聯(lián)想法在液壓傳動(dòng)與控制課程教學(xué)中的實(shí)踐

◆周天悅

作者：周天悅，洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)電工程系機(jī)械基礎(chǔ)教研室副教授，研究方向?yàn)榱黧w傳動(dòng)與控制（471023）。

高等學(xué)校的專業(yè)基礎(chǔ)課有許多的抽象概念和原理，在授課過(guò)程中，若把其直接按教材的表述講給學(xué)生，效果往往不盡如人意。如何科學(xué)而又嚴(yán)密地講授這些概念和原理，并且有益于學(xué)生理解和掌握，提高專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)質(zhì)量，這是教師在教學(xué)過(guò)程中必須重視的問(wèn)題。

在當(dāng)前高校的液壓傳動(dòng)與控制課程教學(xué)過(guò)程中，對(duì)于液壓閥的結(jié)構(gòu)講解，傳統(tǒng)上教師只是根據(jù)閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖或裝配結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行原理分析，表述流體的走向、壓力的形成等基本原理，但由于流體傳動(dòng)與控制的抽象性，學(xué)生對(duì)其本質(zhì)特征并沒(méi)有深刻理解，不能掌握流體傳動(dòng)的精髓，以至于出現(xiàn)“學(xué)完就忘，考完就丟”的局面。本文提出的聯(lián)想教學(xué)法打破傳統(tǒng)教學(xué)在單一知識(shí)體系下照本宣科的講解方法，是利用液壓元件與機(jī)電元件在本質(zhì)特征上的相似性，將其原理及功能先用聯(lián)想法進(jìn)行橫向比較，再縱向深入，使學(xué)生在已有的機(jī)電元件知識(shí)或生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上比較容易地理解和掌握流體元件相關(guān)知識(shí)的一種教學(xué)方法。

1 聯(lián)想法

聯(lián)想是由一事物想到另一事物的心理過(guò)程。客觀事物總是相互聯(lián)系的，具有各種聯(lián)系的事物反映在人腦中，就會(huì)形成各種不同的聯(lián)想[1]。

學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)會(huì)在時(shí)間或空間上產(chǎn)生與所學(xué)新知識(shí)相近抑或相反的聯(lián)想，所聯(lián)想的事物與所學(xué)知識(shí)不僅有相似性，更主要的是有相關(guān)性[1]。

在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，針對(duì)不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，適時(shí)應(yīng)用聯(lián)想方法，可以幫助學(xué)生打破學(xué)科的界限，學(xué)會(huì)統(tǒng)籌兼顧，促使學(xué)生把相關(guān)或相反的知識(shí)加以聯(lián)系、延伸、比較、補(bǔ)充，從而豐富和擴(kuò)大，拓寬知識(shí)面，從更高層次上把握所學(xué)知識(shí)體系。這樣對(duì)學(xué)習(xí)新知識(shí)、開(kāi)闊自己的知識(shí)視野都有較好的效果，對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)具有極其重要的作用。

2 聯(lián)想法在液壓傳動(dòng)課程教學(xué)中的實(shí)踐

在大學(xué)課程中，機(jī)械和電氣系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)要先于液壓傳動(dòng)知識(shí)被講授，并且機(jī)電系統(tǒng)要比液壓系統(tǒng)更直觀，更接近于常識(shí)，更容易被理解，因而將液壓傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)想為機(jī)電系統(tǒng)會(huì)使學(xué)生更好地理解所學(xué)的知識(shí)。以下是筆者在課堂教學(xué)及課后輔導(dǎo)過(guò)程中對(duì)液壓傳動(dòng)與系統(tǒng)一些難以理解的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)想教學(xué)的實(shí)例。

1）單向閥與二極管、棘輪機(jī)構(gòu)的聯(lián)想。圖1（a）為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的單向閥，流體只能從B端向A端流動(dòng)，而不能相反。在教學(xué)中，可以啟發(fā)學(xué)生聯(lián)想到他們已經(jīng)學(xué)過(guò)的電路系統(tǒng)中的二極管，如圖1（b）所示，相似之處是電流只能從D端流向C端而不能相反，這時(shí)單向閥的B端就可對(duì)應(yīng)二極管的D端，從圖形符號(hào)上也近相似。從傳動(dòng)角來(lái)看，單向閥與二極管又與機(jī)械系統(tǒng)中的棘輪相類似，棘輪有單向傳遞能量的特性，結(jié)合棘輪在自行車上的普遍應(yīng)用，學(xué)生很容易通過(guò)棘輪或二極管掌握液壓系統(tǒng)中單向閥的功能[2-5]。

2）液控單向閥與晶閘管的聯(lián)想。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的液控單向閥，如圖2（a）所示，在授課中可提示學(xué)生與電路中的圖2（b）所示晶閘管相聯(lián)想，因?yàn)樗鼈兌际情_(kāi)關(guān)性質(zhì)的，又都有控制點(diǎn)，用來(lái)逆向開(kāi)啟，液控單向閥的控制口K就相當(dāng)于晶閘管的門極G。另外，液控單向閥的開(kāi)啟需要一定的壓力，其大小反映油液的作功能力；晶閘管的開(kāi)啟同樣需要電壓，它反映了電荷作功能力的大小[2-4]。

