基于線上教學(xué)和虛擬實(shí)踐的“液壓與氣壓傳動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

方自強(qiáng)，張 良，萬(wàn)宇杰，易建鋼，彭松林

（江漢大學(xué)智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 引言

“液壓與氣壓傳動(dòng)”是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課，該課程以流體力學(xué)理論知識(shí)為基礎(chǔ)，融合了泵、缸、馬達(dá)、閥以及液動(dòng)和氣動(dòng)控制回路等工程應(yīng)用類(lèi)知識(shí)，所授知識(shí)應(yīng)用面廣，在數(shù)控機(jī)床、汽車(chē)、航天、船舶、工程機(jī)械等行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用。

在本教學(xué)團(tuán)隊(duì)的“液壓與氣壓傳動(dòng)”長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有教學(xué)模式存在2 個(gè)相互矛盾的問(wèn)題[1]：（1）流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)理論性強(qiáng)，涵蓋知識(shí)點(diǎn)多，而液壓與氣壓元的工程應(yīng)用類(lèi)知識(shí)均基于機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，回路傳動(dòng)原理邏輯性強(qiáng)，使得提高課堂教學(xué)效果必須以延展課堂教學(xué)時(shí)間為前提；（2）依據(jù)“工程教育認(rèn)證”的課程培養(yǎng)方案，教學(xué)大綱不斷對(duì)課堂教學(xué)課時(shí)進(jìn)行壓縮，使得線下課堂教學(xué)課時(shí)逐年縮短。上述2 個(gè)問(wèn)題迫使教學(xué)團(tuán)隊(duì)必須對(duì)“液壓與氣壓傳動(dòng)”教學(xué)模式開(kāi)展探索、改造和升級(jí)[2]。

為了在更短的教學(xué)課時(shí)內(nèi)加深學(xué)生對(duì)“液壓與氣壓傳動(dòng)”相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)的理解，并提升學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)開(kāi)展實(shí)踐的能力，本課程團(tuán)隊(duì)在優(yōu)課聯(lián)盟平臺(tái)上建立了“液壓與氣壓傳動(dòng)”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程，用于學(xué)生自學(xué)和復(fù)習(xí)重要知識(shí)點(diǎn)[3-5]；在線下教學(xué)中，本課程團(tuán)隊(duì)以前期所搭建的“液壓虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”為基礎(chǔ)，開(kāi)展虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，在加深學(xué)生對(duì)實(shí)用知識(shí)的理解的同時(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力[6-7]。

1 線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與使用

“液壓與氣壓傳動(dòng)”網(wǎng)絡(luò)在線課程的建在“優(yōu)課聯(lián)盟”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上。為了讓學(xué)生有效利用網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)所學(xué)“液壓與氣壓傳動(dòng)”開(kāi)展高效而扎實(shí)的學(xué)習(xí)，該課程將原有的36 個(gè)線下理論教學(xué)課時(shí)進(jìn)行抽絲剝繭，通過(guò)精簡(jiǎn)和細(xì)化原有的泵、缸、馬達(dá)、閥等液壓和氣壓元件的構(gòu)造原理，以及基本液壓和氣壓回路應(yīng)用等核心知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)而將網(wǎng)絡(luò)在線課程減為24 個(gè)教學(xué)課時(shí)，其中線上教學(xué)課時(shí)分布由表1 列出。

表1 “液壓與氣壓傳動(dòng)”線上教學(xué)課時(shí)分布

以表1 的線上教學(xué)主干知識(shí)點(diǎn)課時(shí)分布為依據(jù)，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)所建設(shè)的線上課程包括3 個(gè)主要模塊：（1）教學(xué)視頻模塊；（2）習(xí)題集與資料庫(kù)；（3）線上討論與直播模塊。

教學(xué)視頻模塊由教學(xué)團(tuán)隊(duì)的4 位教師依據(jù)主干知識(shí)點(diǎn)在教材的分布分開(kāi)錄制，以淺顯易懂的語(yǔ)言逐個(gè)講解液壓和氣壓傳動(dòng)大綱規(guī)定的重難點(diǎn)知識(shí)，學(xué)生可以看不得視聽(tīng)，直到完成掌握要求學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)為止。

