“液壓與氣壓傳動”課程設計性實驗的探索與實踐

吳 海 榮

(聊城大學 機械與汽車工程學院，山東 聊城 252000)

0 引 言

液壓與氣壓傳動技術廣泛應用在機床、工程機械、汽車等各行各業，是自動化技術不可缺少的手段[1-2]，所以“液壓與氣壓傳動”是一門實踐性很強的機械類專業的專業基礎課[3-5]。學生通過本課程的學習除掌握液壓與氣壓傳動的基礎知識，各種元件的工作原理、特點、應用和選用方法等基本理論知識[6]外，還必須具有初步設計液壓與氣壓傳動系統和分析閱讀系統圖的能力[7]，為學習后續課程、解決生產實際問題和開展科學研究打下基礎。因此，本課程的教學過程中，在注重理論內容的同時，還應注重對學生實踐能力的培養。其中實驗教學是重要方式之一，它對于提高學生的綜合素質、培養學生的創新精神與實踐能力具有特殊作用[8]，實驗教學是理工類本科人才實踐能力培養的基礎性實踐教學環節。

本文從實驗的基本要素入手，敘述了“液壓與氣壓傳動”課程實驗的目的與要求，針對該課程傳統實驗體系的不足，分析了增設設計性實驗的重要性，并從實驗準備、操作、報告填寫、成績評定等方面重點介紹了設計性實驗的教學實施過程。

1 課程實驗目的與要求

1.1 實驗基本要素

實驗的基本要素有“實驗者、實驗手段和實驗對象”[9]。實驗者是指從事實驗設計、操作和數據處理等的工作人員。也就是說，在實驗教學過程中，實驗者應該是學生，他作為認識的主體，應該是整個實驗活動中最活躍、最關鍵的因素。因此，實驗教學主要是加強對實驗者學生實踐能力的培養。

1.2 實驗目的與要求

實驗教學不僅能幫助實驗者學生加深理解實驗所涉及的基本概念，鞏固所學理論知識，更重要的是引導學生在科學實驗的過程中，學到基本的實驗理論和實驗技能，培養學生分析和解決工程實際問題的能力[10]。因此，“液壓與氣壓傳動”課程實驗的目的是加深學生對液壓與氣壓傳動理論知識的理解，提高學生綜合運用知識分析和解決實際問題的能力及良好工作素質。具體要求學生通過“液壓與氣壓傳動”實驗，掌握基本參數的測量方法、元件和回路的性能實驗和分析方法，熟悉常見基本回路的設計、安裝和調試，學會分析和排除系統常見故障、正確處理數據和表達實驗結果等。

2 設計性實驗的重要性

2.1 傳統實驗體系的不足

“液壓與氣壓傳動”課程傳統的實驗項目主要有元件拆裝實驗、液壓泵性能實驗、節流調速回路性能實驗等。這些實驗項目在實驗開始前便能夠確切預知實驗結果或實驗現象，所以都是驗證性實驗[11]，其實驗目的是促使學生進一步掌握和鞏固所學理論知識。

驗證性實驗的實驗教學過程通常是，實驗指導老師講解、操作、演示，而學生只是觀察，偶爾個別學生操作也是嚴格按照老師既定的步驟進行，因而實驗過程也只是通過實驗設備來加深學生對實驗所涉及知識的理解，而無法培養學生的實際動手能力和創新意識。解決這些問題的一個主要方式是增設設計性實驗。

2.2 設計性實驗的重要性

設計性實驗是學生運用所學理論知識，在實驗教師指導下進行實驗方案設計和開展實驗的過程，且在實驗開始前，對實驗結果或實驗現象能夠基本預知的實驗[11]。設計性實驗的目的，除讓學生深入學習和理解知識理論外，更主要地是培養學生掌握實驗理論和實驗方法，提高獨立開展實驗的能力。因此，通過設計性實驗，能鍛煉學生的綜合分析能力、實驗動手能力、數據處理能力和查閱資料的能力，提高學生在工程實踐中發現問題、分析和解決問題的能力，培養學生嚴謹求實、探索創新、團結協作的精神，一些國內外的教育專家、學者們有這方面的研究和論述[12-14]。對于機械類專業培養高素質、創新型人才有非常重要的意義。

