(dǎo)人員。工程訓(xùn)練是工科學(xué)生在高等教育階段最重要的實踐環(huán)節(jié)，在應(yīng)用型復(fù)合人才培養(yǎng)過程中具有不可替代的位置。氣壓傳動是以壓縮空氣為工作介質(zhì)來傳遞動力的控制信號的一門自動化技術(shù)。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化技術(shù)的發(fā)展，氣壓傳動在工業(yè)生產(chǎn)的各部分得到了廣泛的應(yīng)用。

氣壓傳動實訓(xùn)是現(xiàn)代工程訓(xùn)練中比較新穎的實踐性教學(xué)模塊，是對學(xué)生進行機電一體化專業(yè)工程實踐能力培訓(xùn)的重要過程，其教學(xué)成果可完善現(xiàn)代工程訓(xùn)練體系，提高高等教育的教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)水平。

目前國內(nèi)部分高校因經(jīng)費缺少、重視程度不夠等原因，氣壓傳動實訓(xùn)環(huán)節(jié)在各高校中開展的并不多。特別是在一些重點院校中，大量的教育經(jīng)費被分配到了實驗室等教學(xué)環(huán)節(jié)，而對于與生產(chǎn)實際緊密聯(lián)系的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)投入明顯不足。

為了解決上述問題，本文提出理實一體化教學(xué)模式下的氣動工程訓(xùn)練教學(xué)方式，以工程實訓(xùn)教學(xué)為背景，引入氣動教學(xué)內(nèi)容，改善傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)模式，對實訓(xùn)教學(xué)方案進行創(chuàng)新和改進。給學(xué)生提供充分的發(fā)揮空間，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才提供技術(shù)支持和開展平臺。

2 理實一體化氣動工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練教學(xué)過程中，對氣壓傳動等實用性強的新型實訓(xùn)內(nèi)容并不重視，開展教學(xué)活動的高校十分少見，教學(xué)內(nèi)容也并不規(guī)范。理實一體化氣動工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容在以往教學(xué)模式基礎(chǔ)上進行改進，結(jié)合實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中最有利于學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容要求的方式展開教學(xué)活動。

氣動工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容設(shè)計如下。

教學(xué)主題：氣壓傳動工程實訓(xùn)的操作與設(shè)計。

教學(xué)目標(biāo)：掌握氣壓傳動基本物理知識；掌握氣動控制元件的原理及特點；掌握連接簡單氣動回路的方法；掌握簡單氣動回路的設(shè)計方法。

教學(xué)情境：教師講解為基本形式，講解過程中穿插學(xué)生日常生活實際中常見的各類氣壓傳動案例。

教學(xué)形式：歸納式、實踐活動式等。

教學(xué)用具：氣源裝置、氣缸、方向控制閥、節(jié)流閥，連接管若干。

教學(xué)步驟：1）通過講解、示范演示的方式使學(xué)生了解氣壓傳動的基本工作原理；2）指導(dǎo)學(xué)生自行連接壓力控制回路、速度控制回路、往復(fù)動作回路、順序動作回路、延時動作回路等氣動基本回路；3）指導(dǎo)學(xué)生以二位五通手動換向閥的排氣節(jié)流速度控制回路為基礎(chǔ)，設(shè)計不同要求的氣動控制回路。

教學(xué)課時：4課時/機械類，3課時/非機械類。

教學(xué)思路：通過講解、操作等教學(xué)活動，學(xué)生可以理解各基本氣動回路的工作原理。

教學(xué)流程如圖1所示。教學(xué)過程中的主要內(nèi)容可根據(jù)具體情況進行選擇。例如，單作用氣缸速度控制回路如圖2所示；順序動作回路如圖3所示。

3 理實一體化氣動工程訓(xùn)練的教學(xué)實例

本文以二位五通手動換向閥的排氣節(jié)流速度控制回路及其等效回路的設(shè)計為例，采用理實一體化教學(xué)法，在工程實訓(xùn)過程中對學(xué)生進行基本工程訓(xùn)練。

所需元件：一個氣缸、一個二位五通手動換向閥、兩個節(jié)流閥、若干根連接管。

教師操作：連接系統(tǒng)。首先把二位五通手動換向閥的進氣孔P接到氣源上，二位五通手動換向閥上的出氣孔A接到氣缸的下端，另外一個出氣孔B接到氣缸的上端，排氣孔O1、O2各接一個節(jié)流閥。回路連接結(jié)構(gòu)如圖4所示。

回路分析（講解）：打開氣源（壓縮空氣），看圖中的原始狀態(tài)是P→B通，A→O1通。即：壓縮空氣由P孔進入從B孔出來直接進入氣缸的上端，活塞桿下降，下降的同時氣缸里面活塞底部的氣體由氣缸下端的孔排出到二位五通手動換向閥的A孔，再然后到O1，調(diào)節(jié)O1側(cè)的節(jié)流閥，控制氣缸下端排出氣體的量，排氣的量直接影響氣缸上端進氣的量，從而就會看到氣缸下降的速度發(fā)生變化，氣缸運行速度的快慢取決于節(jié)流閥調(diào)節(jié)的大小。

