面向應用型人才培養(yǎng)的液壓傳動項目化教學

王健

摘要：液壓傳動是一門各高校機械或機電相關(guān)類專業(yè)主修的專業(yè)課程，與工程應用聯(lián)系緊密。本文以“應用型”人才培養(yǎng)模式為導向，基于工程教育認證的能力培養(yǎng)要求，對液壓傳動課程的教學改革展開研究，構(gòu)建基于知識點項目化的教學體系，整合優(yōu)化教學內(nèi)容，著重突出知識點的工程應用及新技術(shù)成果;搭建液壓傳動課程工程項目化的技能訓練情境，培養(yǎng)學生問題分解和處理的能力;強化實踐教學環(huán)節(jié)，重視工程能力的培養(yǎng)，建立構(gòu)建層級遞進式實驗教學體系。

關(guān)鍵詞：液壓傳動;應用型;人才培養(yǎng);項目化

0 ?引言

在全球智能化快速發(fā)展以及貿(mào)易保護主義抬頭的大環(huán)境下，我國提出了“中國制造2025”的重大發(fā)展戰(zhàn)略，全面推進我國制造業(yè)向工業(yè)4.0智能制造的目標前進。液壓傳動技術(shù)在這一過程中扮演著尤為重要的角色[1]，它是一種基于帕斯卡原理建立的傳動技術(shù)，相對于機械傳動功率密度高、運動平穩(wěn)，且能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的無級調(diào)速。從工程機械到農(nóng)業(yè)機械，從汽車制造到航天制造，從民用設備到國防裝備，90%以上的機械設備都離不開液壓進行傳動控制[2]。

液壓傳動技術(shù)最早應用在艦艇上的炮塔轉(zhuǎn)位器，而后在第二次世界大戰(zhàn)期間迅速的像民用工業(yè)發(fā)展。我國的液壓傳動技術(shù)在20世紀50年代才最初應用于機床設備，目前在核心部件的研發(fā)技術(shù)與加工工藝上仍落后于西方發(fā)達國家[3]。究其原因，主要還是缺乏專業(yè)的高技術(shù)人才[4]。因此，需要更新變革傳統(tǒng)的液壓與氣壓傳動課程教學模式，提高高校應用型人才培養(yǎng)的質(zhì)量，從源頭上儲備人才，進而推動我國液壓傳動技術(shù)的發(fā)展。本文立足應用型人才培養(yǎng)目標，對照工程教育認證的能力培養(yǎng)要求，深入探討高校機械類專業(yè)課程液壓傳動的教學改革模式。

1 ?液壓傳動教學現(xiàn)狀分析

隨著科技的進步，液壓傳動的教學手段也在不斷地發(fā)展，從最初單一的書本式授課，到現(xiàn)如今可借助各種多媒體設備、教學模型等手段強化教學效果。然而從根本上來看，授課模式仍大多屬于“一言堂”模式，即以教師為中心，學生被動接受的教學方法[5]。但由于液壓傳動是一門理論性與實踐性都較強的課程，且學生缺乏必要的工業(yè)背景和空間想象能力，面對抽象的流體力學基礎理論與復雜的液壓元件結(jié)構(gòu)與工作原理往往興致缺缺，教學質(zhì)量和效率低下，對于綜合性、實踐性較強的液壓基本回路與典型系統(tǒng)就更加無所適從，以致于在隨后的實驗課程中，學生往往只是未加思考機械的遵照教師的講解或者按照實驗指導書進行操作，團隊協(xié)作，分析問題與解決問題的能力并未得到有效地鍛煉。

2 ?理論基礎項目化

本課程的理論基礎主要包括液壓傳動基本原理和流體力學基礎理論兩部分。在傳統(tǒng)的教學過程中，液壓傳動的基本原理往往是通過液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟磉M行講解，對中學的物理學知識帕斯卡原理進行復習。學生處在被動接受的“一言堂”教學環(huán)境中，可能會導致部分基礎較差的學生在第一節(jié)課就對該課程失去了興趣。為培養(yǎng)學生的興趣，可在正式授課前設置一個情境項目調(diào)動學生的思維：假設某人能夠施加的最大力是x千克，若想抬起一輛吧y噸重的轎車，該如何設計液壓千斤頂。該問題不但考察學生對液壓傳動工作原理的運用，還涉及到機械原理與理論力學課程的知識，能夠較好的做好知識點的承上啟下。

