基于仿真平臺及混合式教學(xué)的“液壓與氣壓傳動”教學(xué)改革*

黃貴川，熊建國，韓亞軍

（重慶城市職業(yè)學(xué)院，重慶 402160）

“液壓與氣壓傳動”作為一門理論性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，大部分學(xué)校都面臨課程實踐環(huán)節(jié)缺乏、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和質(zhì)量不高的問題，倪君輝、趙雷、林雪冬、惠相君、劉志毅和李優(yōu)等人針對這些問題進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)改革[1-8]，但是在教改過程中主要側(cè)重于系統(tǒng)仿真及其在教學(xué)過程中的應(yīng)用，沒有進(jìn)行關(guān)鍵元件仿真及教學(xué)實踐。而元件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，學(xué)生對基礎(chǔ)元件的理解將直接影響到對系統(tǒng)的理解。重慶城市職業(yè)學(xué)院工業(yè)機(jī)器人專業(yè)群基礎(chǔ)平臺課程“液壓與氣壓傳動”也面臨上述問題。針對這些問題，課題組進(jìn)行了基于仿真平臺及混合式教學(xué)的“液壓與氣壓傳動”教學(xué)改革，同時加強(qiáng)了關(guān)鍵元件的仿真及教學(xué)應(yīng)用，取得了較好的效果。

1 教學(xué)設(shè)計流程及原則

1.1 教學(xué)設(shè)計流程

教學(xué)設(shè)計流程如圖1所示。1）提前發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容及學(xué)習(xí)要點(diǎn)，要求各位同學(xué)結(jié)合教材、超星學(xué)習(xí)通平臺相關(guān)資源進(jìn)行預(yù)習(xí)，培養(yǎng)各位同學(xué)的自學(xué)能力。每節(jié)課上課后，通過學(xué)習(xí)通隨機(jī)選幾位同學(xué)回答相關(guān)問題或進(jìn)行初步的操作演示，以此檢驗整體的預(yù)習(xí)效果。結(jié)合同學(xué)們問題回答中出現(xiàn)的問題以及課程的重難點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)知識的重點(diǎn)講解或典型案例演示。2）學(xué)生結(jié)合學(xué)習(xí)要求進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，對于仿真環(huán)節(jié)，還要求學(xué)生完成典型項目的仿真練習(xí)、項目匯報和演示，并最終分別在超星平臺和仿真實訓(xùn)平臺完成理論考核和實踐考核。3）結(jié)合學(xué)習(xí)自學(xué)情況、回答問題情況、理論考核結(jié)果、仿真演示和匯報結(jié)果、最終的實踐考核結(jié)果對學(xué)生進(jìn)行綜合考核。

圖1 教學(xué)設(shè)計流程

1.2 教學(xué)設(shè)計原則

結(jié)合課程實際情況、國家教育政策方針和“求德、求知、求技、求悟”校訓(xùn)，教學(xué)設(shè)計堅持了“四個結(jié)合”的原則。

1）思政內(nèi)容與科學(xué)知識結(jié)合。堅決貫徹執(zhí)行國家教育政策方針，秉承“求德”校訓(xùn)，將徐工700噸液壓挖掘機(jī)、蛟龍?zhí)?、奮斗者號、垃圾分類、綠色發(fā)展、安全生產(chǎn)等思政元素、德育內(nèi)容和職業(yè)素養(yǎng)間接融入課程教學(xué)中，如表1所示。

表1 思政內(nèi)容與科學(xué)知識結(jié)合

2）教師知識傳授與學(xué)生探究性學(xué)習(xí)結(jié)合。課程設(shè)計重視學(xué)生“求知”過程中探究能力的培養(yǎng)，學(xué)生自學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)時長、參與討論情況、回答問題情況等內(nèi)容是綜合考核的重要依據(jù)。通過以上方式，培養(yǎng)學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)能力，為步入社會后的終身學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

3）理論教學(xué)與仿真實踐結(jié)合。針對以往課程實踐環(huán)節(jié)缺乏、學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量不高的問題，在教學(xué)設(shè)計中將理論教學(xué)和仿真實踐教學(xué)穿插緊密結(jié)合，如表2所示，以此實現(xiàn)學(xué)生“求技”。比如將液壓動力元件的理論教學(xué)與基于AMESim的液壓泵仿真分析相結(jié)合，液壓執(zhí)行元件的理論教學(xué)與基于AMESim的液壓缸仿真分析相結(jié)合，液壓控制元件的理論教學(xué)與基于AMESim的溢流閥、減壓閥和順序閥仿真分析相結(jié)合等，以此提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)質(zhì)量，同時提升學(xué)生的相關(guān)技能水平和分析問題、解決問題的能力。

表2 理論教學(xué)與仿真實踐結(jié)合

4）知識掌握與能力提升結(jié)合。課程設(shè)計除了要求學(xué)生掌握相關(guān)知識及技能外，要更加重視學(xué)生相關(guān)能力和“悟”的提升。如表3所示，通過探究性學(xué)習(xí)提升學(xué)生的自學(xué)能力，通過三維軟件裝配提升學(xué)生的三維軟件操作能力、故障排除能力和職業(yè)適應(yīng)能力，通過虛擬仿真提升學(xué)生仿真軟件操作能力、仿真分析能力和思維能力，通過報告撰寫和演示匯報提升學(xué)生語言組織能力和溝通表達(dá)能力等。

