虛擬仿真視域下液壓控制元件可視化教學(xué)研究

摘?要：高等職業(yè)教育中機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程的高投入、高損耗、高風(fēng)險(xiǎn)及難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”問(wèn)題突出，本文以液壓控制元件的教學(xué)項(xiàng)目為例，通過(guò)基于Automation Studio虛擬仿真軟件在“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程可視化教學(xué)中的應(yīng)用，著力解決課程教學(xué)中凸顯的“三高三難”問(wèn)題，使學(xué)生更加容易掌握液壓元件的基本結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理，同時(shí)為“隱性”思政元素的與專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容的有機(jī)融合提供了有效的載體，實(shí)訓(xùn)教學(xué)反饋效果也證實(shí)該方法收到了滿意的效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；液壓與氣動(dòng)技術(shù)；可視化教學(xué)

Abstract：In higher vocational education，the problems of high investment，high loss，high risk，and difficult implementation，observation，and reproduction are prominent in the teaching process of mechanical major courses.This paper takes the teaching project of hydraulic control components as an example.Through the application of the virtual simulation software based on Automation Studio in the visual teaching of the "Hydraulic and Pneumatic Technology" course，we focus on solving the problems of "three highs and three difficulties" highlighted in the course teaching，making it easier for students to master the basic structure and action principles of hydraulic components，and at the same time It provides an effective carrier for the organic integration of "hidden" ideological and political elements with the content of professional courses.The feedback effect of training teaching also confirms that the method has received satisfactory results.

Keywords：virtual simulation；hydraulic and pneumatic technology；visual teaching

在高等職業(yè)教育中，把立德樹(shù)人作為根本任務(wù)，融入思想道德教育、文化知識(shí)教育、社會(huì)實(shí)踐教育各環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程，把思想價(jià)值引領(lǐng)貫穿教育教學(xué)全過(guò)程和各環(huán)節(jié)，形成教書(shū)育人、科研育人、實(shí)踐育人、管理育人、服務(wù)育人、文化育人、組織育人長(zhǎng)效機(jī)制［1］。在機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，教師通過(guò)典型案例特定角度引入、虛擬仿真嚴(yán)謹(jǐn)仔細(xì)、實(shí)訓(xùn)操作規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等方式“潤(rùn)物無(wú)聲、如鹽在水”般地讓學(xué)生獲得思政教育，著力解決高等職業(yè)教育中機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)中“怎樣培養(yǎng)人”的關(guān)鍵問(wèn)題。

“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)二年級(jí)學(xué)生的必修課程，課程內(nèi)容包含液壓與氣動(dòng)技術(shù)的基本原理、液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)的組成元件、控制系統(tǒng)以及基本回路的計(jì)算與分析。在課程培養(yǎng)的知識(shí)目標(biāo)中，重點(diǎn)讓學(xué)生了解液壓與氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)，理解液壓與氣動(dòng)主要元件的功用、結(jié)構(gòu)、基本原理及應(yīng)用，熟悉液壓與氣壓傳動(dòng)基本控制回路的組成、工作原理及其應(yīng)用，熟悉分析系統(tǒng)回路的方法。在培養(yǎng)能力目標(biāo)方面：主要培養(yǎng)學(xué)生能識(shí)讀基本液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)圖，并分析其基本回路組成、工作原理，能根據(jù)工作機(jī)構(gòu)的要求選用液壓與氣動(dòng)元件，能完成一般液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)的安裝與調(diào)試。最后在素質(zhì)目標(biāo)方面：主要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和踏實(shí)認(rèn)真精神，培養(yǎng)學(xué)生的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和良好的職業(yè)道德以及培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)量意識(shí)和安全意識(shí)。

為提高職業(yè)院校學(xué)生對(duì)課程的理解，解決該課程的知識(shí)、技能、素質(zhì)培養(yǎng)目標(biāo)，本課題選擇“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程中核心章節(jié)（液壓控制元件的選用）為案例，使用基于Automation Studio軟件作為虛擬仿真手段對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行可視化教學(xué)，解決理論講解、實(shí)訓(xùn)實(shí)操過(guò)程中設(shè)備高投入、高損耗、高風(fēng)險(xiǎn)及教學(xué)過(guò)程中液壓圖紙難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”進(jìn)行各個(gè)擊破，促使教學(xué)目標(biāo)的高質(zhì)量完成。

