基于AMESim 的“液壓傳動”案例教學(xué)＊

鄭淑娟，許蘭貴，吳林峰，姚林曉

（華北水利水電大學(xué)機械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

1 引言

“液壓傳動”是機械類專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，在全面實施素質(zhì)教育和應(yīng)用型人才培養(yǎng)的大前提下，寬口徑、厚基礎(chǔ)的培養(yǎng)目標(biāo)明確。隨著技術(shù)的發(fā)展，“液壓傳動”課程需解決內(nèi)容增加但課時壓縮的問題，同時更注重培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。劉樂平[1]提出了案例教學(xué)實施時需案例生活化、案例定量化、案例辯證化的三化問題，并舉實例進行了教學(xué)實踐檢驗。萬暢等[2]以剪枝機的液壓與氣動原理設(shè)計作為典型案例，講述了案例教學(xué)的具體實施步驟。李傳峰等[3]也指出案例教學(xué)的實施有助于培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)知識扎實、實踐能力強、具備較高專業(yè)綜合素質(zhì)的高級工程應(yīng)用型人才。液壓傳動以流體為工作介質(zhì)，液壓元件的動作、狀態(tài)，流體的流動狀態(tài)都不可視，抽象性強，學(xué)生理解困難，普遍感覺不易掌握。

本文提出借助AMESim 軟件的強大建模仿真功能，將案例教學(xué)中各元件的狀態(tài)和流動參數(shù)可視化，加深對理論知識的理解。同時仿真的可操作性強，比實驗臺更易于改變工作狀態(tài)，參數(shù)測試更加方便，能夠直觀地看到感興趣的各個參數(shù)。對于液壓系統(tǒng)，不當(dāng)操作可能使壓力過高，仿真相對于實驗操作，安全性更有保障，也是一大優(yōu)勢。在軟件AMESim 的基礎(chǔ)上進行案例教學(xué)，取得了較好的效果。

2 案例教學(xué)法及AMESim 簡介

案例教學(xué)法是教師組織學(xué)生通過對案例的調(diào)查、閱讀、思考、分析、討論和交流等活動，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，本質(zhì)是理論與實踐相結(jié)合的互動式教學(xué)[4]。案例教學(xué)與注入式的傳統(tǒng)教學(xué)模式不同，改變了教師單向輸出的局面，教師是組織者和引導(dǎo)者，教師引導(dǎo)學(xué)生對案例進行討論、分析，加深學(xué)生對基本原理、知識的理解，啟發(fā)學(xué)生自主地思考、探索。學(xué)生是主體，學(xué)生通過小組討論形成師生互動、生生互動。討論的過程促進學(xué)生積極主動地獨立思考，激發(fā)學(xué)生思維潛能。案例教學(xué)法在提高學(xué)生素質(zhì)和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面有積極效果，具有重要意義[5]。

案例是案例教學(xué)的核心，在案例編寫和選擇時需圍繞教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)任務(wù)來完成，通過對工程案例的思考、分析、討論，既讓學(xué)生了解工程背景，又要樹立工程觀念，增強實踐意識，提高其分析問題、解決問題的能力，符合應(yīng)用型人才需求的的培養(yǎng)目標(biāo)。案例的核心價值在于應(yīng)用，除了對其內(nèi)涵剖析和類別劃分之外，更要重視案例的教學(xué)應(yīng)用過程，即便是同一個案例在教學(xué)實施的不同階段任務(wù)和要點也各有側(cè)重[6]。

AMESim 為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，它擁有一套標(biāo)準(zhǔn)且優(yōu)化的應(yīng)用庫，在液壓傳動中會涉及到機械庫、信號控制庫、液壓庫（包括管道模型）、液壓元件設(shè)計庫（HCD）、動力傳動庫、液阻庫、電機及驅(qū)動庫等。用戶可以在這個單一平臺上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進行仿真計算和深入分析，也可以在這個平臺上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。把AMESim 軟件引入課堂教學(xué)中，利用流體系統(tǒng)類應(yīng)用庫搭建液壓元件、液壓回路、液壓系統(tǒng)，將液壓傳動課程中抽象的液流流動參數(shù)、晦澀難懂的液壓回路狀態(tài)轉(zhuǎn)變成直觀的數(shù)值或變化曲線，通過批處理方式改變回路參數(shù)，便于學(xué)生直觀地觀察、比較和分析結(jié)果，加深對理論知識的理解和掌握。軟件操作便捷，有利于學(xué)生專注于對理論的理解和應(yīng)用，且有益于激發(fā)學(xué)生的主動性和獨立性思維，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新天性。

