新工科能力導(dǎo)向的液壓氣動(dòng)技術(shù)課程項(xiàng)目制教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

王海芳 陳利強(qiáng) 呂超

摘? 要：針對(duì)新工科國(guó)家創(chuàng)新工程人才的培養(yǎng)需求和液壓氣動(dòng)技術(shù)課程的內(nèi)容，基于OBE工程教育的理念，分析課程的現(xiàn)狀及問(wèn)題，搭建課程的知識(shí)組成及能力導(dǎo)向，提出課程知識(shí)模塊教學(xué)架構(gòu)，以項(xiàng)目教學(xué)法為核心，工程項(xiàng)目輔以相應(yīng)的工程仿真軟件支撐，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)“學(xué)”與“做”的有效結(jié)合，實(shí)行學(xué)生項(xiàng)目組和指導(dǎo)教師組“雙向”的評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)學(xué)生組內(nèi)和教師過(guò)程性評(píng)價(jià)。實(shí)踐表明，課程教學(xué)改革更好地提升學(xué)生的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：新工科;目標(biāo)導(dǎo)向教育;流體傳動(dòng);項(xiàng)目教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2023）31-0127-04

Abstract： For the demand of cultivating the innovative engineering talents in emerging engineering education and the content of Hydraulic and Pneumatic Transmission course， the current situation and problems of the course is analyzed based on outcome based education. The knowledge composition and ability objective of hydraulic and pneumatic transmission course is present. The knowledge module teaching framework of Hydraulic and Pneumatic Transmission course is proposed， which takes project teaching method as the core and projects are supported by corresponding engineering simulation software， so that students can realize the effective combination of learning and doing. The two-way evaluation method of project group and teacher group evaluation has been added. Practice shows that the course group teaching reform has better improved ability of student to analyze and solve problems.

Keywords： emerging engineering education; outcome based education; fluid transmission; project teaching; reform in education

黨的二十大報(bào)告指出，教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。聯(lián)合國(guó)教科文組織也指出，高等工程教育要從“技術(shù)范式”發(fā)展為“科學(xué)范式”，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為”工程范式”。新工科以立德樹(shù)人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1-3]，為高等工程教育的改革探索提供了一個(gè)全新視角和“中國(guó)方案”。

目標(biāo)導(dǎo)向教育（Outcome Based Education，簡(jiǎn)稱(chēng)OBE，亦稱(chēng)目標(biāo)導(dǎo)向教育、成果導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育）是一種面向市場(chǎng)需求的、重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生能力培養(yǎng)和能力訓(xùn)練的工程教育模式[4]。新工科同樣也強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性以及“學(xué)”與“做”的有機(jī)結(jié)合，如此，新工科與目標(biāo)導(dǎo)向教育結(jié)合實(shí)踐會(huì)有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)合工程技術(shù)人才的培養(yǎng)。

液壓與氣動(dòng)（流體傳動(dòng)）是與機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)并行的能量傳輸方式，流體傳動(dòng)方式易于實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、無(wú)級(jí)變速和自動(dòng)控制，在重工、輕工、國(guó)防、航天和航空等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，因此，流體傳動(dòng)技術(shù)是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。隨著新工科建設(shè)的不斷深入，傳統(tǒng)的液壓氣動(dòng)技術(shù)課程缺乏工程性的教學(xué)，已不適應(yīng)新時(shí)代的人才需求。針對(duì)實(shí)際教學(xué)存在的問(wèn)題，以新工科創(chuàng)新理念為背景，構(gòu)建液壓氣動(dòng)技術(shù)課程的知識(shí)組成及目標(biāo)導(dǎo)向，提出以工程項(xiàng)目為任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，直接參與教學(xué)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了“學(xué)”與“做”的有效結(jié)合。

一? 課程的現(xiàn)狀及問(wèn)題

目前，流體傳動(dòng)教學(xué)通常是先理論再實(shí)驗(yàn)，以理論為主，以實(shí)驗(yàn)為輔。此類(lèi)教學(xué)模式簡(jiǎn)單可行，能滿(mǎn)足初步的教學(xué)需求，也存在以下不足。

