基于虛擬仿真技術(shù)的液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程的教學(xué)改革實(shí)踐

研究 林雪冬

摘? 要：隨著信息化技術(shù)與教育教學(xué)的不斷融合，傳統(tǒng)的教學(xué)手段已無法吸引學(xué)生的興趣和關(guān)注度，難以實(shí)現(xiàn)教育效果的最優(yōu)化。借助虛擬仿真技術(shù)，讓液壓元件、液壓系統(tǒng)回路“動(dòng)起來”，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)液壓知識(shí)的理解。該文基于虛擬仿真的液壓與氣動(dòng)技術(shù)，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在液壓的教學(xué)之中，探討以虛擬仿真技術(shù)提高教學(xué)效果的策略。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)? 液壓與氣動(dòng)技術(shù)? 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）07（c）-0097-03

液壓與氣動(dòng)技術(shù)是高校機(jī)械類專業(yè)開設(shè)的一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其元件結(jié)構(gòu)較為抽象，基本回路眾多，單單依靠理論講解比較枯燥乏味，難以提起同學(xué)們的興趣。因此，教學(xué)中需要輔以大量的實(shí)訓(xùn)幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行理解和掌握。而一些高職院校實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏，且現(xiàn)有設(shè)備不少都已老舊不能正常運(yùn)行，造成了學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)多人1組，每個(gè)學(xué)生動(dòng)手操作的時(shí)間不足，實(shí)訓(xùn)教學(xué)達(dá)不到理想的效果[1]。為此，對(duì)液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程的教學(xué)改革實(shí)踐，可以考慮利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)機(jī)房引入虛擬仿真技術(shù)，對(duì)各種液壓元件的工作原理和基本回路功能進(jìn)行模擬仿真，并且，通過下發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)的方式進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。

1? 虛擬仿真與任務(wù)驅(qū)動(dòng)

虛擬仿真是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新的綜合集成技術(shù)，即用虛擬的電子信息系統(tǒng)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景系統(tǒng)的一種模擬仿真技術(shù)。使用虛擬仿真技術(shù)可以很好地解決實(shí)訓(xùn)條件不充分的問題。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是目前高職教學(xué)中一種較為有效的教學(xué)手段?！叭蝿?wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)是以任務(wù)為主線、學(xué)生為主體，將所要學(xué)習(xí)的新知識(shí)隱含在任務(wù)之中，學(xué)生對(duì)下達(dá)的任務(wù)進(jìn)行分析、討論，找出解決問題的方法;同時(shí)，在完成任務(wù)后及時(shí)總結(jié)、交流討論直至融會(huì)貫通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握[2]。

教學(xué)過程中，教師安排虛擬任務(wù)給學(xué)生，學(xué)生則基于虛擬仿真技術(shù)，在完成任務(wù)的過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。以液壓為例，可以將某個(gè)基本回路的功能講解融入到某個(gè)實(shí)際工程案例中去，比如：挖掘機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)其挖掘動(dòng)作的？通過軟件模擬仿真這一基本回路的功能，使同學(xué)們有相對(duì)直觀的了解。同時(shí)，教師輔以講解，這樣就能形象生動(dòng)地向?qū)W生闡釋回路的工作原理。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，使學(xué)生在學(xué)習(xí)抽象的液壓回路時(shí)既不會(huì)有陌生感，又能提高他們動(dòng)手動(dòng)腦的興趣。

2? 虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)過程中的應(yīng)用

2.1 模擬液壓元件的拆解過程

液壓缸、控制閥是液壓系統(tǒng)的重要元件，且它們的結(jié)構(gòu)與功能學(xué)習(xí)起來較為抽象。一般可通過拆裝實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解各元件的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并掌握分析常見故障和排除方法。但是傳統(tǒng)的拆裝實(shí)驗(yàn)需要使用實(shí)物，實(shí)驗(yàn)過程長(zhǎng)，設(shè)備損耗大，且部分設(shè)備拆卸后零件損壞或丟失，導(dǎo)致無法進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)[3]。