流體力學基礎理論部分包含流體靜力學、流體動力學、孔口與縫隙流動等內(nèi)容，概念抽象、公式繁多，且與后續(xù)課程內(nèi)容關(guān)聯(lián)度不強，學生易遺忘。因此，可設置工程項目強化記憶，例如液壓泵揚程為x，必需汽蝕余量為y，若需保證為液壓滑臺系統(tǒng)提供多大的輸入壓力不低于a，沿程損失？駐h，液壓泵允許的最大安裝高度是多少。該問題將課本中的真空度、空穴現(xiàn)象等知識點擴展到液壓泵的汽蝕余量概念，更貼近實際工程問題，同時有利于學生后期液壓泵的學習和理解。

通過這些項目的設置，將枯燥乏味的抽象理論基礎知識具象化，鍛煉學生發(fā)散思維的能力，一方面將所學的機械專業(yè)知識前后串聯(lián)，另一方面跳出課本拓展知識，開闊學生的工程視野。

3 ?液壓元件項目化

液壓系統(tǒng)的組成元件種類較多，主要介紹液壓泵、液壓馬達、液壓缸和液壓控制閥。各元件原理工作原理和特性不同，知識點較為瑣碎，因而在教學過程中易陷入照本宣科的狀態(tài)，使得課堂氛圍沉悶，學生學習效率低下。針對這一問題，同樣可以設置若干項目調(diào)動學生的學習積極性。例如在液壓泵與液壓馬達的教學過程中，簡化排量和效率等公式的推導，結(jié)合工程實踐案列，著重強調(diào)不同要求和環(huán)境下產(chǎn)品選型、流量控制、多泵聯(lián)接方式、適用油型號等內(nèi)容。

液壓控制閥部分總體包含換向閥、溢流閥、減壓閥、順序閥、節(jié)流閥和調(diào)速閥等，結(jié)構(gòu)大致包含閥體與閥芯，通過閥芯與閥口的開度關(guān)系控制系統(tǒng)內(nèi)的油液流動。在實際應用中，當閥芯與閥口的結(jié)構(gòu)設計存在缺陷時，易發(fā)生空穴現(xiàn)象，圖1所示為采用高速相機拍攝到的球閥內(nèi)空化流動[5]，圖2為某型號控制閥的組件實物圖及內(nèi)部抗空穴裝置[6]。如何根據(jù)流體力學基礎理論部分對該現(xiàn)象解釋、會造成什么后果、如何通過系統(tǒng)的設計或結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來避免空化的發(fā)生。通過這一系列項目問題的設置，不僅能夠?qū)⑶拔恼n程所學知識進行復習，同時可鍛煉學生的工程思維能力。最后介紹目前國內(nèi)外先進的抗空穴閥門技術(shù)的研究現(xiàn)狀，了解液壓行業(yè)內(nèi)的最新技術(shù)進展。

4 ?實踐訓練項目化

液壓傳動的系統(tǒng)回路部分本課程最重要的內(nèi)容之一，綜合性較強且與工程實踐關(guān)聯(lián)密切，學生需要在了解液壓元件的基礎上掌握液壓系統(tǒng)原理圖分析與設計的能力。在傳統(tǒng)教學中大多先根據(jù)課本內(nèi)容逐一講解換向控制回路、壓力控制回路、速度控制回路等，然后進入實驗室開展驗證性、演示性的實驗進行強化。由于液壓回路涉及面廣，既考察學生的讀圖與識圖能力，同時也鍛煉學生的綜合思維能力，因此這種教學模式容易造成理論與實踐的脫節(jié)。

為了解決這一問題，本文構(gòu)建了“基礎-綜合-工程-創(chuàng)新”層級遞進式實驗教學體系?；A訓練模塊主要通過調(diào)整傳統(tǒng)的授課模式，將部分液壓回路的教學任務設置在實驗室進行，與驗證性、演示性實驗有機結(jié)合起來形成基礎訓練項目模塊，使學生了解實驗設備并掌握基本操作流程。例如利用透明液壓元件、三維造型軟件及拆裝實驗細致解剖液壓閥門的流道結(jié)構(gòu)和工作方式，如圖3所示為透明先導式減壓閥。