習(xí)題集與資料庫(kù)模塊主要圍繞大綱知識(shí)點(diǎn)的練習(xí)及其拓展而展開(kāi)設(shè)計(jì)。其中習(xí)題集先以習(xí)題庫(kù)的形式建立，主要包含選擇題、填空題、問(wèn)答題、計(jì)算題、回路設(shè)計(jì)與分析題等題型。上述題型以章節(jié)測(cè)試的形式均勻分布在24 個(gè)教學(xué)課時(shí)之中，測(cè)試的目標(biāo)是輔助學(xué)生復(fù)習(xí)和鞏固所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。

線上討論與直播模塊主要為學(xué)生和教師提供了關(guān)于線上課程學(xué)習(xí)討論的云平臺(tái)。當(dāng)學(xué)生在某些知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)上存在困難時(shí)，通過(guò)向線上討論模塊提出疑問(wèn)和求助。線上討論模塊可以迅速提供生生討論、師生討論等環(huán)節(jié)，為學(xué)生答疑解惑。

基于優(yōu)課聯(lián)盟平臺(tái)的“液壓與氣壓傳動(dòng)”在線課程的建立：一方面能夠使得液壓與氣壓傳動(dòng)的課程知識(shí)模塊化，同時(shí)幫助學(xué)生及時(shí)鞏固教學(xué)大綱規(guī)定的知識(shí)點(diǎn)；另一方面，學(xué)生依據(jù)教學(xué)進(jìn)度表規(guī)定的相關(guān)進(jìn)度要求，實(shí)時(shí)開(kāi)展重難點(diǎn)分析和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，達(dá)到鞏固“液壓與氣壓傳動(dòng)”重要知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)效果。

2 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與使用

基于虛擬仿真技術(shù)在“液壓與氣壓傳動(dòng)”實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用與探索，本課程團(tuán)隊(duì)與“武漢全樂(lè)科技有限公司”展開(kāi)合作，共同建立了液壓與氣壓傳動(dòng)線下虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。依托該教學(xué)平臺(tái)，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的開(kāi)展包含模塊[8]：課程學(xué)習(xí)模塊、元件學(xué)習(xí)模塊、仿真實(shí)驗(yàn)操作交互任務(wù)模塊、仿真實(shí)驗(yàn)自由操作交互模塊。四類(lèi)模塊的功能由表2 給出。

表2 線下虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的四大類(lèi)模塊功能

根據(jù)線上教學(xué)的24 個(gè)課時(shí)知識(shí)點(diǎn)，本課程團(tuán)隊(duì)結(jié)合虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了四個(gè)線下虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)：（1）動(dòng)力與執(zhí)行元件的拆裝及認(rèn)知環(huán)節(jié)；（2）典型液壓與氣壓控制閥的拆裝及認(rèn)知環(huán)節(jié)；（3）經(jīng)典液壓控制回路的拼接與虛擬仿真環(huán)節(jié)；（4）以應(yīng)用功能為導(dǎo)向的回路設(shè)計(jì)仿真環(huán)節(jié)。

在動(dòng)力與執(zhí)行元件的拆裝及認(rèn)知環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生利用虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)對(duì)軸向柱塞泵與雙作用液壓缸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆裝與工作原理分析，對(duì)軸承柱塞泵的排量開(kāi)展計(jì)算公式推導(dǎo)，并對(duì)雙作用液壓缸的速度推力特性做出分析。

在典型液壓與氣壓控制閥的拆裝及認(rèn)知環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要對(duì)三位四通M 型換向閥、先導(dǎo)型溢流閥、節(jié)流閥等液壓與氣壓控制閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆裝與分析，同時(shí)結(jié)合流體力學(xué)知識(shí)對(duì)壓力控制閥、流量控制閥的壓力和流量控制原理及作用功能進(jìn)行分析。

經(jīng)典液壓控制回路的拼接與虛擬仿真環(huán)節(jié)的目標(biāo)主要使學(xué)生掌握教學(xué)大綱規(guī)定的17 個(gè)液壓和氣壓經(jīng)典回路，包括單作用缸換向回路、雙作用缸換向回路（2個(gè)）、手動(dòng)換向卸荷回路、差動(dòng)連接回路、換向節(jié)流調(diào)速回路、行程單向減速閥調(diào)速回路等。

