探討液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

周賢德

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

探討液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

周賢德

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)是機(jī)械類工科專業(yè)必修的一門專業(yè)課程，工程實(shí)踐性強(qiáng)，受實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、設(shè)備損壞和老化的制約，傳統(tǒng)液壓實(shí)驗(yàn)存在人多設(shè)備少的缺點(diǎn)，不利于學(xué)生動(dòng)手操作。虛擬液壓實(shí)驗(yàn)利用豐富的計(jì)算機(jī)資源對(duì)液壓元件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和拆裝以及液壓回路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真運(yùn)行，讓每個(gè)學(xué)生都能參與，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性。液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是今后高校發(fā)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)必不可少的一種方法和手段。

虛擬；液壓；仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0　引言

液壓傳動(dòng)是我校機(jī)械專業(yè)必修的一門專業(yè)課程，是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，要求學(xué)生有很強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力。在教學(xué)大綱中，專門開設(shè)了兩門實(shí)驗(yàn)課程，一門是《流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)》專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為液壓元件的拆裝、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試以及液壓回路工作原理；另一門是《流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)》專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為各種典型工程液壓回路的設(shè)計(jì)和搭建。由于液壓元件和設(shè)備價(jià)格較高，故設(shè)備臺(tái)數(shù)少，實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生分四組進(jìn)行，每組人數(shù)為4～5人，每組只能提供1～2個(gè)元件，無法做到每個(gè)學(xué)生都可以自己動(dòng)手拆裝元件，部分學(xué)生就會(huì)失去興趣，影響實(shí)驗(yàn)效果。

高校計(jì)算機(jī)資源非常充足，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式可以充分利用計(jì)算機(jī)資源彌補(bǔ)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的不足之處，達(dá)到兩者之間相輔相成，融合促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)和提高。

2013年8月教育部印發(fā)了《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函[2013]94號(hào)）[1]，正式啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作。隨著國(guó)家對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的重視，各高校對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)也逐步加大投入，可以預(yù)見，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將是今后高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)重要的模式。建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以減輕實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)的壓力，做到一次性投資，永久受益[2]。

1　液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式特點(diǎn)

目前，我校液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為教師講解和學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)兩個(gè)環(huán)節(jié)，講解環(huán)節(jié)采用液壓元件掛圖掛在黑板旁，教師進(jìn)行講解的模式，是一種靜態(tài)灌輸型的傳統(tǒng)教學(xué)模式；在動(dòng)手環(huán)節(jié)中，4～5個(gè)學(xué)生一組拆裝液壓元件，專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)，更是10人一組安裝一套液壓回路，結(jié)果導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)時(shí)只有個(gè)別學(xué)生動(dòng)手操作，大部分學(xué)生圍觀的現(xiàn)象，影響學(xué)生的積極性和實(shí)驗(yàn)效果，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲焕诙鄶?shù)學(xué)生理解和掌握液壓知識(shí)在實(shí)踐工程中的應(yīng)用，造成學(xué)生畢業(yè)后，實(shí)踐能力弱，不能較快滿足企業(yè)崗位要求。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托而建立的一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的方向，是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[1]。

液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是液壓元件為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)為特點(diǎn)的虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過虛擬仿真技術(shù)可以形象地展示液壓元件的工作原理、動(dòng)作演示過程，構(gòu)建液壓元件的三維視圖以及零部件組裝圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖、剖視圖、透視圖和運(yùn)動(dòng)視圖。

通過虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，每個(gè)學(xué)生都可以動(dòng)手拆裝液壓元件、設(shè)計(jì)液壓回路，動(dòng)態(tài)模擬液壓回路工作過程，實(shí)時(shí)模擬顯示流量、壓力和溫度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，提高學(xué)生對(duì)液壓傳動(dòng)理論相關(guān)知識(shí)的理解，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。

2　液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方案

液壓傳動(dòng)是一門工程應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)是學(xué)生理解液壓傳動(dòng)理論知識(shí)的重要途徑。液壓元件種類繁多，工程應(yīng)用范圍廣泛，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法時(shí)要融合理論課的內(nèi)容，根據(jù)液壓傳動(dòng)教學(xué)大綱的要求，精心選取實(shí)驗(yàn)對(duì)象和工程典型應(yīng)用案例，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法和步驟。