教師在課下借助Unigraphics NX和eDrawings軟件，開發(fā)液壓泵和控制閥的虛擬拆裝系統(tǒng)。首先，采用UG進(jìn)行液壓泵和控制閥的實(shí)體建模;然后，采用eDrawings對(duì)泵閥的各個(gè)元件進(jìn)行虛擬拆裝。課堂上教師將準(zhǔn)備好的文件發(fā)給學(xué)生，帶領(lǐng)學(xué)生在電腦上進(jìn)行泵閥的虛擬拆裝，認(rèn)識(shí)各元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而了解其組成[4]。圖1所示為學(xué)生使用虛擬拆裝系統(tǒng)對(duì)齒輪泵進(jìn)行模擬拆裝實(shí)驗(yàn)。

2.2 模擬液壓元件工作原理

液壓泵如何輸出壓力油？液壓控制閥怎樣控制液壓油流動(dòng)方向、壓力及流量？這些問題在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中只能依靠教師比劃，文字?jǐn)⑹?，因而學(xué)生很難真正理解其工作過程。通過Flash對(duì)液壓泵、液壓控制閥的工作過程進(jìn)行動(dòng)畫模擬，可以幫助學(xué)生通過動(dòng)畫演示清晰地觀察泵閥的工作過程。圖2所示為液控單向閥的Flash動(dòng)畫演示。該動(dòng)畫分別演示了控制口通油與不通油兩種情況下，從A口進(jìn)油、從B口進(jìn)油的情形，幫助學(xué)生掌握什么情況下A、B油口互通，什么條件下液控單向閥只作為普通單向閥使用。圖3所示為順序閥的工作原理演示。通過該演示，學(xué)生能夠直觀地分辨出內(nèi)控內(nèi)泄式、內(nèi)控外泄式、外控內(nèi)泄式、外控外泄式4種不同類型的順序閥，清楚了解4種不同順序閥的結(jié)構(gòu)以及工作原理上的不同之處。

2.3 液壓回路基本功能的虛擬仿真

一個(gè)液壓系統(tǒng)是由若干具有不同功能的基本回路組成，掌握基本回路的功能對(duì)學(xué)生分析和設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的液壓基本回路的功能講解主要還是依靠PPT，或者通過實(shí)訓(xùn)課由學(xué)生拆裝/操作綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行功能測(cè)試。但是由于設(shè)備老舊，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)和操作;并且，各種液壓元件的組裝、拆卸以及功能測(cè)試過程中不可避免地要沾上液壓油和機(jī)油，導(dǎo)致學(xué)生們主動(dòng)性不夠。且實(shí)物拆裝時(shí)容易出錯(cuò)，影響實(shí)驗(yàn)效果，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果一般。在計(jì)算機(jī)上安裝宇龍液壓仿真軟件，可直觀、動(dòng)態(tài)地觀察液壓回路的功能展現(xiàn)以及執(zhí)行元件的速度和位移變化。利用模擬軟件，學(xué)生容易操作，對(duì)學(xué)習(xí)理解液壓基本回路有較大幫助。實(shí)訓(xùn)過程中，教師可先引導(dǎo)學(xué)生搭建基本回路并演示，然后布置任務(wù)，由學(xué)生進(jìn)行回路搭建并仿真，完成回路的功能模擬。圖4所示為學(xué)生動(dòng)手搭建的液壓基本回路。通過對(duì)該回路的功能仿真演示，可使學(xué)生直觀地感受到電磁換向閥的換向功能。同時(shí)，通過改變溢流閥的調(diào)定值和液壓缸的外負(fù)載大小，可以理解系統(tǒng)壓力、工作壓力和局部管路實(shí)際壓力之間的關(guān)系，幫助于學(xué)生理解液壓系統(tǒng)中各元件的作用以及基本回路的功能實(shí)現(xiàn)情況。

在學(xué)習(xí)液壓典型回路時(shí)，對(duì)照液壓原理圖，讓學(xué)生自己動(dòng)手搭建整個(gè)系統(tǒng)，通過模擬仿真來理解整個(gè)回路的工作原理，并給出電磁鐵的動(dòng)作順序表，甚至對(duì)回路進(jìn)行更改、創(chuàng)新。例如，在學(xué)習(xí)YT4543型動(dòng)力滑臺(tái)液壓系統(tǒng)的工作原理的過程中，依照工作要求，下達(dá)任務(wù)：（1）完成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“快進(jìn)→一工進(jìn)→二工進(jìn)→停留→快退→停止”工作過程的模擬仿真。（2）分析系統(tǒng)中涉及到哪些基本回路？這些回路的基本功能是什么，是否能夠由其他元件或回路結(jié)構(gòu)進(jìn)行代替？學(xué)生可以先分組進(jìn)行討論，初步給出電磁鐵及行程閥的動(dòng)作順序表，然后，根據(jù)給出的答案進(jìn)行仿真、驗(yàn)證。并且，嘗試著將其中的參數(shù)進(jìn)行改變或者更換其中的液壓元件，來觀察系統(tǒng)回路的表現(xiàn)，以此加深對(duì)系統(tǒng)回路的理解;再進(jìn)一步，進(jìn)行回路的創(chuàng)新再設(shè)計(jì)。