以上述3 個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)，著眼于實(shí)際工程應(yīng)用，回路設(shè)計(jì)仿真環(huán)節(jié)通過(guò)創(chuàng)意性的設(shè)計(jì)，在平臺(tái)的軟件面板中進(jìn)行搭建模擬調(diào)試，按照真實(shí)的工程應(yīng)用場(chǎng)景需求，搭建液壓與氣壓傳動(dòng)回路，使學(xué)生嘗試解決實(shí)際工程場(chǎng)景中的液壓與氣壓傳動(dòng)問(wèn)題。

3 “線上教學(xué)+虛擬實(shí)踐”的教學(xué)設(shè)計(jì)與開(kāi)展

基于本課程團(tuán)隊(duì)建立的“液壓與氣壓傳動(dòng)”在線課程以及虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，本課程團(tuán)隊(duì)對(duì)“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程標(biāo)準(zhǔn)中的教學(xué)模式與評(píng)價(jià)方法[9-10]開(kāi)展了改革和探索。在新的教學(xué)模式中，表1 中的知識(shí)點(diǎn)被模塊化分解：（1）要求學(xué)生根據(jù)每一知識(shí)點(diǎn)模塊開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)并完成相應(yīng)題目測(cè)試，達(dá)到所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的預(yù)習(xí)作用；（2）在教學(xué)進(jìn)度表中線下課堂的前2 個(gè)課時(shí)中，由主講教師引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展針對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)模塊的分組研討與報(bào)告詳解，運(yùn)用課件和研討的形式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)以及測(cè)試題中產(chǎn)生疑惑的重難點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行生生詳評(píng)，進(jìn)而掃清學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知盲區(qū)；（3）在教學(xué)進(jìn)度表中線下課堂的后2 個(gè)課時(shí)中，利用虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，采用教師展示和學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的方式，對(duì)學(xué)生所學(xué)知識(shí)點(diǎn)模塊開(kāi)展虛擬仿真實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)模塊的應(yīng)用和融會(huì)貫通。表3 給出了“液壓與氣壓傳動(dòng)”理論教學(xué)36 課時(shí)進(jìn)度分布中線上網(wǎng)課與線下虛擬仿真實(shí)踐相融合的教學(xué)模式詳細(xì)安排。

表3 “液壓與氣壓傳動(dòng)”理論教學(xué)36 課時(shí)進(jìn)度分布

4 教學(xué)成效分析

基于“優(yōu)課聯(lián)盟在線”課程平臺(tái)和AR 虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)，以提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率為目標(biāo)，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)和實(shí)施基于線上教學(xué)和虛擬實(shí)踐的“液壓與氣壓傳動(dòng)”教學(xué)案例。線上課程主要講解基本知識(shí)點(diǎn)，重點(diǎn)在于知識(shí)點(diǎn)的課前引入和課后鞏固；線下課堂以案例分析為主，傳授學(xué)生運(yùn)用專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的基本方法；虛擬仿真實(shí)踐使課程知識(shí)點(diǎn)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，鞏固線上線下教學(xué)效果。

以“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程中的保壓回路課程單元為實(shí)施案例，線上教學(xué)課時(shí)涵蓋輔助泵供油的保壓回路的構(gòu)造原理、控制邏輯、元件動(dòng)作順序、保壓功能分析等核心知識(shí)點(diǎn)，如圖1。教學(xué)視頻模塊主要供學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)保壓回路相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生既可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)能力合理安排學(xué)習(xí)節(jié)奏，又可以根據(jù)課時(shí)進(jìn)度復(fù)習(xí)鞏固相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

圖1 優(yōu)課聯(lián)盟平臺(tái)上線的“液壓與氣壓傳動(dòng)”網(wǎng)絡(luò)在線課程

在線下課堂教學(xué)中，教師通過(guò)布置保壓回路的構(gòu)造原理、控制邏輯、元件動(dòng)作順序、保壓功能等關(guān)聯(lián)問(wèn)題，引導(dǎo)和組織學(xué)生開(kāi)展線下課堂翻轉(zhuǎn)研習(xí)，輔助學(xué)生復(fù)習(xí)和鞏固所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)師生討論、生生討論等環(huán)節(jié)為學(xué)生答疑解惑。