首先，此類(lèi)教學(xué)模式以教師為主體，本質(zhì)上背離了新工科與目標(biāo)導(dǎo)向教育所倡導(dǎo)的“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)的積極性。

其次，液壓與氣壓傳動(dòng)的流體力學(xué)理論主要講授流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是分析元件與系統(tǒng)的基礎(chǔ)流體理論和計(jì)算方法支撐，有一定的理論強(qiáng)難度，學(xué)生理解起來(lái)比較難。

再次，由于液壓與氣壓傳動(dòng)的特殊性，元件和回路大多是在密封的條件下工作，盡管有元件及系統(tǒng)動(dòng)畫(huà)的支持，但教學(xué)的直觀性相對(duì)較差，學(xué)生掌握元件與回路的原理及構(gòu)成比較困難。

最后，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)目不足，學(xué)生實(shí)際操作機(jī)會(huì)少，實(shí)踐能力比較薄弱，缺乏工程實(shí)踐能力的培訓(xùn)。

二? 課程的知識(shí)組成及能力導(dǎo)向

傳統(tǒng)教學(xué)采用課程知識(shí)→教學(xué)目標(biāo)→專(zhuān)業(yè)需求的正向設(shè)計(jì)原則，難以快速適應(yīng)專(zhuān)業(yè)的需求變化。而目標(biāo)導(dǎo)向教育遵循的是逆向設(shè)計(jì)原則，即從專(zhuān)業(yè)需求開(kāi)始，由需求決定教學(xué)目標(biāo)，再由教學(xué)目標(biāo)決定課程知識(shí)，液壓與氣壓傳動(dòng)在機(jī)械工程中主要起驅(qū)動(dòng)作用，因此機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)需要液壓氣動(dòng)技術(shù)課程提供傳動(dòng)的基本流體力學(xué)基礎(chǔ)，傳動(dòng)動(dòng)力、執(zhí)行、控制和輔助元件的作用、結(jié)構(gòu)及特性，傳動(dòng)壓力、流量和方向基本回路的作用及特性，傳動(dòng)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的一般步驟。

基于上述專(zhuān)業(yè)需求，按照新工科理念，液壓氣壓傳動(dòng)課程的學(xué)生知識(shí)組成及能力導(dǎo)向如下。

熟悉流體靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、管路流動(dòng)及其阻力特性、孔口和縫隙流動(dòng)及其壓力損失、液壓沖擊和氣穴情況等知識(shí)。培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用流體力學(xué)知識(shí)分析和解決工程問(wèn)題的能力。

掌握流體動(dòng)力、執(zhí)行、控制和輔助元件的工作原理、典型結(jié)構(gòu)、工作特性、參數(shù)計(jì)算和適用場(chǎng)合等知識(shí)。培養(yǎng)學(xué)生流體元件的選型、計(jì)算和分析的能力。

掌握流體壓力、方向、速度和多執(zhí)行基本回路的工作原理、工作特性、參數(shù)計(jì)算和適用場(chǎng)合等知識(shí)。培養(yǎng)學(xué)生基本回路的選型、計(jì)算和分析的能力。

掌握流體傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)等知識(shí)。培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)等知識(shí)對(duì)流體傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行原理分析、設(shè)計(jì)計(jì)算、系統(tǒng)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)分析的能力。

三? 課程的項(xiàng)目制教學(xué)設(shè)計(jì)