教學(xué)互動：問答形式。讓學(xué)生思考問題：如何實現(xiàn)氣缸上升？

教師操作：換向，即動一動二位五通手動換向閥的小手柄。

現(xiàn)象分析：二位五通手動換向閥換向到了另一檔位上，進氣孔P不再和B通而是與A通（即P→A，B→O2）， 這時氣源的氣體（壓縮空氣）就進入到了氣缸的下端，活塞桿上升，活塞上部的氣體由氣缸上端的孔排出到二位五通手動換向閥的另外一個出氣孔B，再然后到O2。調(diào)節(jié)O2側(cè)的節(jié)流閥，控制氣缸上端排出氣體的量，排氣的量直接影響氣缸下端進氣的量，就會看到氣缸上升的速度發(fā)生變化。

教學(xué)總結(jié)：此回路中氣缸上升與下降的進氣量沒有受到任何元件的限制，氣缸的運行無論是上升還是下降，之所以產(chǎn)生速度變化是原因氣缸兩個方向排出氣體的量分別受到兩個節(jié)流閥的限制，調(diào)節(jié)各節(jié)流閥氣缸運行的速度隨之發(fā)生變化——排氣節(jié)流速度控制回路。

創(chuàng)新設(shè)計：給學(xué)生提供基本元件，按教師要求對氣動回路進行設(shè)計。

1）設(shè)計要求：用二位四通手動換向閥代替二位五通手動換向閥。答案如圖5所示。

教學(xué)總結(jié)：用二位四通手動換向閥代替二位五通手動換向閥同樣可以做出排氣節(jié)流速度控制回路。

思考題：二位四通手動換向閥做出的排氣節(jié)流速度回路與用二位五通手動換向閥做排氣節(jié)流速度回路的區(qū)別在哪里？

解答：顯然用二位四通手動換向閥做出的排氣節(jié)流速度回路氣缸上升、下降的速度是一致的，因為二位四通手動換向閥只有一個排氣孔。二位五通手動換向閥做的排氣節(jié)流速度回路上升、下降的速度是不一致的，因為二位五通手動換向閥有O1、O2兩個排氣孔。

2）設(shè)計要求：用二位五通手動換向閥做出的排氣節(jié)流速度回路達到二位四通手動換向閥做出的排氣節(jié)流速度回路的效果。

方案1：把圖4的O1、O2兩側(cè)的節(jié)流閥調(diào)等量。

方案2：在二位五通手動換向閥的O1、O2位置接一個三通，整個回路接一個節(jié)流閥，如圖6所示。

4 理實一體化氣動工程訓(xùn)練教學(xué)的預(yù)期效果

理實一體化氣動工程訓(xùn)練教學(xué)的教學(xué)模式旨在使理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合。密切結(jié)合教授與工程實踐的合作，相互學(xué)習(xí)，共同提高。將實踐教學(xué)同理論教學(xué)結(jié)合起來，讓學(xué)生直接參與到生產(chǎn)實踐中，在實踐操作過程中帶著設(shè)計目標(biāo)，使學(xué)生真正理解理論知識，掌握氣壓傳動的基本原理、工作過程等，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在學(xué)習(xí)、實踐及總結(jié)的過程中提高能力，達到事半功倍的教學(xué)效果。通過教學(xué)互長的形式，積極互動，探討創(chuàng)新，在教學(xué)中將理論與實踐相結(jié)合，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新、研發(fā)能力，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題的綜合能力，使課堂的教學(xué)質(zhì)量和效率得到更大幅度的提高。

理實一體化氣動工程訓(xùn)練教學(xué)成果應(yīng)用到工程訓(xùn)練中心氣動教學(xué)模塊當(dāng)中，計劃開設(shè)兩學(xué)時的實踐/實驗教學(xué)課程，每年可承擔(dān)5000人次的教學(xué)任務(wù)。本教學(xué)模式的成果不但可以大大降低工程訓(xùn)練的教學(xué)成本，還增加了實訓(xùn)內(nèi)容，擴充工程訓(xùn)練內(nèi)容，達到較好的教學(xué)效果。

本設(shè)計成果可應(yīng)用于機械、汽車、材料、交通、管理、通信、電子、儀電、生物與農(nóng)業(yè)等學(xué)科本科生的工程實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)。此外，本設(shè)計成果也可用于高等教育本科生教學(xué)階段高年級學(xué)生的生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)過程。

5 結(jié)論

提出一種新的理實一體化氣動工程訓(xùn)練教學(xué)解決方案，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計、創(chuàng)新等綜合能力，提高工程訓(xùn)練教學(xué)質(zhì)量。對原始的氣動教學(xué)經(jīng)過改革創(chuàng)新，結(jié)合教學(xué)實踐，用教學(xué)的實際案例在氣動工程訓(xùn)練教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生的開創(chuàng)性思維，調(diào)動學(xué)生的動手操作積極主動性，培養(yǎng)更多理論能力扎實、工程實踐能力強的機電一體化復(fù)合型人才。

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