液壓與氣壓傳動課程項目化教學改革設計與實驗研究

張繼東，于 鵬

（安徽信息工程學院機械工程學院，蕪湖 241000）

液壓傳動技術是二十世紀四十年代發(fā)展起來的一門新興傳動技術，它的出現(xiàn)極大地促進了機械行業(yè)的自動化。但是隨著國家智能制造的發(fā)展，液壓與傳動技術產生了新的發(fā)展趨勢，如基于三維數(shù)字化設計軟件的液壓管路智能設計，礦用防暴車智能穩(wěn)速制動液壓系統(tǒng)設計，基于AMESim-MATLAB聯(lián)合仿真的液壓盾構刀盤控制設計，軍事工業(yè)用的火炮操縱裝置、船舶減搖裝置、飛行器仿真、飛機起落架的收放裝置和方向舵控制裝置等[1-6]。目前液壓與氣動技術已經擴展到空天海洋、智能制造、人工智能、機器人等新興領域，與其他學科的交叉融合已經成為現(xiàn)代液壓與氣壓傳動的發(fā)展趨勢，如何讓液壓與氣壓傳動課程所培養(yǎng)的人才符合現(xiàn)代工業(yè)人才需求，符合國家戰(zhàn)略重心導向，是液壓與氣壓傳動課程改革所面臨的難題。

1 液壓與氣壓傳動教學現(xiàn)狀

隨著高校工程認證工作的展開，機械類專業(yè)的液壓與氣動傳動課程教學面臨上下兩難的境地。首先，液壓與氣壓傳動課程的特點是以液壓為主體，以氣動系統(tǒng)為輔，內容包含流體基本理論、液壓元器件基本認知、基本回路的掌握、液壓系統(tǒng)的構成這四塊內容。其次，對學生的要求是達到對于中等復雜程度液壓系統(tǒng)能夠理解并會進行分析計算，對第一條中的四塊內容要融會貫通，高階要求是會分析液壓系統(tǒng)和處理相關液壓工程問題的能力。而要達到以上要求，以目前32課時難以達到，而32課時中又有6個學時實驗課，課堂教學被壓縮為26個課時，相比傳統(tǒng)教學48課時，實際教學課時已經被壓縮了38%。為扭轉這種被動式，少課時的艱難境地，液壓與氣壓傳動的改革必須“脫胎換骨”，擺脫原有教學模式，創(chuàng)新教學思路[7]。

2 現(xiàn)狀原因分析

首先，從教學設計上，并沒有把理論與教學實踐結合起來，沒有建立“鏈接科學”[8]，理論與實踐脫鉤脫節(jié)問題突出。課程的理論性與實踐性聯(lián)系較為緊密，如何把課程內容與工程實踐相結合是教學設計所面臨的一大問題，沒有創(chuàng)設問題情境、協(xié)作探究、會話交流，教學設計模式單一，僅僅是簡單的線性流程，具有明顯的分析、設計、開發(fā)、實施、評價等各階段循序漸進的線性特征，沒有借助互聯(lián)網等信息技術進行學習資源的設計與開發(fā)，以及不能夠建立有效的溝通機制。教學設計仍然以知識為中心，關注的是知識傳遞的策略，即教師要教什么，學生要學什么，沒有關注學生主體的感知與體驗。

其次，從教學方法和手段上來說，境況是單一化、扁平化、線性化，不具有空間立體化，目前的國內大部分高校雖然進行了基于“翻轉課堂”[8]“ 啟發(fā)式”“討論式”“自學輔助式”[9]、小組討論等多種形式的教學方式，但是效果不明顯，并不能夠解決學生主體體驗較好而又能取得較好成績的結果。

第三，教學資源的傳授形式沒有建立閉環(huán)，而是開環(huán)模式，沒有反饋調節(jié)，目前國內院校大部分的做法是建立一定的試題庫，或者教師錄制一定的視頻然后給學生進行自主學習，但是這個帶來的問題就是，沒有興趣的同學不會主動去做試題庫以及去看相關的教學視頻，沒有動力驅動學生主體去積極學習，做以上資源庫的前提是學生具有較高的積極性和主動性，如果丟掉這個前提，那么必然帶來學生群體成績的個異化。

總之，目前的教學設計、教學內容、教學方法與手段、以及教學資源的傳授形式都滯后于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，迫切需要進行科學的、系統(tǒng)的、有針對性的研究。