綜合訓練模塊增設綜合性、設計性實驗項目，在課本教授的基本回路基礎上進行改進，以小組為單位自行設計搭建并陳述設計思路，鍛煉學生的團隊合作與表達能力，然后利用液壓仿真軟件如FluidSIM模擬系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如改變溢流閥的開啟壓力和額定流量，液壓泵的輸出流量等，對執(zhí)行元件的工作速度和工作壓力進行調(diào)整，從液壓系統(tǒng)回路的定性分析深化至定量分析。圖4為FluidSIM軟件仿真圖。

工程訓練項目模塊將企業(yè)實際問題納入實驗教學體系，構(gòu)建“現(xiàn)場”讓學生身臨其境體驗工程問題的解決方法，通過“市場調(diào)研-產(chǎn)品設計-生產(chǎn)試驗-性能測試”的實際工程項目開發(fā)流程開展課程設計[7]，全方位培養(yǎng)學生的工程實踐能力，將工程認證標準的培養(yǎng)要求落到實處。比如對某全自動軋鋼沖壓系統(tǒng)設計液壓閥塊，學生需通過調(diào)研確定閥塊的大小以及相關(guān)元件的分配，然后設計油路、確定圖紙并生成三維圖形，接著利用3D打印技術(shù)進行加工制造，最后在閉式循環(huán)試驗臺上測試性能。

創(chuàng)新訓練模塊則是在第二課堂、大學生科研訓練等課程的基礎上，以科研論文、科技競賽、專利的形式加以體現(xiàn)，強化創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，從源頭上儲備我國液壓傳動技術(shù)發(fā)展的高尖人才。該模塊主要面向?qū)W有余力的學生，結(jié)合相關(guān)課程進行系統(tǒng)的訓練。如設計一套全自動軋鋼沖壓的模擬控制系統(tǒng)，要求能夠?qū)崿F(xiàn)物料的料倉具有定位功能，當推料氣缸推出底層第一塊物料時，上層第二塊物料應防止自由下落;以最短的時間內(nèi)完成1塊物料的傳送，并記錄傳送用時，傳送要安全、經(jīng)濟、平穩(wěn);在主站PLC系統(tǒng)監(jiān)控界面中，實現(xiàn)“馬達傳送用時”、“滾扎液壓缸行程”的實時參數(shù)顯示;系統(tǒng)應具有碼垛完成提示。通過該項目的練習，學生能夠切實感受機械自動化的全過程，培養(yǎng)系統(tǒng)構(gòu)造的邏輯思維能力，進而將鍛煉成果轉(zhuǎn)化為科研成果或科技競賽。

5 ?結(jié)束語

液壓傳動課程的教學改革有助于推動液壓傳動技術(shù)的進步，進而推動我國傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造工業(yè)的發(fā)展。本文基于“應用型”工程人才培養(yǎng)目標，從課程內(nèi)容著手優(yōu)化，提出理論基礎項目化和液壓元件項目化的教學方法，突出學生工程能力的培養(yǎng)，開拓工程視野;構(gòu)建了以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為最高目標的“基礎-綜合-工程-創(chuàng)新”層級遞進式實驗教學體系，探索解決理論與實踐脫節(jié)的教學模式。

參考文獻：

[1]王映. 《液氣壓傳動》課程教學改革與實踐[J]. 智庫時代， 2019（30）.

[2]韓偉.液壓傳動虛擬實驗系統(tǒng)的研究[D].安徽理工大學， 2011.

[3]陳代玉.液壓傳動技術(shù)在自動化生產(chǎn)中的應用[J].內(nèi)燃機與配件，2019（11）.

[4]生兆洲，王曉偉.液壓傳動技術(shù)的發(fā)展及應用研究[J].設備管理與維修，2018（16）：150-151.

[5]Ferrari J， Leutwyler Z. Fluid flow force measurement under various cavitation state on a globe valve model[C]//ASME 2008 Pressure Vessels and Piping Conference. American Society of Mechanical Engineers， 2008： 157-165.

[6]Asim T， Oliveira A， Charlton M， et al. Improved design of a multi-stage continuous-resistance trim for minimum energy loss in control valves[J]. Energy， 2019， 174： 954-971.

[7]鄒建新，徐慧，孫常清.基于工程能力培養(yǎng)的實驗教學體系構(gòu)建[J].實驗室研究與探索，2010，29（12）：108-110.