教案改革在《液氣壓傳動》教學(xué)中的應(yīng)用研究

鄭莉芳 周曉敏 陳新華 鞏憲鋒 馮 明

（北京科技大學(xué) 北京 100083）

《液氣壓傳動》課程是機(jī)械工程及自動化專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實踐認(rèn)知能力，實現(xiàn)在師生之間、生生之間對教學(xué)內(nèi)容的多向互動、平等對話和積極研討，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生主動參與課堂討論，提高學(xué)生的實踐能力，改革教案結(jié)構(gòu)形式并對教案進(jìn)行科學(xué)設(shè)計就顯得至關(guān)重要。經(jīng)過教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為，對于液氣壓傳動這一實踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，對教案的科學(xué)設(shè)計有利于實現(xiàn)理論與實踐之間的應(yīng)用連接，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生實踐動手能力和科研素質(zhì)，因此，對教案改革是十分必要的。本文以《液氣壓傳動》中“容積式液壓泵工作原理”為例，進(jìn)行一系列教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計，使學(xué)生切身感受到工程類課程的魅力。

教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)可以分為知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。知識目標(biāo)為能夠用自己的話說出容積式液壓泵的工作原理，總結(jié)出容積式液壓泵的工作三要素；能夠講述外嚙合齒輪泵的工作原理；能夠根據(jù)外嚙合齒輪泵中齒輪的運動方向判斷吸油口和壓油口。能力目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生對工程問題的分析能力，敢于設(shè)想、思考和修改，嘗試提出解決方法。素質(zhì)目標(biāo)為通過依次對容積式液壓泵和外嚙合齒輪泵工作原理的介紹，引導(dǎo)學(xué)生樹立工程技術(shù)服務(wù)于工程應(yīng)用的意識，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和綜合應(yīng)用的能力；在授課過程中，通過多次展示圖片和動畫，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生對液氣壓傳動技術(shù)的運用熱情。

實施過程

（一）引入

通過問題的形式，將本節(jié)課的內(nèi)容引入課堂。液壓泵是液壓傳動系統(tǒng)中的動力裝置，它把輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能，再輸出到系統(tǒng)中去。簡言之，液壓泵是能量轉(zhuǎn)換元件。那么，液壓泵是如何將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能的呢？本環(huán)節(jié)的教案設(shè)計中，采用提出問題的方法，讓學(xué)生感知泵作為動力元件為液壓系統(tǒng)提供液壓能，領(lǐng)略到本節(jié)課學(xué)習(xí)的意義，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入課程學(xué)習(xí)。

（二）內(nèi)容講授

利用多媒體設(shè)備，以課件形式呈現(xiàn)講授內(nèi)容，添加小標(biāo)題，化繁為簡，使講授內(nèi)容形成清晰的脈絡(luò)，以提高教學(xué)效果。

對容積式液壓泵工作原理的講授 對容積式液壓泵工作原理的講授可分為以下幾步進(jìn)行。首先，結(jié)合投影出的容積式液壓泵的工作原理圖 （如圖1所示），對其中的各個零部件進(jìn)行逐一介紹，為其工作原理的講授奠定基礎(chǔ)。其次，講授容積式液壓泵的工作原理。圖中柱塞2裝在缸體4中形成一個密封容積a，柱塞在彈簧3的作用下始終壓緊在偏心輪1上。原動機(jī)驅(qū)動偏心輪1旋轉(zhuǎn)使柱塞2作往復(fù)運動，使密封容積a的大小發(fā)生周期性的交替變化。當(dāng)a由小變大時就形成部分真空，使油箱中油液在大氣壓作用下，經(jīng)吸油管頂開單向閥6進(jìn)入密封容腔a而實現(xiàn)吸油；反之，當(dāng)a由大變小時，密封容腔中吸滿的油液將頂開單向閥5流向系統(tǒng)而實現(xiàn)壓油。這樣容積式液壓泵就將原動機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能。原動機(jī)驅(qū)動偏心輪不斷旋轉(zhuǎn)，容積式液壓泵就不斷地吸油和壓油，為系統(tǒng)送去壓力油。最后，采取設(shè)問的形式向?qū)W生提出問題，根據(jù)容積式液壓泵工作原理的講解，讓學(xué)生總結(jié)容積式液壓泵工作的三個要素：可靠的工作密封容腔；密封工作容腔的容積能周期性變化；有配油裝置，吸油時與吸油口相通，壓油時與壓油口相通，吸壓油口永不相通。再次結(jié)合容積式液壓泵的工作原理圖，在圖中依次找到工作三要素，以加深學(xué)生對容積式液壓泵工作原理的理解和掌握。給學(xué)生留一道思考題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：圖中的兩個單向閥5和6，如果改變其安裝方向，容積式液壓泵還能正常工作嗎？為什么？在本環(huán)節(jié)的教案設(shè)計中，向?qū)W生展示了彩色動畫圖，使枯燥的講授內(nèi)容變得生動形象，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；在工作原理講授完之后，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出容積式液壓泵工作三要素，以培養(yǎng)學(xué)生的分析總結(jié)能力；之后給學(xué)生留一道思考題，旨在培養(yǎng)學(xué)生思考問題的好習(xí)慣，使學(xué)生分析問題、解決問題的能力得到提高。