基于課程的知識(shí)構(gòu)建及能力導(dǎo)向，將課程分為4個(gè)知識(shí)模塊，分別為流體力學(xué)基礎(chǔ)、元件原理及組成、回路原理及組成、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)知識(shí)模塊。各個(gè)知識(shí)模塊根據(jù)具體的課程內(nèi)容，將傳統(tǒng)的學(xué)科體系中的知識(shí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為若干個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，同時(shí)輔以相應(yīng)的工程仿真軟件或?qū)嶒?yàn)臺(tái)為支撐，構(gòu)建了一個(gè)完整的液壓與氣壓傳動(dòng)課程知識(shí)模塊教學(xué)架構(gòu)，如圖1所示，圍繞項(xiàng)目開(kāi)展教學(xué)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，直接參與教學(xué)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了“學(xué)”與“做”的有效結(jié)合。

流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)模塊，提供了流體傳動(dòng)的基礎(chǔ)理論支撐，設(shè)置4大類(lèi)項(xiàng)目：流體靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)類(lèi)項(xiàng)目，其內(nèi)容包含液壓油液的性質(zhì)、流體靜力學(xué)、流量連續(xù)性方程、伯努利方程的應(yīng)用、動(dòng)量方程的應(yīng)用;管道流動(dòng)及孔口流動(dòng)類(lèi)項(xiàng)目，其內(nèi)容包括管道的流態(tài)與雷諾數(shù)、圓管流動(dòng)的沿程壓力損失計(jì)算、管道流動(dòng)的局部壓力損失計(jì)算、薄壁小孔、滑閥閥口、錐閥閥口、短孔和細(xì)長(zhǎng)孔的流量計(jì)算;縫隙流動(dòng)和液壓沖擊類(lèi)項(xiàng)目，其內(nèi)容包括平板、圓柱環(huán)形、圓錐環(huán)形縫隙、液壓卡緊分析、液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象;氣體動(dòng)力學(xué)類(lèi)項(xiàng)目，其內(nèi)容包括氣體流動(dòng)基本方程、氣體的氣流參數(shù)與通道面積的關(guān)系、氣體管道中的流動(dòng)分析。此部分知識(shí)以流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)為研究對(duì)象，引入有限元流體仿真軟件[5]，如圖2所示，直觀講解液壓與氣壓流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)生也可以進(jìn)行自行建模，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

元件原理及組成知識(shí)模塊，提供了流體傳動(dòng)的元件的原理、構(gòu)造和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算支撐。設(shè)置4大類(lèi)項(xiàng)目：動(dòng)力元件類(lèi)項(xiàng)目，其內(nèi)容包含液壓泵的基本工作原理、主要性能參數(shù)、通用性能曲線(xiàn)和選用原則，柱塞泵、葉片泵、齒輪泵、螺桿泵以及氣源部分的基本組成和計(jì)算;執(zhí)行元件類(lèi)項(xiàng)目，其內(nèi)容包含馬達(dá)的原理、基本組成、參數(shù)計(jì)算和選用原則，柱塞馬達(dá)、葉片馬達(dá)、液壓缸和氣缸的原理、基本組成、參數(shù)計(jì)算和選用原則;控制元件類(lèi)項(xiàng)目，其內(nèi)容包含方向控制閥、壓力控制閥、流量控制閥，電液伺服閥和比例控制閥，氣動(dòng)檢測(cè)元件、氣動(dòng)邏輯元件和輔助元件的原理、基本組成、參數(shù)計(jì)算和選用原則;輔助元件類(lèi)項(xiàng)目，其內(nèi)容包含蓄能器、過(guò)濾器、郵箱、熱交換器和壓力表、管路及接頭、密封裝置、消聲器和氣液轉(zhuǎn)換器的原理、基本組成、參數(shù)計(jì)算和選用原則。此部分知識(shí)以元件為研究對(duì)象，應(yīng)用三維建模軟件[6]，如圖3所示，將元件復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行動(dòng)畫(huà)仿真和視頻實(shí)物講解，學(xué)生直觀地理解了結(jié)構(gòu)原理。