1 可視化教學(xué)方法

可視化教學(xué)運(yùn)用于各類(lèi)教學(xué)場(chǎng)景的爆發(fā)期是在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的階段，但“可視化”作為專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)于1987年2月美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)召開(kāi)的一個(gè)專(zhuān)題研討會(huì)上，但是研究視覺(jué)媒體的霍爾蒂早在20世紀(jì)80年代初期在自己出版的《教學(xué)設(shè)計(jì)與圖示化》（Instructional Designand Visualization）一文中就建議在各種適合的教學(xué)場(chǎng)景中使用可視化的教學(xué)設(shè)計(jì)，使教學(xué)內(nèi)容中隱晦難懂的部分外顯，從而促進(jìn)教學(xué)效果的提高［2-3］?？梢?jiàn)，雖然可視化這一概念的出現(xiàn)并沒(méi)有一個(gè)確定的時(shí)間，只是當(dāng)代文化在轉(zhuǎn)向一種視覺(jué)文化的背景下，加上計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)在圖形技術(shù)方面的突破，人們更加關(guān)注“可視化”的實(shí)現(xiàn)［4］。

針對(duì)現(xiàn)代高等職業(yè)教育中凸顯的三高三難問(wèn)題，虛擬仿真教學(xué)模式是一個(gè)很好的切入點(diǎn)，在具體的實(shí)施環(huán)節(jié)，針對(duì)不同的課程特點(diǎn)，可以使用以實(shí)帶虛、以虛助實(shí)、虛實(shí)結(jié)合等方式促進(jìn)學(xué)生技術(shù)、技能的培養(yǎng)，從而解決高等職業(yè)教育中專(zhuān)業(yè)課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中高投入、高損耗、高風(fēng)險(xiǎn)及難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”痛點(diǎn)和難點(diǎn)。

“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程是機(jī)械大類(lèi)各專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)課程之一，同時(shí)液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程中包含復(fù)雜的理論推導(dǎo)與分析計(jì)算，比如連續(xù)性方程、伯努利方程、小孔流量等。同時(shí)在液壓基本回路的教學(xué)過(guò)程中，對(duì)于液壓系統(tǒng)的分析，通常情況下老師只能按照PPT中的圖紙進(jìn)行教學(xué)，或者使用Flash動(dòng)畫(huà)進(jìn)行可視化教學(xué)。學(xué)生雖能簡(jiǎn)單直觀地感受液壓系統(tǒng)中各個(gè)元件的運(yùn)動(dòng)。但并不能準(zhǔn)確直觀地觀察在不同的控制方式下，管道內(nèi)部液壓傳動(dòng)介質(zhì)的流動(dòng)形態(tài)、壓力變化大小以及流量的運(yùn)行狀態(tài)。

為解決該矛盾，本項(xiàng)目使用Automation Studio軟件進(jìn)行可視化教學(xué)教學(xué)，首先通過(guò)教師在PPT進(jìn)行理論分析，在學(xué)生完全理解理論知識(shí)、未開(kāi)展實(shí)訓(xùn)操作之前，使用Automation Studio軟件進(jìn)行虛擬接管，搭建液壓系統(tǒng)，同時(shí)使用軟件中的壓力表、流量計(jì)等元器件直觀驗(yàn)證理論分析的正確性，在教師驗(yàn)證通過(guò)之后，學(xué)生才可在液壓實(shí)訓(xùn)操作平臺(tái)上完成液壓系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)與操作。

2 方向控制元件可視化教學(xué)

方向控制元件的功用是利用閥芯相對(duì)于閥體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油路的通、斷或改變液流流向，從而控制執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)、停止或運(yùn)動(dòng)方向的變換。按照閥芯結(jié)構(gòu)分為：滑閥式、轉(zhuǎn)閥式、球閥式；按控制方式分為：手動(dòng)向閥、機(jī)動(dòng)換向閥、電磁換向閥、液動(dòng)換向閥、電液換向閥；按閥芯工作位置數(shù)量分為：二位、三位、四位；按通路數(shù)量分為：二通、三通、四通、五通。

在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，按照如右圖1的方式，利用PPT進(jìn)行理論教學(xué)，首先通過(guò)理論講解，讓學(xué)生大致明白滑閥式換向機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理，為虛擬仿真和實(shí)訓(xùn)操作夯實(shí)基礎(chǔ)，理論講解結(jié)束后，使用Automation Studio軟件組建帶有二位三通換向閥液壓系統(tǒng)，通過(guò)虛擬動(dòng)態(tài)仿真，讓學(xué)生真正理解改變滑閥的工作位置就能夠切換液壓回路中的液壓油流動(dòng)的方向，從而改變液壓油流入執(zhí)行元件位置，最終改變執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)學(xué)生利用Automation Studio軟件清晰直觀地理解滑閥式換向閥的動(dòng)作機(jī)制后，如圖2所示，為第二學(xué)時(shí)的理實(shí)一體化實(shí)訓(xùn)教學(xué)打下基礎(chǔ)。