3 “五位一體”閉環(huán)反饋調節(jié)教學設計的建立

如何解決目前的教學困境，運用整體性與相互聯(lián)系性的哲學原理，首先從教學設計上著眼，構建以學生內在驅動力為核心的“五位一體”教學設計體系?！拔逦弧敝福海?）以信息化平臺為橋梁，重組搭建課程內容體系；（2）建立課上協(xié)作探究，課下創(chuàng)設問題情景模式；（3）以工程項目為培養(yǎng)載體，融入“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目+專利研究項目+校企合作項目+學科競賽項目”四要素，輸出畢業(yè)設計與論文的特色教學實踐體系；（4）把學科前沿的最新成果融入課程內容，建立學科交叉融合體系；（5）融合移動終端，利用好移動終端的優(yōu)勢?！耙惑w”是指：構建以教師為輔，五大元素互相融合、聯(lián)動互通的閉環(huán)反饋調節(jié)體系，如圖1所示。

圖1 以學生內在驅動力為核心的閉環(huán)反饋調節(jié)課程體系

3.1 學生內在驅動力的影響因素分析

興趣在提高學生的內在驅動力方面有一定的影響力，那么哪些因素會影響學生內在驅動力，張愛蓮[10]在對137名非重點工科院校大學生學習動機的調查與分析文中指出，“生存與發(fā)展”這一因素是引發(fā)學生遠景性學習主要因素，說明要全面提高學生的學習積極性，更重要的是培養(yǎng)和激發(fā)學生與遠大志向有關的遠景性學習動機，而與考試壓力等有關的近景性學習動機雖然具有直接性和實效性，但其作用畢竟是不能持久的。那么哪些因素妨礙學習積極性，其中專業(yè)與課程因素影響達到46.7%，教學狀況占比17.5%，課程安排占比10.9%，知識運用占比8.0%，作業(yè)考試占比4.4%，能力培養(yǎng)占比3.6%，可以發(fā)現(xiàn)學生對于專業(yè)設置、教學方法以及課程安排不滿占比達到75.1%，也就意味著，可能并不是學生不愿意學，而是教學改革效果沒有達到學生的期望值，也就是現(xiàn)代大學生對教學效果的期望值與教學效果滯后之間的沖突日益加劇，如何改變這種現(xiàn)狀是每一個教育工作者所面臨的困境，迫切需要改變這種現(xiàn)狀。

現(xiàn)代心理學越來越重視誘因對個體動機和行為的影響。在教學實踐中存在這樣現(xiàn)象：枯燥的教學內容往往使求知欲望較強的學生也難維持較強的聽課動機；而精彩的教學內容會使求知欲不強的學生也產生較強的聽課動機，這表明誘因在激發(fā)學生學習動機方面確實有著重要作用。有調查表明“好的教師”“好的課程”這兩項誘因對大學生的學習動機具有最大的促進作用[11-12]。

3.2 以信息化平臺為橋梁，重組搭建課程內容體系

2018年11月24日教育部高教司司長吳巖在第十一屆“中國大學教學論壇”做了題為《建設中國金課》的報告，提出了“互聯(lián)網+教育”催生的新型態(tài)課程：慕課。目前國內線上平臺不僅僅有慕課，還有超星學習通、藍墨云、雨課堂、博思、慕微課堂等強大的線上工具，強有力地支撐了互聯(lián)網教育新形勢，但是需要警醒的是教師不能做“搬運工”，只是把課堂內容搬到線上，聽之任之，不加修飾，那樣起到的效果只會增加學生的負擔。首先要分解課程內容，重組課程內容，主次分明，詳略得當，哪些內容是符合課程大綱要求的，這樣的內容以什么樣的形式傳授給學生，哪些課程內容是可以大刀闊斧的簡化或者砍去，達到存量調整、增量優(yōu)化的目的。比如對于應用型高校而言，是否一定要保留流體力學的理論推導和論證過程，或者說這樣的理論推導和論證過程是否可以簡化，簡化到什么程度，在實際工程項目中用到這些理論的時候需要哪些核心知識點，提煉出來，用實體項目驅動理論公式進行推導，這樣學生的興趣是不是大些，而不是純粹的在課堂上推導，學生都不知道這個理論在哪里使用，如何使用，情境在哪里，一頭霧水，而換作項目驅動的方式引導學生主體去自己推導琢磨，極大地增強了學生對于理論研究的興趣，也增強了學生對于這一類理論的使用范圍、使用情景的深刻認識。但是在設置項目引導的時候需要遵循由簡到難的學習過程。