通常情況下，設計性實驗是在學生經過常規實驗訓練的基礎上，即在學生掌握了一定的實驗技能和方法，經歷了一個由淺入深的實踐過程之后開設的高層次實驗。因此，從本質上而言，相對于基礎、傳統、內容單一的驗證性實驗而言，設計性實驗應是具有現代、復合、先進、時代和創新特性的實驗，是為適應時代、技術需求和發展，對傳統實驗體系進行的必然改革和補充，符合事物認知探尋的發展規律，是實現能力培養目標的重要手段。

液壓與氣壓傳動技術的理論基礎源于力學，而常用元件的結構工作原理和性能部分實踐性較強[15]，其典型系統實例和系統設計則更是密切聯系實際的內容，因此，在液壓與氣壓傳動課程中增設設計性實驗，能充分調動學生在實踐中學習的積極性和主動性，是培養學生工程意識，提高學生動手能力和創新能力的重要途徑之一，也是深化實驗教學改革，提高教學質量的重要措施之一。

3 設計性實驗教學實踐

一個完整的設計性實驗教學的實施，需要經過實驗準備、實際實驗操作、實驗報告填寫、實驗成績評定等過程。現以液壓傳動電磁換向回路設計為例來分析設計性實驗的具體教學過程。

3.1 實驗準備

實驗準備是實驗設計的前提。為保證實驗順利進行，實驗指導老師和學生均需做細致的準備工作。

3.1.1實驗指導老師

(1) 印刷書面材料。實驗指導老師需根據教學目標提出實驗項目、實驗目的和要求，并介紹實驗設備等條件。在液壓傳動電磁換向回路等設計性實驗中，通常采用QCS014A裝拆式液壓教學實驗臺作為實驗設備。該實驗臺采用液壓元件拆裝式，可用快換接頭和膠管將所選元件連接成多種油路[16]，非常適合設計性和綜合性實驗的教學要求。因此，為保證學生清晰了解這些內容，我們將實驗目的和要求、實驗臺及其主要元件等內容印刷成書面材料分發給學生，這樣可有利于學生在滿足實驗要求的前提下，根據實驗條件確定實驗原理和實驗方法。

(2) 檢查實驗設備。實驗指導老師應檢查液壓教學實驗臺等設備，保證設備及其元件齊全、運行狀態良好。同時，將設備的功能、原理、元件名稱、操作方法及注意事項等印刷成冊放在實驗臺上，以備學生熟悉實驗設備使用。

(3) 開放實驗室。實驗室開放是自主學習方式的基礎，有利于激發學生學習的主動性和積極性，有利于學生學習潛力的發揮，有利于學生自主學習能力和人才的個性化發展[17]。因此，為方便學生自主性學習并進行實驗設計，學院開放液壓與氣動實驗室，為設計性實驗的實施提供了一種開放的實驗教學環境和必要條件。學生可預約到實驗室熟悉實驗設備或進行預實驗，為進一步實驗摸索條件。通過學生自主學習、自由探索, 讓他們體驗實驗的快樂, 體現了以學生發展為本和學習個性化的教育教學理念。開放期間，實驗指導老師或實驗員應現場隨時解答學生的問題。

(4) 批閱預習報告。學生預習報告的書寫情況，可充分反映學生對該實驗是否做了充足的準備、認識是否正確等。因此，在正式實驗開始前，實驗指導老師需通過批閱學生實驗預習報告來檢查學生預習情況。對于液壓傳動電磁換向回路實驗，重點檢查的內容是液壓元件的選用、繪制的實驗原理圖和擬定的實驗步驟。對不符合設計規范或不安全可靠的學生設計實驗系統，實驗指導老師要及時提出指導性建議。