表3 知識掌握與能力提升結(jié)合

2 教學(xué)方法改革

2.1 流體基礎(chǔ)理論可視化教學(xué)

流體基礎(chǔ)理論涉及連續(xù)性方程、伯努利方程和動量方程等內(nèi)容，難度較大，學(xué)生理解困難，針對該問題，在流體基礎(chǔ)理論教學(xué)過程中，通過CFD仿真方法引入流場可視化教學(xué)手段，如圖2所示，直觀化講解液壓流體力學(xué)知識，從而將理論知識的難度最低化。同時，通過簡單的現(xiàn)場實驗（例：如何用兩根吸管實現(xiàn)澆花所需的噴霧）讓同學(xué)們理解相關(guān)理論的基本應(yīng)用，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

圖2 流場可視化

2.2 液壓與氣動元件形象化演示教學(xué)

液壓與氣動元件的結(jié)構(gòu)及組成是后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ)，通過硬件實物或三維軟件形象化展示液壓與氣動元件的結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。在掌握元件結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上，學(xué)生以小組為單位分析其工作原理，然后基于UG軟件平臺通過三維虛擬拆裝增加典型液壓與氣動元件的立體感和真實感，提升學(xué)生學(xué)習(xí)動力。

圖3 液壓元件形象化演示示例

2.3 液壓氣動元件及系統(tǒng)仿真實踐

在掌握了液壓與氣動元件結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，基于同樣的學(xué)習(xí)小組，以AMESim仿真平臺為基礎(chǔ)分析液壓缸、單向閥、溢流閥、減壓閥、順序閥等液壓與氣動元件的動態(tài)工作過程，并基于批運(yùn)行技術(shù)研究關(guān)鍵參數(shù)對元件性能直接的影響，由此加深學(xué)生對關(guān)鍵元件的理解，從而為后續(xù)的系統(tǒng)分析打下堅實基礎(chǔ)。

在學(xué)生完成元件仿真的基礎(chǔ)上，結(jié)合方向控制回路、壓力控制回路、速度控制回路等典型工作回路和工業(yè)機(jī)器人手部裝置驅(qū)動系統(tǒng)、行走裝置驅(qū)動系統(tǒng)等面向企業(yè)的實際應(yīng)用案例實施項目式教學(xué)，學(xué)生分析系統(tǒng)組成、元件作用、工作原理和關(guān)鍵參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上基于FluidSIM或AMESim進(jìn)行系統(tǒng)級仿真，如圖4所示。一方面，通過仿真提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對系統(tǒng)的理解；另一方面，培養(yǎng)學(xué)生仿真實踐能力，以更好地適應(yīng)相關(guān)職業(yè)崗位。

圖4 仿真實踐及相應(yīng)模型

2.4 報告撰寫及匯報

學(xué)習(xí)小組完成了液壓與氣動元件三維虛擬拆裝、動態(tài)工作過程仿真及相應(yīng)的回路仿真后，撰寫項目執(zhí)行報告，并進(jìn)行演示、匯報及答辯，如圖5所示。以此方式，提升學(xué)生語言組織能力和溝通表達(dá)能力，同時為后續(xù)科學(xué)、公正、合理的考核評價提供依據(jù)。

圖5 學(xué)生匯報

3 考核評價方式改革

考核評價方式同時重視學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)效果，結(jié)合教學(xué)設(shè)計原則和改革后的教學(xué)方法，采取了理論考核和實踐考核相結(jié)合、過程性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合的方式，如圖6所示。

圖6 考核評價

過程性考核中，基于超星學(xué)習(xí)通平臺，可以科學(xué)直觀地跟蹤各個學(xué)生的出勤、日常學(xué)習(xí)、討論溝通、章節(jié)測驗和互動等情況。基于學(xué)生撰寫的報告、演示匯報和回答問題的情況，可以掌握學(xué)生在仿真技術(shù)、語言組織和溝通表達(dá)等方面的能力。

終結(jié)性考核中，分別基于筆試和終結(jié)性仿真考核檢驗學(xué)生的理論掌握情況和綜合能力。

4 結(jié)論

課程教學(xué)改革的實施，獲得了學(xué)生的廣泛好評，取得了以下良好效果。

1）學(xué)生學(xué)習(xí)興趣普遍提高。課程改革了以往重理論輕實踐的教學(xué)方法，將理論教學(xué)和仿真實踐教學(xué)穿插緊密結(jié)合，從課程的整體學(xué)習(xí)氣氛來看，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣普遍提高。

2）學(xué)生探究能力得到較大提升。課程采用了學(xué)生自行預(yù)習(xí)、教師檢驗預(yù)習(xí)效果的方式，從課程互動效果來看，學(xué)生探究能力會隨著課程的實施而逐漸提升。

3）學(xué)生綜合能力得到較大提高。從學(xué)生仿真演示、匯報和回答問題的情況來看，學(xué)生仿真實踐、問題處理、語言組織和溝通表達(dá)等能力會隨著仿真內(nèi)容的逐步增加和深入而逐漸得到提高。