其次還要思考哪些課程內容是線上可以自主學習的內容，哪些課程內容課堂傳授效果是線下無法達到的，線上內容如何與線下內容的銜接問題等。為此構建了“課上+課下+實驗+虛擬仿真+實訓+工程項目”六元三模塊化重組課程內容體系，如圖2所示。其中“課上+課下”組成一個模塊，實驗內容獨立成一模塊，“虛擬仿真+實訓+工程項目”作為創(chuàng)新體系一部分獨立成另一模塊。該體系分解了課程內容并重組課程內容，例如液壓傳動的發(fā)展歷史可以在課下借助網絡平臺自學完成，而液壓傳動的工作原理與組成學生自學難度較高，需要課上教師深度演繹才能融會貫通；同時進行了相關內容的模塊化，例如對于一些課上難以理解的內容需要進行實驗單獨集中進行，再通過網絡平臺與教師產生共鳴，共同解決理論的難理解難題；而對于學生的創(chuàng)新能力的訓練養(yǎng)成則依靠“虛擬仿真+實訓+工程項目”組成的模塊去解決，依靠FLUENTSIM軟件對液壓回路以及液壓缸參數(shù)的計算進行仿真使得學生具備參數(shù)設計以及液壓回路的設計能力，初步具備一定產業(yè)工程的設計能力，而對于學生的綜合應用能力的養(yǎng)成需要依靠液壓與氣壓實訓對典型液壓系統(tǒng)和現(xiàn)代液壓控制裝備的組裝調試去形成，最后在工程項目中創(chuàng)新性地引用液壓與氣壓的知識體系去實踐學到的知識體系，達到理論轉化實踐，以適應現(xiàn)代產業(yè)工程師對該課程所要求的程度。經過大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、全國大學生機械設計競賽等實體項目的檢驗，切實培養(yǎng)學生實際工程應用能力。

圖2 六元三模塊化重組課程內容體系

3.3 建立課上協(xié)作探究，課下創(chuàng)設問題情景模式

通過建立課上協(xié)作探究、課下創(chuàng)設問題情景模式能夠有力的提高學生課上對課程的主觀能動性和課下對課程的延申研究的動力。例如如圖3所示，以伯努利方程為例，建立以伯努利方程原理構建課上協(xié)作探究、課下創(chuàng)設情景模式系統(tǒng)，架設液壓與氣壓傳動課程與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)以及學科競賽之間的橋梁，經過這種模式的訓練后，學生可以進一步深化所學知識進行創(chuàng)新訓練，如圖4、圖5，是學生經過模式訓練后，自主設計的氣動控制掃地機器人及其關鍵部件氣動控制升降系統(tǒng)。

圖3 以伯努利方程原理構建課上協(xié)作探究、課下創(chuàng)設情景模式系統(tǒng)

圖4 氣動控制掃地機器人

3.4 以工程項目為培養(yǎng)載體的特色教學實踐體系

采用“以工程項目為培養(yǎng)載體”的特色教學實踐體系，注重培養(yǎng)學生液壓與氣壓傳動的工程實踐創(chuàng)新能力。采用“以工程項目為培養(yǎng)載體”的特色教學實踐體系，立足區(qū)域資源特色與優(yōu)勢，培養(yǎng)學生開發(fā)本地資源的液壓與氣壓傳動工程思維方法與實踐能力。融入大學生“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目+專利研究項目+校企合作項目+學科競賽項目”四要素，把課程內容引申為大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，孵化專利研究項目，以專利技術為依托融合企業(yè)實體項目，以企業(yè)實體項目成果參與全國重點學科競賽，以四要素形成的能力輸入畢業(yè)設計與論文，形成有特色的教學實踐體系。如表1所示，是以工程項目為培養(yǎng)載體進行特色教學的設計內容，液壓回路的仿真及驗證在圖6所示的仿真軟件里面進行操作。

圖6 液壓回路仿真軟件及其回路圖

4 項目化教學對比實驗

以車輛1701、1702、1703、1704四個班作為實驗教學班開展項目化教學實驗，實驗周期為2020-2021年秋季學期，實驗人數(shù)為4個班153人，其中車輛1701-1702教學班為對照班，車輛1703-1704為實驗對象，對車輛1703-1704班進行項目化教學，車輛1701-1702班不進行項目化教學，進行傳統(tǒng)授課模式，通過一學期的教學，進行統(tǒng)一卷面考試，實行教考分離，通過圖7可以發(fā)現(xiàn)，經過項目化教學的車輛1703-1704班級，在80-89分區(qū)間的人數(shù)遠大于沒有經過項目化教學的車輛1701-1702班，同時90分以上人數(shù)也多于沒有經過項目化教學的班級，因此可以說明經過項目化教學班級的學生總體學習效果得到有效提高。

圖7 車輛四個班卷面成績分析對比

5 結語

“五位一體”立體化實踐創(chuàng)新教學體系立足于提高學生的學習積極性、學習效率、學習精準度，拓寬學生的學習視野以及延申課程的廣度和深度，增強學生的實踐能力、創(chuàng)新能力、就業(yè)能力，是高校在液壓與氣壓傳動課程上的有力嘗試，是提高新工科人才綜合素質的新途徑。面對現(xiàn)代高等教育中的種種不足，高校只有結合專業(yè)和學生的學習實際，進行大膽嘗試和創(chuàng)新改革，才能使中國的高等教育人才培養(yǎng)質量符合當前對工科職業(yè)需求的復雜多變的社會變化，只有不斷地改革才能誕生更多的創(chuàng)新體制，才能使中國高等教育更加多元化、國際化。