圖1

圖2

3）換向閥與三級(jí)管的聯(lián)想。液壓系統(tǒng)中的換向閥可與電路系統(tǒng)中的三極管相聯(lián)想。學(xué)生在此前都學(xué)過(guò)了電子學(xué)，了解三極管的放大作用，而換向閥在液壓傳動(dòng)過(guò)程中，改變流體流動(dòng)方向外也就有放大功能，即通過(guò)小能量去控制大能量，這一點(diǎn)與三極管完全相同。圖3（a）中液壓換向閥中的K就相當(dāng)于三極管中的基極B，換向閥的出口A則對(duì)應(yīng)三極管中的發(fā)射極，而三極管中接放大電源的集電極C就相似于換向閥的進(jìn)口P，因?yàn)閾Q向閥的進(jìn)口P也是要外接能源（液壓泵）的[2-4]。

4）比例環(huán)節(jié)的機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)想。圖4（a）為液壓控制系統(tǒng)中的比例環(huán)節(jié)，輸入為流量Q，輸出為速度v，活塞腔有效面積為A，此比例環(huán)節(jié)可聯(lián)想至機(jī)械系統(tǒng)的齒輪及所示的電器系統(tǒng)的純電阻電路。圖4（b）為齒輪傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，n1、n2為輸入輸出轉(zhuǎn)速，z1、z2為主被動(dòng)齒輪的齒數(shù)；圖4（c）為純電阻電氣系統(tǒng)，u為電阻R兩端的電壓，i為流過(guò)電阻R的電流，它們具有統(tǒng)一的傳遞函數(shù)表達(dá)式[2-4]：

G(s)=H

它們的傳遞函數(shù)表達(dá)式分別為：

圖3

5）積分環(huán)節(jié)的機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)想。圖5（a）為液壓控制系統(tǒng)中的積分環(huán)節(jié)，輸入為流量Q，輸出為位移x，活塞腔有效面積為A，此積分環(huán)節(jié)可聯(lián)想至機(jī)械系統(tǒng)的齒輪齒條傳動(dòng)以及電器系統(tǒng)的存電容電路。圖5（b）為齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，n為齒輪的輸入轉(zhuǎn)速，x為齒條的位移；圖5（c）為純電容電路系統(tǒng)，u為電容C兩端的電壓，i為流過(guò)電容C的電流。它們的傳遞函數(shù)具有統(tǒng)一的表達(dá)式[2-4]：

圖4

6）振蕩環(huán)節(jié)的機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)想。圖6（a）為液壓控制系統(tǒng)中的振蕩環(huán)節(jié)，輸入為流量Q，輸出為位移x，活塞腔有效面積為A，有效容積為V，質(zhì)量為m，阻尼為B，此模型可聯(lián)想到質(zhì)量—彈簧—阻尼機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)以及RLC振動(dòng)電路。其中，圖6（b）中的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的輸入為力F，輸出為位移x，彈簧剛度為K，阻尼為B；圖6（c）中的電氣LRC振蕩回路輸入為電壓u，輸出為電流i，電容為C，電感為L(zhǎng)，電阻為R；它們的傳遞函數(shù)具有統(tǒng)一的表達(dá)式[2-4]：

圖5

圖6

3 結(jié)束語(yǔ)

許多知識(shí)體系在認(rèn)知結(jié)構(gòu)上是相通的。液壓元件對(duì)于學(xué)生而言是新知識(shí)，機(jī)械、電氣元件為舊知識(shí)，新知識(shí)往往是若干舊知識(shí)的重組或是舊知識(shí)的引申或拓展。但由于學(xué)生在掌握知識(shí)的深度和廣度上的不足，不易獲得新舊知識(shí)之間的聯(lián)系。這就需要教師在授課過(guò)程中承擔(dān)起引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想的責(zé)任。教師在教學(xué)中如果能適當(dāng)?shù)貫閷W(xué)生提供認(rèn)識(shí)多種知識(shí)體系相似性和可比性的機(jī)會(huì)，指導(dǎo)他們運(yùn)用聯(lián)想推理，找出新舊知識(shí)體系之間的相關(guān)性，并培養(yǎng)學(xué)生掌握聯(lián)想的思維方法，不僅能使學(xué)生很快地?cái)[脫對(duì)新知識(shí)的陌生感和距離感，更加容易理解新知識(shí)，而且可使學(xué)生很輕松地建立起新的概念系統(tǒng)，并加強(qiáng)學(xué)科滲透，鞏固舊知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面。這樣對(duì)學(xué)生理解和掌握基本概念將會(huì)取得舉一反三的教學(xué)效果。教師應(yīng)重視挖掘，并抓住適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將聯(lián)想的思想和方法滲透給學(xué)生，使學(xué)生掌握聯(lián)想法的內(nèi)涵和精髓，積極主動(dòng)去探尋事物的本質(zhì)和規(guī)律，這對(duì)他們以后的獨(dú)立學(xué)習(xí)和研究創(chuàng)新是非常有益的。

應(yīng)用聯(lián)想法的魅力不僅在于它可把新知識(shí)納入到已有的知識(shí)系統(tǒng)中來(lái)，化繁為簡(jiǎn)、化難為易、化抽象為形象，同時(shí)又可激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維，起到啟發(fā)思路、觸類旁通的作用。它是一種促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)“遷移和融合”、打破學(xué)生的思維定式、拓展學(xué)生的思考空間的有效方法。

[1]減科夫,等.記憶注意與聯(lián)想[M].北京:科學(xué)出版社,1956.

[2]雷天覺(jué).液壓工程手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[3]陳奎生.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2001.

[4]魏之罄.電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[5]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.