教學(xué)團(tuán)隊(duì)與相關(guān)軟件公司合作，共同建立了液壓與氣壓傳動(dòng)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。基于該平臺(tái)，學(xué)生按照保壓回路的真實(shí)工程應(yīng)用需求，通過(guò)創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)在平臺(tái)中進(jìn)行保壓回路的系統(tǒng)構(gòu)建和仿真，搭建如圖2 所示的保壓回路，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)使學(xué)生嘗試解決保壓回路運(yùn)行過(guò)程中工程問(wèn)題，使學(xué)生初步具備對(duì)保壓等壓力控制回路的設(shè)計(jì)能力。

圖2 采用輔助泵供油的保壓回路的回路搭建效果圖

圖3 給出了江漢大學(xué)智能制造學(xué)院機(jī)械、材控、過(guò)控等專(zhuān)業(yè)在2017—2020 近4 個(gè)學(xué)年內(nèi)，“液壓與氣壓傳動(dòng)”考試成績(jī)各個(gè)分?jǐn)?shù)段的百分比。其中，2017 學(xué)年采用“教師講授”的傳統(tǒng)教學(xué)模式；在2018 與2019 學(xué)年，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)將“線上學(xué)習(xí)”模式引入至“液壓與氣壓傳動(dòng)”教學(xué)之中；2020 學(xué)年，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)采用“線上教學(xué)+虛擬實(shí)踐”的“液壓與氣壓傳動(dòng)”教學(xué)新模式。

圖3 4 個(gè)學(xué)年期末考試成績(jī)百分占比

如圖3 所示，相比于2017 學(xué)年，2018 學(xué)年學(xué)生的期末考試成績(jī)大幅提升，尤其是60 分以下的低分段人數(shù)比例大幅減少，這歸因于學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)上的“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程開(kāi)展預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)所取得的教學(xué)效果。同2019 學(xué)年相比，2020 學(xué)年中學(xué)生的考試成績(jī)?cè)俅未蠓嵘?0 以上及60～79 分?jǐn)?shù)段人數(shù)比例大幅增加，這得益于線上教學(xué)與線下虛擬實(shí)踐相融合的“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)新模式的應(yīng)用。學(xué)生通過(guò)對(duì)各類(lèi)液壓與氣壓元件和液壓基本回路的知識(shí)點(diǎn)網(wǎng)課開(kāi)展學(xué)習(xí)，有效理解了課程中元件結(jié)構(gòu)圖和回路原理知識(shí)點(diǎn)；而虛擬仿真實(shí)踐課題的應(yīng)用，有效調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，并充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。因此，線上教學(xué)與線下虛擬實(shí)踐相融合的“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)新模式能夠大幅提升學(xué)生的考試成績(jī)，也符合工程教育認(rèn)證理念，值得在機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的相關(guān)課程改革中進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)和推廣。

5 結(jié)語(yǔ)

融合線上教學(xué)與線下虛擬實(shí)踐的“液壓與氣壓傳動(dòng)”教學(xué)新模式，豐富了液壓與氣壓傳動(dòng)的教學(xué)形式和內(nèi)容，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和考試成績(jī)，主要優(yōu)勢(shì)可以歸納為：

（1）教學(xué)模式基于OBE 理念，以學(xué)生為主體，遵照工作任務(wù)驅(qū)動(dòng)、實(shí)踐主導(dǎo)、教學(xué)做一體的原則，根據(jù)所知識(shí)重難點(diǎn)分為若干工作任務(wù)，難度逐步增加，達(dá)到學(xué)生對(duì)液壓與氣壓傳動(dòng)知識(shí)從認(rèn)識(shí)到熟練的預(yù)期目標(biāo)。

（2）網(wǎng)絡(luò)在線課程使課程知識(shí)模塊化，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)和鞏固教學(xué)大綱規(guī)定的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生能夠?qū)崟r(shí)開(kāi)展重難點(diǎn)分析和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，有助于學(xué)生鞏固“液壓與氣壓傳動(dòng)”重要知識(shí)點(diǎn)。

（3）融合線上教學(xué)與線下虛擬實(shí)踐的教學(xué)新模式將枯燥單一的傳統(tǒng)液壓教學(xué)方式轉(zhuǎn)換為師生間交互性的液壓虛擬實(shí)踐教學(xué)，促進(jìn)液壓理論知識(shí)的理解和掌握，提高液壓課程教學(xué)質(zhì)量和效率。