圖1 容積式液壓泵工作原理圖

對外嚙合齒輪泵工作原理的講授 對外嚙合齒輪泵工作原理的講授，可分為以下幾步進(jìn)行。直接投影出外嚙合齒輪的結(jié)構(gòu)解剖圖（如圖2所示），介紹其基本組成為一對外嚙合齒輪、泵體、前泵蓋、后泵蓋、傳動軸。此處將外嚙合齒輪結(jié)構(gòu)的解剖圖直觀展示在學(xué)生面前，使學(xué)生對其結(jié)構(gòu)能夠快速理解，為其工作原理的講授做好準(zhǔn)備。然后，以設(shè)問的形式向?qū)W生提問：作為典型的容積式液壓泵，外嚙合齒輪泵是如何實現(xiàn)吸油和排油的呢？這時，將動畫式外嚙合齒輪泵的工作原理圖投影出來，同時，復(fù)述容積式液壓泵的工作三要素，采取循序漸進(jìn)的方法，引導(dǎo)學(xué)生從容積式液壓泵工作三要素的角度來分析外嚙合齒輪泵的工作原理，為下面的教學(xué)內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。這種提示方法使學(xué)生感知到自己已經(jīng)掌握了分析外嚙合齒輪泵工作原理的理論知識，從而產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動機(jī)。從容積式液壓泵的工作三要素的角度來分析外嚙合齒輪泵的工作原理。首先分析外嚙合齒輪泵的密封容腔是如何形成的。如圖3所示，泵體的內(nèi)曲面、兩個齒輪的齒頂、還有前后端蓋就構(gòu)成了密封容腔，同時，嚙合輪齒的嚙合線，將齒輪泵的密封容腔一分為二，左右各一個密封容腔。接著，分析密封容腔的體積是如何進(jìn)行周期性變化的。結(jié)合投影出的動畫圖，引導(dǎo)學(xué)生來觀察，當(dāng)齒輪在傳動軸的帶動下按圖中方向旋轉(zhuǎn)時，左側(cè)輪齒退出嚙合，右側(cè)輪齒進(jìn)入嚙合。退出嚙合的一側(cè)，輪齒從齒間退出，使左側(cè)密封容積變大，形成局部真空，壓力降低，油箱中的油液在外界大氣壓的作用下，經(jīng)吸油管路和吸油口進(jìn)入齒間，實現(xiàn)了泵的吸油過程，相應(yīng)地，就左邊的密封容腔為吸油腔。隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)，吸入齒間的油液被旋轉(zhuǎn)的齒輪帶到右側(cè)，右側(cè)的齒輪進(jìn)入嚙合，也就是輪齒進(jìn)入齒間，使密封容積減小，壓力升高，齒間的部分油液在高壓下被擠出，從壓油口排出送往系統(tǒng)，這就實現(xiàn)了泵的壓油過程。同樣，右邊的密封容腔稱之為壓油腔。當(dāng)齒輪泵的主動齒輪在電動機(jī)的帶動下不斷旋轉(zhuǎn)時，就實現(xiàn)了齒輪泵左側(cè)吸油腔的不斷吸油和右側(cè)壓油腔的不斷壓油，源源不斷地向系統(tǒng)供油。外側(cè)的輪齒進(jìn)入嚙合狀態(tài)，相對應(yīng)的油口就是—壓油口，內(nèi)側(cè)的輪齒必然是退出嚙合狀態(tài)的，相對應(yīng)的油口就是—吸油口。最后，筆者將分析外嚙合齒輪泵的配油裝置。外嚙合齒輪泵在吸油和壓油過程中，其一對嚙合輪齒的嚙合線將吸油口和壓油口隔開，使二者永不相通，起到了配油作用。在教案設(shè)計時，此處采用了圖片展示、動畫展示、講述等多種方式結(jié)合的方法，使教學(xué)內(nèi)容變的更加直觀，變抽象教學(xué)為形象教學(xué)，使學(xué)生透徹理解教學(xué)內(nèi)容，有利于下一步教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)行。同時，在講述過程中，與容積式液壓泵的工作三要素相呼應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生去尋找外嚙合齒輪泵的工作三要素，使學(xué)生清晰地理解和掌握外嚙合齒輪泵的工作原理。投影出一張立體動畫圖（如圖4所示），讓學(xué)生根據(jù)圖中外嚙合齒輪主動輪的運動方向，判斷哪個是泵的吸油口，哪個是壓油口。在學(xué)生回答問題的過程中順次投影出 “吸油”和吸油箭頭、壓油和壓油箭頭。在此教案設(shè)計中，通過提問的方式與學(xué)生進(jìn)行互動，活躍課堂氣氛；鼓勵學(xué)生大膽想象，讓學(xué)生正確應(yīng)用所學(xué)知識，使學(xué)生體驗成功的喜悅，點燃進(jìn)一步學(xué)習(xí)的激情，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)所學(xué)理論知識進(jìn)行工程應(yīng)用的信心。