2.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)可以分成以下五個(gè)內(nèi)容：

1）實(shí)驗(yàn)前的理論知識(shí)準(zhǔn)備；

2）虛擬拆裝液壓元件，掌握液壓元件的結(jié)構(gòu)和組成，分析液壓元件的工作原理、作用和影響液壓工作效率的因素；

3）液壓仿真軟件的操作；

4）根據(jù)液壓典型工程應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)液壓及控制回路，選擇合適的液壓元件搭建回路；

5）對(duì)回路進(jìn)行仿真，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)過程中各種參數(shù)的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，查找問題，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)方案并重新實(shí)施；

6）分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)方法，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)中學(xué)生要應(yīng)用液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)特性、作用和功能做詳細(xì)的分析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)液壓回路原理圖，結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求，設(shè)計(jì)初始液壓回路方案。熟練掌握液壓仿真軟件的操作，選取液壓仿真軟件元件庫(kù)中的相關(guān)元件搭建液壓回路，并進(jìn)行仿真模擬運(yùn)行，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不斷改進(jìn)和完善液壓回路。正由于虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)，回路的搭建非常方便，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，充分體現(xiàn)了液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性，達(dá)到每個(gè)學(xué)生都能自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的目的。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的前3部分主要是訓(xùn)練學(xué)生能夠運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過的液壓專業(yè)理論知識(shí)來掌握液壓元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、功能應(yīng)用；第4部分是學(xué)習(xí)并熟悉液壓仿真軟件操作，為液壓回路設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)；最后2個(gè)部分設(shè)計(jì)液壓回路和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目的是通過回路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)仿真、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)來解決實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)際問題，使學(xué)生通過典型液壓回路設(shè)計(jì)模擬現(xiàn)場(chǎng)液壓工程應(yīng)用，形成工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論分析和深入研究，讓學(xué)生學(xué)會(huì)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，廣泛閱讀，擴(kuò)展知識(shí)面，了解液壓工程應(yīng)用和研究前沿知識(shí)，利用文獻(xiàn)資料提出解決液壓工程應(yīng)用的新思路，并從中學(xué)到解決實(shí)際工程問題的思維方式和研究方法，激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)真理的積極性[3]。

2.2實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇

液壓元件種類繁多，實(shí)驗(yàn)要依據(jù)教學(xué)大綱要求，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，制定合適的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，根據(jù)內(nèi)容和課時(shí)數(shù)來選擇實(shí)驗(yàn)對(duì)象，液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以分成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)驗(yàn)兩種形式，典型液壓元件課內(nèi)完成，輔助液壓元件課外練習(xí)，這樣既可以完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求，又能拓展學(xué)生的知識(shí)面。

在液壓傳動(dòng)中，液壓元件一般分為：

1）動(dòng)力元件（齒輪泵、葉片泵或柱塞泵）。

2）執(zhí)行元件(油缸或液壓馬達(dá)）。

3）控制元件（液壓換向閥、單向閥、溢流閥、減壓閥、順序閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、比例閥和伺服閥等）。

4）輔助元件（油管、接頭、濾油器、蓄能器、油箱、密封件和熱交換器等）。

5）動(dòng)力傳輸介質(zhì)（液壓油等）?；疽簤夯芈酚校?）壓力控制回路；2）速度控制回路；3）方向控制回路；

4）多執(zhí)行元件控制回路。

在液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，液壓回路的構(gòu)建非常方便，因而可以對(duì)以上這些典型回路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

2.3實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)就是充分利用計(jì)算機(jī)的資源優(yōu)勢(shì)，通過三維圖形仿真來虛擬拆裝液壓元件，讓學(xué)生了解液壓元件的結(jié)構(gòu)、零部件組成、工作原理和作用，圖1為齒輪泵。