回路原理及組成知識(shí)模塊，提供了流體傳動(dòng)的回路的原理、構(gòu)造和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算支撐。設(shè)置4大類(lèi)項(xiàng)目：壓力回路類(lèi)項(xiàng)目，利用壓力控制閥來(lái)控制整個(gè)液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)或局部回路得壓力，其內(nèi)容包含調(diào)壓、卸荷、減壓、增壓、保壓、泄壓和平衡回路的組成與分析;速度回路類(lèi)項(xiàng)目，利用流量控制閥或變量泵來(lái)控制整個(gè)液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)或局部回路的流量，從而進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，其內(nèi)容包含進(jìn)口節(jié)流調(diào)速、出口節(jié)流調(diào)速、變量泵定量馬達(dá)調(diào)速、變量泵變量馬達(dá)調(diào)速卸荷、液壓缸差速快速回路、雙泵供油快速回路、充液快速回路、蓄能器快速供油回路和快慢速度換接回路的組成與分析;方向回路類(lèi)項(xiàng)目，利用方向控制閥或雙向泵來(lái)控制整個(gè)液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)或局部回路的流量走向，從而進(jìn)行方向調(diào)節(jié)，其內(nèi)容包含換向閥換向回路、雙向定/變量泵換向回路、鎖緊回路、制動(dòng)回路的組成與分析;多執(zhí)行元件類(lèi)項(xiàng)目，多個(gè)執(zhí)行元件進(jìn)行工作，因回路中壓力、流量的相互影響而在動(dòng)作上受到牽制，通過(guò)壓力，流量、形成進(jìn)行復(fù)合控制，其內(nèi)容包含壓力順序動(dòng)作回路、行程控制順序動(dòng)作回路、流量控制閥同步回路、串聯(lián)液壓缸同步回路、同步缸/馬達(dá)同步回路，比例/伺服閥同步回路、互不干擾回路和多路換向閥回路的組成與分析。此部分知識(shí)以回路為研究對(duì)象，應(yīng)用AMEsim仿真軟件[7]，如圖4所示，學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真演算，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，提高設(shè)計(jì)效果。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)知識(shí)模塊，提供了流體傳動(dòng)的元件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐支撐。設(shè)置4大類(lèi)項(xiàng)目：流體系統(tǒng)設(shè)計(jì)類(lèi)項(xiàng)目，其內(nèi)容以系統(tǒng)使用要求及速度負(fù)載分析為基礎(chǔ)，首先進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行系統(tǒng)的具體參數(shù)計(jì)算、缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元件集成設(shè)計(jì)、油箱、氣路及泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行常用元件的選型;各類(lèi)液阻特性類(lèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其內(nèi)容以閥口的流量公式為基礎(chǔ)，在油液流動(dòng)狀態(tài)不變的情況下，分別測(cè)定細(xì)長(zhǎng)孔、薄壁孔、短孔油液壓力降及相應(yīng)的流量，形成流量-壓力特性曲線(xiàn)，從而測(cè)定具體液阻;節(jié)流調(diào)速類(lèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其內(nèi)容以速度負(fù)載特性公式為基礎(chǔ)，分別測(cè)定進(jìn)口、出口和旁路節(jié)流調(diào)速回路的負(fù)載和速度，形成負(fù)載-速度特性曲線(xiàn)，從而測(cè)定具體節(jié)流調(diào)速速度剛度;氣動(dòng)元件系統(tǒng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其內(nèi)容主要包括氣動(dòng)發(fā)生及凈化裝置、氣動(dòng)三大件、氣動(dòng)控制閥、以及氣缸和氣馬達(dá)、氣動(dòng)附件認(rèn)知組成、氣動(dòng)基本回路連接，氣動(dòng)與液壓系統(tǒng)的對(duì)比。此部分知識(shí)以系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)臺(tái)[8]，如圖5所示，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)搭建，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的操作性，提高動(dòng)手能力。