3.1.2實驗學生

(1) 復習理論知識。理論知識是設計性實驗順利開設的理論基礎，所以學生應根據下發的書面材料，熟悉實驗目的、要求、內容等，并對實驗用到的理論知識進行復習和鞏固。

(2) 熟悉實驗條件。實驗設備等實驗條件是學生完成實驗的有力工具，因此學生應認真熟悉實驗設備及其元件，并重點掌握設備原理、實驗操作要領和注意事項等。

(3) 設計實驗方案。實驗方案能全面綜合地反映學生的理論知識、實驗技能、思維過程及書面表達能力。因此，學生應運用已掌握的基本知識和實驗技能等進行獨立思考，設計實驗原理圖和具體方案，擬定實驗步驟，選定液壓元件等，并設想實驗現象或實驗結果，必要時可以預約到實驗室進行預實驗。

(4) 填寫預習報告。為方便實驗指導老師檢查學生對該設計性實驗的認知程度，我們要求學生將實驗目的、要求、設備、原理、擬定方案和步驟等填寫在實驗預習報告中，并及時交予老師批閱。對于批閱后需要完善的設計系統，要在實際實驗操作過程前完成修改。

3.2 實際實驗操作

按照擬定的實驗方案和步驟獨立完成實驗操作，是學生完成設計性實驗的關鍵，也是衡量學生實驗技能高低的重要標準。實際實驗操作教學過程應包含以下工作：

3.2.1實驗指導老師

(1) 強調注意事項。在學生實際操作前，指導老師要提醒學生注意人身及設備安全，主要包括①安裝調試系統時，不要損壞元件，并注意提高系統效率；②系統壓力不要調節過大，本實驗臺工作壓力在6.3 MPa以下[16]；③安裝完畢后，應仔細校對回路和元件是否正確，經教師同意后才可開機。

(2) 檢查實驗操作。學生實驗過程中，指導老師應觀察學生實驗操作。①檢查學生實驗動手能力，并對影響設備和人身安全的操作及時制止；②根據實驗情況適時提問，以檢查學生對實驗知識的理解掌握情況和創新意識。

3.2.2實驗學生

(1) 實驗操作。學生應按照擬定的實驗方案獨立完成操作，其基本步驟是：①按照設計好的液壓回路原理圖，用液壓膠管總成在QCS014實驗臺上搭建回路；②起動主機，進入萬能自編界面，按事先設計好電磁閥的動作順序表分別將電磁鐵按要求通斷；③搭建好的回路必須經過實驗指導老師檢查，以確認無誤且回路完全符合實驗要求和實驗目的；④起動實驗臺，并進行其他實驗操作。

(2) 實驗記錄。實驗記錄是實驗結果的主要依據，因此，學生應仔細觀察實驗現象、認真采集實驗數據，并實事求是地做好原始記錄。若發現實驗現象與設想的差別極大、或實驗數據異常等問題，要細致分析，查找原因并及時解決。實驗記錄由實驗指導教師簽字認可后方為有效。

3.3 實驗報告填寫

學生實驗操作完還需撰寫實驗報告，這樣可有效訓練學生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達能力，具體內容有：

(1) 實驗分析。分析實驗數據和實驗現象，將所得實驗結果和正確的實驗設計方案及步驟一起填寫在實驗報告中。

(2) 實驗總結。根據相關理論知識對所得到的實驗結果進行解釋和分析，包括實驗成功和失敗的原因，實驗后的心得體會、建議等，并將這些內容簡要書寫在實驗報告中。

3.4 實驗成績評定

合理評定實驗成績，是搞好設計性實驗教學的一個重要環節。所以，一些研究人員在進行實驗評定方面的研究。為使成績評定既科學合理又簡便可行，我校“液壓與氣壓傳動”設計性實驗成績采用百分制，并以實驗的不同階段來劃定，具體評定方法如表1所示。這種評定方法有助于學生反思和調控自己的學習過程，從而促進操作能力的不斷發展，所以它能綜合反映學生的實驗態度、實驗完成質量和實驗報告質量等，并能重點突出對學生實踐能力的評價。

表1 設計性實驗成績評定方法

4 結 語

為提高實驗教學整體水平，聊城大學把設計性實驗項目的研究、設計、實施作為實驗教學改革的一項重要課題。實踐證明，“液壓與氣壓傳動”課程合理增設設計性實驗并正確實施，不僅提高了學生的學習主動性，更重要的是讓學生感受到了該課程理論知識的嚴謹性和在實踐中的應用，有利于學生科技創新能力的培養，將使他們終生受益。

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