3? 虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐效果分析

以虛擬仿真技術(shù)融入液壓課堂教學(xué)，能使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化、抽象問題具象化。學(xué)生通過虛擬仿真操作，能夠更加形象生動(dòng)地理解液壓系統(tǒng)的工作原理。同時(shí)，通過虛擬仿真軟件代替實(shí)訓(xùn)室，可以緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的局面。尤其，軟件平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)很多實(shí)際生活案例的模擬仿真，帶給學(xué)生更加親切、更易接受的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。比如，自卸式卡車在各基建場(chǎng)所都能見到，但其自卸的工作過程，學(xué)生則不一定清楚。通過建立自卸式卡車的虛擬動(dòng)畫，可讓學(xué)生了解自卸動(dòng)作原來是通過伸縮式液壓缸完成的。這樣既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又提高了學(xué)習(xí)效果。另外，虛擬仿真軟件的引入使課程內(nèi)容更加貼近工程實(shí)踐，對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。為此，在高職液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程中可以通過布置虛擬任務(wù)，將需要學(xué)習(xí)掌握的知識(shí)點(diǎn)融入到這些預(yù)設(shè)的虛擬任務(wù)中來引導(dǎo)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。其具體的實(shí)施過程是：（1）明確需要講解的知識(shí)點(diǎn)。（2）設(shè)計(jì)具體的虛擬任務(wù)。對(duì)虛擬任務(wù)所涉及的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)給出參考解，并引導(dǎo)同學(xué)們解決這個(gè)虛擬問題。（3）在解決問題的過程中，引導(dǎo)同學(xué)們分組討論、相互協(xié)作，明確學(xué)習(xí)內(nèi)容與重點(diǎn)并進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。（4）對(duì)同學(xué)們提出的解決方案進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。（5）總結(jié)與回顧，強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)內(nèi)容。

4? 結(jié)語

該文基于虛擬仿真技術(shù)的液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程的教學(xué)實(shí)踐研究，采用仿真軟件具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）利用虛擬仿真技術(shù)可以消除學(xué)生在學(xué)習(xí)液壓抽象知識(shí)過程中的陌生感，通過生動(dòng)的仿真過程使學(xué)生對(duì)各液壓元件、液壓與氣動(dòng)回路的工作原理、工作狀態(tài)有更深刻的理解。（2）學(xué)生可以根據(jù)老師布置的任務(wù)設(shè)計(jì)液壓回路，并進(jìn)行模擬仿真。通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)習(xí)效果。（3）利用仿真軟件，學(xué)生可根據(jù)要求方便地設(shè)計(jì)出不同回路。通過比較與分析，選出最佳方案，從而培養(yǎng)學(xué)生的分析與創(chuàng)新能力。（4）將多媒體技術(shù)與虛擬仿真相結(jié)合，輔助液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程教學(xué)，抽象的知識(shí)點(diǎn)更加直觀、生動(dòng)，教學(xué)內(nèi)容更易被學(xué)生接受。

參考文獻(xiàn)

[1] 惠相君.仿真軟件在《液壓與氣動(dòng)技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封，2017（6）：43-45.

[2] 朱節(jié)宏，龍有強(qiáng).基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的《液壓與液力傳動(dòng)》課程教學(xué)改革[J].裝備制造技術(shù)，2014（12）：245-247.

[3] 任敬衛(wèi)，佛新崗.FluidSIM在《液壓與氣動(dòng)技術(shù)》課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].大眾科技，2014（9）：202-204.

[4] 姚忠.虛擬仿真技術(shù)在液壓與氣動(dòng)技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，16（6）：100-103.