四? 考核及評(píng)價(jià)方法的實(shí)踐

基于新工科的液壓氣動(dòng)技術(shù)課程知識(shí)構(gòu)建及能力導(dǎo)向，結(jié)合課程項(xiàng)目制教學(xué)方法的改革，課程的考核方式由傳統(tǒng)的“平時(shí)成績(jī)+實(shí)驗(yàn)成績(jī)+考試成績(jī)”修改為“項(xiàng)目成績(jī)+實(shí)驗(yàn)成績(jī)+考試成績(jī)”，將“平時(shí)成績(jī)”替換為“項(xiàng)目成績(jī)”，以項(xiàng)目全程考核學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)。項(xiàng)目實(shí)行學(xué)生項(xiàng)目組和指導(dǎo)教師組“雙向”的評(píng)價(jià)方法，如圖6所示，學(xué)生項(xiàng)目組引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，從組內(nèi)學(xué)生項(xiàng)目的完成度、效果性和合作度進(jìn)行組內(nèi)評(píng)價(jià)，有效避免組內(nèi)個(gè)人“打醬油”現(xiàn)象，充分發(fā)揮組內(nèi)學(xué)生的主觀能動(dòng)性;指導(dǎo)教師組引入過(guò)程評(píng)價(jià)，從學(xué)生項(xiàng)目的開(kāi)題、中期和結(jié)束進(jìn)行教師多次過(guò)程評(píng)價(jià)，在不同階段全過(guò)程指導(dǎo)學(xué)生，及時(shí)探究項(xiàng)目各種過(guò)程問(wèn)題，從而發(fā)現(xiàn)學(xué)生長(zhǎng)處和不足，全過(guò)程提高學(xué)生的能力。

以機(jī)械、車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生為依托，實(shí)施新工科背景下能力導(dǎo)向的液壓氣動(dòng)技術(shù)課程項(xiàng)目制教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，課程最終成績(jī)總體提高了7.6%，學(xué)生在全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)大學(xué)生機(jī)械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽和全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中多次應(yīng)用液壓氣動(dòng)知識(shí)和相應(yīng)的工程軟件，取得國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)數(shù)量增加了50%，說(shuō)明學(xué)生液壓氣動(dòng)知識(shí)及工程軟件的理解及應(yīng)用得到了普遍加強(qiáng)。

五? 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)國(guó)家高等工程教育的培養(yǎng)需求，按照新工科和目標(biāo)導(dǎo)向教育理念，構(gòu)建了液壓氣動(dòng)技術(shù)課程的知識(shí)組成及能力導(dǎo)向，提出了以項(xiàng)目制為基礎(chǔ)的知識(shí)模塊教學(xué)架構(gòu)，通過(guò)基于項(xiàng)目制教學(xué)方法的實(shí)施，輔以相應(yīng)的工程仿真軟件支撐，使學(xué)生自主融入教學(xué)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了“學(xué)”與“做”的有效結(jié)合，改進(jìn)了考核方式，實(shí)行了學(xué)生項(xiàng)目組和指導(dǎo)教師組“雙向”的評(píng)價(jià)方法。實(shí)施結(jié)果表明，學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題能力得到了較好提升。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金“噴霧熱解過(guò)程中微納多孔結(jié)構(gòu)氧化鈰顆粒形成機(jī)理及模擬研究”（51904069）;河北省高等學(xué)校教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“《機(jī)械控制工程》課程思政教學(xué)案例庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)踐”（2021GJJG428）;東北大學(xué)秦皇島分校重點(diǎn)教改項(xiàng)目“基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出模式的《液壓氣壓技術(shù)》課程項(xiàng)目教學(xué)探討”（2020JG-A01）;東北大學(xué)秦皇島分校一流本科專(zhuān)業(yè)建設(shè)項(xiàng)目“機(jī)械工程”（2021YLZY-04）;東北大學(xué)秦皇島分校課程思政示范項(xiàng)目“液壓氣動(dòng)技術(shù)”（2022KCSZ-B21）

第一作者簡(jiǎn)介：王海芳（1976-），男，漢族，山西高平人，博士，副教授，系主任，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榱黧w伺服控制及其元件可靠性、機(jī)器人技術(shù)。