3 案例教學(xué)的實例

通過機床動力滑臺的工作循環(huán)中工進速度的控制回路的設(shè)計的工程案例，使學(xué)生掌握采用節(jié)流閥的進、回、旁三種節(jié)流調(diào)速回路的速度負(fù)載特性。

針對這一工程案例，結(jié)合啟發(fā)式和任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法，首先引入基本的動力元件-液壓泵和執(zhí)行元件-液壓缸，搭建其液壓回路基本框架（如圖1 所示）。啟發(fā)學(xué)生調(diào)速該怎么進行？加入流量控制閥-節(jié)流閥（如圖2 所示）。搭建進油口節(jié)流調(diào)速回路，接著在軟件中改變節(jié)流口開度的大小，會發(fā)現(xiàn)液壓缸速度并不發(fā)生改變。學(xué)生自主思考原因，為什么？查看節(jié)流閥不同開度時壓力和流量的數(shù)值，會發(fā)現(xiàn)節(jié)流口開度的變化影響了泵的工作壓力。原因是節(jié)流閥開度的改變，只是改變了液阻，但是進入液壓缸的流量并沒有發(fā)生變化。進一步說明液壓泵的工作壓力取決于負(fù)載。進一步思考可以采取哪些措施？組織學(xué)生討論。從分流的原理入手，在回路中加入溢流閥（如圖3 所示）。這時才是完整的進油節(jié)流調(diào)速回路。這時改變節(jié)流口的大小，可繪制出調(diào)速回路的速度負(fù)載特性和效率特性。相對于傳統(tǒng)教學(xué)介紹回路時從理論公式推導(dǎo)只能定性地給出拋物線的曲線，現(xiàn)在定量給出具體數(shù)值，有助于加深學(xué)生的理解。對調(diào)速原理進行總結(jié)，溢流閥的作用是定壓溢流，回路效率低。

接下來要求學(xué)生自主設(shè)計其他回路，引導(dǎo)學(xué)生自主搭建回油路節(jié)流調(diào)速回路和旁路節(jié)流調(diào)速回路，并分析它們的速度負(fù)載特性。在同樣的工作負(fù)載要求下，利用軟件很容易對三種回路的速度負(fù)載特性曲線進行定量比較。這個逐步推進的過程，只需要操作軟件就可以完成。

圖1 液壓回路基本框架

圖2 接入節(jié)流閥的系統(tǒng)圖

圖3 進油節(jié)流調(diào)速回路

整個案例教學(xué)的實施過程，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考、自我探究，激發(fā)學(xué)生的主動性，有助于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考能力和創(chuàng)新能力。而且軟件操作改變參數(shù)容易，獲取參數(shù)快捷，測試數(shù)據(jù)明確，學(xué)生容易得出合理的結(jié)論并掌握。整個學(xué)習(xí)過程著眼點主要在學(xué)生自我建立一套分析問題、解決問題的思維方式，不受限于學(xué)習(xí)硬件的操作和理論過程的推導(dǎo)。

4 結(jié)語

在“液壓傳動”課程中借助AMESim 實施案例教學(xué)法，使得案例教學(xué)法的效果進一步提升，學(xué)生的主體性充分體現(xiàn)，結(jié)合啟發(fā)式的提問，進一步鞏固學(xué)生的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生探究能力。相對于傳統(tǒng)教學(xué)中的定性描述，軟件方便快捷地對各參數(shù)定量描述和比較，有助于樹立工程觀念，激發(fā)學(xué)生的獨立性思維和創(chuàng)新思維。