3 壓力控制元件可視化教學(xué)

壓力控制元件的功用是控制液壓系統(tǒng)油液壓力或利用壓力作為信號(hào)來(lái)控制其他元件動(dòng)作。按用途分為溢流閥、順序閥、減壓閥和壓力繼電器；按工作原理分為直動(dòng)式、先導(dǎo)式；按閥芯結(jié)構(gòu)分為滑閥式、球閥式、錐閥式。壓力控制元件內(nèi)部共同的基本構(gòu)建都是由閥體、閥芯及調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)（調(diào)壓彈簧、調(diào)壓螺母）等組成。常見(jiàn)的溢流閥、減壓閥、順序閥都是利用作用在閥芯上的液壓力與彈簧力相平衡的原理進(jìn)行工作。為節(jié)約篇幅，本實(shí)驗(yàn)只將直動(dòng)式溢流閥用于可視化教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

液壓系統(tǒng)中的溢流閥主要作用：一是保持液壓系統(tǒng)或回路的壓力恒定；二是用作安全閥，對(duì)液壓系統(tǒng)起過(guò)載保護(hù)作用。如圖3所示，A接系統(tǒng)，B接油箱；溢流閥閥口常閉；假設(shè)調(diào)節(jié)螺母的整定壓力為pz，閥芯作用面積為A，則：

通過(guò)理論教學(xué)，學(xué)生基本明白了直動(dòng)式溢流閥的理論原理，為讓學(xué)生可視化觀察直動(dòng)式溢流閥真實(shí)安裝調(diào)試場(chǎng)景與壓力調(diào)節(jié)，組建圖4液壓系統(tǒng)圖，并通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)起壓力數(shù)值的大?。?0bar），學(xué)生在軟件中直接觀察系統(tǒng)溢流時(shí)壓力表的讀數(shù)值（80.46bar）。通過(guò)虛擬仿真可視化教學(xué)加深了學(xué)生對(duì)直動(dòng)式溢流閥的理解。

4 流量控制元件可視化教學(xué)

流量控制元件是液壓系統(tǒng)中十分重要的元件，在理論教學(xué)中通常先給學(xué)生講解節(jié)流閥以及節(jié)流閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再通過(guò)結(jié)構(gòu)改造繼續(xù)講解節(jié)流閥的升級(jí)設(shè)備：調(diào)速閥。在該項(xiàng)目的教學(xué)過(guò)程中，流量控制元件都是通過(guò)改變節(jié)流口通流面積來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)的流量，從而調(diào)節(jié)和控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度，因此核心的理論教學(xué)任務(wù)就是讓學(xué)生理解：如何改變節(jié)流口的通流面積？在理論教學(xué)中，常見(jiàn)的節(jié)流口形式如圖5所示，通過(guò)理論講解學(xué)生明白了節(jié)流口通流面積的調(diào)節(jié)，但不直觀、不深刻。因此通過(guò)Automation Studio軟件組建帶有節(jié)流閥和流量計(jì)的液壓系統(tǒng)圖，如圖6所示。學(xué)生可以在該虛擬仿真軟件上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)通流面積的大小、直觀觀察流量計(jì)的讀數(shù)并且可以可視化查看執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度。使學(xué)生真正明白流量控制元件的使用場(chǎng)景和規(guī)范，為后期的真實(shí)液壓實(shí)訓(xùn)操作夯實(shí)基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

（1）基于虛擬仿真的可視化教學(xué)模式有效地改善了工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)痛難點(diǎn)。借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬仿真軟件使用Automation Studio軟件輔助機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的理論教學(xué)，解決了現(xiàn)代高等職業(yè)院校中工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中高投入、高損耗、高風(fēng)險(xiǎn)及難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”痛點(diǎn)和難點(diǎn)。

（2）虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)可成為“隱性”思政教育的重要形式?；谔摂M仿真的可視化教學(xué)，教師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)設(shè)計(jì)、示范性的實(shí)訓(xùn)操作潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎挤绞揭约熬媲缶墓ぷ鲗W(xué)習(xí)態(tài)度，為未來(lái)的職業(yè)生涯夯實(shí)基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：楊泮，碩士研究生，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。