圖2 外嚙合齒輪結(jié)構(gòu)解剖圖

圖3 外嚙合齒輪泵工作原理圖

圖4 外嚙合齒輪泵工作原理圖

對講授內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié) 課程內(nèi)容講授完畢后，將所講授內(nèi)容以課件形式進(jìn)行重復(fù)播放，播放時簡要復(fù)述本節(jié)主要內(nèi)容，課件被“重復(fù)”利用，增強(qiáng)了教學(xué)效果。同時，要求學(xué)生閱讀教材，對容積式液壓泵工作原理和外嚙合齒輪泵工作原理進(jìn)行強(qiáng)化理解。最后，需給學(xué)生留一些問題。任何機(jī)器都不是完美的，外嚙合齒輪泵也毫不例外，齒輪泵的結(jié)構(gòu)和工作原理決定了它在運轉(zhuǎn)過程中存在一些哪樣的問題？針對這些問題該采取什么措施進(jìn)行控制呢？這將是下一節(jié)的講授內(nèi)容。對學(xué)生提出了這些問題，旨在留給學(xué)生一個想象的空間，激勵學(xué)生在課后對下一節(jié)課的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)。

結(jié)語

作為機(jī)械工程及自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，需要對《液氣壓傳動》的教學(xué)形式進(jìn)行精心設(shè)計和分析，以達(dá)到滿意的教學(xué)效果。在課件準(zhǔn)備時，針對教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)盡量使用教材中的資料以保證教學(xué)內(nèi)容的嚴(yán)謹(jǐn)性，同時要大量收集和制作資料并進(jìn)行反復(fù)修改，以實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的生動性和趣味性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在課程講授過程中，多次采用提問的講授方式，既能給學(xué)生留下思考的余地，也讓學(xué)生體會到答出問題的喜悅，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，同時利用多媒體將生動多彩的動畫和圖片引入課堂，學(xué)生在課堂上便能將課本講授內(nèi)容與實物對應(yīng)起來，使課堂內(nèi)容變得更加生動形象，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的實踐認(rèn)知能力，有助于學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。通過對“液壓泵的工作原理”教案的設(shè)計、分析和實施，在教學(xué)過程中體現(xiàn)三位目標(biāo)的有機(jī)整合，取得了良好的教學(xué)效果。

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