圖1　齒輪泵三維圖

然后再通過FluidSIM、Automation Studio、AMESim和MATLAB等仿真軟件進(jìn)行液壓回路設(shè)計(jì)、調(diào)試和仿真運(yùn)行，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和步驟應(yīng)有區(qū)別于傳統(tǒng)液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。根據(jù)其特點(diǎn)現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施流程，分別為：實(shí)驗(yàn)前液壓基礎(chǔ)理論知識(shí)與液壓仿真軟件的預(yù)習(xí)；實(shí)驗(yàn)對(duì)象結(jié)構(gòu)分析、虛擬零部件拆裝、結(jié)構(gòu)組成及功能分析；液壓回路設(shè)計(jì)及仿真；實(shí)驗(yàn)效果分析討論；改進(jìn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)仿真；完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和拓展研究。流程之間成因果鏈條關(guān)系，缺一不可。實(shí)驗(yàn)中要用到液壓與控制等基礎(chǔ)理論知識(shí)和專業(yè)理論知識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)前的知識(shí)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)中的知識(shí)綜合應(yīng)用能力要求較高。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排以集中和分散形式的實(shí)驗(yàn)課前準(zhǔn)備和課內(nèi)、課后分析討論很有必要。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，必須先進(jìn)行液壓元件拆裝基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生先了解元件的結(jié)構(gòu)、工作原理和功能等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，然后才能進(jìn)行液壓回路設(shè)計(jì)和仿真運(yùn)行的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)。專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的時(shí)間間隔為兩周，目的是讓學(xué)生有充分時(shí)間設(shè)計(jì)液壓回路的實(shí)驗(yàn)方案、選取合適的液壓元件并進(jìn)行分析論證和完善實(shí)驗(yàn)方案。

實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生個(gè)人獨(dú)立完成，分組分析和討論組內(nèi)每個(gè)同學(xué)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生集思廣益、取長(zhǎng)補(bǔ)短的思路和工作協(xié)作精神。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師的目標(biāo)就是引導(dǎo)學(xué)生深入思考一些典型液壓回路在實(shí)際工程中的應(yīng)用問題，激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維，加強(qiáng)學(xué)生之間以及師生間的思維碰撞，在組織形式上使每個(gè)學(xué)生都自覺或不自覺地參與到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

3　結(jié)束語

液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)液壓專業(yè)理論知識(shí)、工程應(yīng)用、液壓仿真軟件和計(jì)算機(jī)知識(shí)具有高度的綜合應(yīng)用特性，實(shí)驗(yàn)對(duì)教師和學(xué)生都提出了較高的要求，需要教師和學(xué)生積極配合和相互合作才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的，因此，如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性成為實(shí)驗(yàn)結(jié)果質(zhì)量高低的關(guān)鍵。液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了學(xué)生人人動(dòng)手操作完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的跨越，沒有出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中部分學(xué)生圍觀的現(xiàn)象，極大地提高了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性。為了結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，我們采用了把虛擬仿真和傳統(tǒng)實(shí)物相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，學(xué)生通過虛擬仿真的方法了解了液壓元件結(jié)構(gòu)、功能和液壓回路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)仿真，再用實(shí)物搭建液壓回路進(jìn)行驗(yàn)證，這樣增加了液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，壓縮了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間，反而比原來單獨(dú)采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式取得了更好的效果。

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知(教高司函[2013]94號(hào))[Z].2013.8.

[2] 徐進(jìn).2013年國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作小結(jié)及2014年申報(bào)建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,8.8.

[3] 郭瑞琴,周賢德.拓展型生產(chǎn)線規(guī)劃實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ教剿鱗J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,12(30)：12.

Discussion on the teaching mode of hydraulic virtual simulation experiment

ZHOU Xian-de

TP39

A

1009-0134(2016)07-0034-03

2016-05-06

同濟(jì)大學(xué)第十期實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改革項(xiàng)目（2014年11月立項(xiàng)）

周賢德（1968 -），男，湖南道州人，碩士，主要從事開放式數(shù)控和運(yùn)動(dòng)控制、圖形數(shù)字化工程應(yīng)用、虛擬數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。