液壓與氣動技術課程實踐教學改革與實施

郭聯金，王國勝

（1.東莞職業技術學院 機電工程系，廣東 東莞 523808；2.深圳信息職業技術學院 交通與環境學院，廣東 深圳 518172）

液壓與氣壓傳動因具有機械、電氣等其他傳動方式無可替代的優越性，在許多工程技術領域中得以廣泛應用。同時，隨著現代化工業生產的發展，液壓與氣動技術和電氣控制、可編程控制、傳感器等其他技術越來越緊密地融為一體，應用在機電設備之中。因此，很多高職院校的機電專業都把液壓與氣動技術課程作為必修的專業基礎課［1－3］。為適應現代技術發展和產業結構調整的需要，高職教育必須培養基本理論知識與較強實操能力兼備的創新型人才。而實踐教學對人才培養至關重要，是教學過程中不可缺少的重要組成部分。液壓與氣動技術課程理論性與實踐性都很強［4］，在以往的實踐教學中由于教學理念、教學條件、課時分配等原因造成該課程的實踐教學效果一直不盡如人意。近年來，工學結合、以工作過程為導向、項目驅動［5－6］等課改理念不斷被推進與深化，液壓與氣動技術課程的實踐教學也應順應企業實際生產的需要，著力于培養學生自主學習、獨立思考的學習習慣，側重于鍛煉工程應用及分析問題、解決問題的能力和思維方法，才能適應新時期對高素質實用型技能人才的要求［7］。

1 實踐教學模式現狀剖析

（1）重液壓輕氣動，與當前工業自動化的實際應用相脫節。近20多年來，由于氣動技術具有清潔、輕便、廉價、安全、易于實現電氣控制等特點，在各種自動化生產線上得到迅速而廣泛的推廣應用。對于珠三角地區機電專業學生而言，絕大部分學生將來在企業生產一線從事的工作更多的偏向于氣動。而目前大部分教材還都以液壓為主，氣動為次，甚至由于課時有限，直接刪掉了氣動內容，只講液壓部分［8］，結果學生就業時，發現要用的沒學，學了的沒用。這顯然與專業課程學習“以就業為導向”的人才培養目標不符合。

（2）學科知識獨立，不利于學生機電一體化整體意識的形成。機電一體化技術實際上是液壓氣動、電氣、數控等多種技術的有機融合。而傳統的實驗，如拆裝液壓閥、液壓泵、驗證液壓元件和液壓回路的性能等，大多局限于自身相對獨立的學科體系內，沒有體現與其他學科的關聯，不利于學生機電一體化整體概念的形成和綜合應用能力的培養，無法讓學生獲得機電設備的裝調、維修等機電專業的核心技能［9］。

（3）驗證性實驗為主，不能充分調動學生的積極性。采用整機固定式實驗臺，所做實驗多為驗證性實驗，難以培養學生獨立思考、自主學習的習慣和解決問題的思維方法。學生照著實驗指導書一步一步地進行實驗，實際上就是機械式模仿［10］。整個實驗過程都是學生按照指令被動執行任務，基本上沒有自己的認識與設計。再者，驗證型實驗缺少創造性，不能充分調動學生的動手興趣與積極性，故收效甚微。

（4）實驗項目設計缺乏層次性，沒有體現因材施教。具體表現在兩點：一是各實驗項目的設計是針對不同知識點，所有項目總體上呈現為平行關系，各項目之間缺乏難度的循序漸進，存在較多的重復操作，學生做前面的實驗有新鮮感，做到后面的實驗就感覺沒有挑戰性了，易產生單調枯燥感；二是單個實驗項目的內容缺乏靈活性，對所有學生采用一樣的實驗內容，由于學生的學習能力存在差異，完成實驗的進度與質量也不同，最終扼殺了部分學有余力的學生進一步探索求知的愿望。

（5）實踐教學條件有限，難以讓每位學生有動手實踐的機會。由于資金或場地所限，還有班級學生人數較多，液壓與氣動的教學設備難以做到每人一臺。實驗時通常會進行分組，一般為3～4人一組，組內學生輪流操作而不是分工協作，這樣就讓部分學習散漫的學生有了不動手的理由，也不利于形成團結協助的學習團隊。

（6）實踐與理論脫節，不能很好地相互促進與提高。實踐環節與理論講解各成一體，不能互補。盡管工學一體化教學的呼聲越來越高，但是很多教師還是延續了先在課堂上講授理論知識，再安排相應實驗的教學習慣。由于液壓與氣壓傳動的工作介質是油液和氣體，工作時被密封，看不見，摸不著，學生很難理解元件在回路中的作用［11］。此外，課程中很多基本概念難以理解、元件結構復雜、系統工作過程抽象等，這一直是課程教學的難題［12］。所以光講理論，學生上課非常費勁，學習效果不理想，而實驗實訓時，也只能稀里糊涂地跟著教師的演示應付完成，知其然而不知其所以然，導致學生學完課程后仍然對液壓與氣動元件的選用、系統原理分析、系統設計、故障診斷等基本實用技能難以上手。

2 實踐教學改革與實施

針對液壓與氣動技術課程實踐教學中存在的問題，筆者經過多年的教學實踐，不斷完善原有的課程實踐條件，改革實踐教學模式，總結了一定的教學經驗。實踐教學改革內容與實施要點如下。

2.1 順應時代需求，突出氣動技術

課程內容應順應現代企業自動化生產的實際需求，增加氣動部分的內容，突出氣動技術的重要性。機電專業的學生學習液壓與氣動課程的目標主要是認識常見的元件及回路，懂得常用元件的工作原理及選用，理解常見回路的運行原理與應用特點。所以我們在實踐教學中作出大膽的改革，刪除了部分工程應用較少的實驗，如液壓元件性能、回路性能驗證性實驗，增加了氣動元件與回路認識、氣動回路設計、氣電控制方面的實驗。氣動部分實踐教學的課時占總實踐教學課時的一半以上。

2.2 進行多學科融合，體現機電一體化

將電氣控制、PLC控制、傳感器技術等其他技術進行多學科融合。主要體現在大多數綜合性、設計性實訓項目的任務內容都包含氣路設計、電氣控制回路設計、PLC控制設計3個部分。通過綜合運用所學過的專業知識搭建各類機電液一體化、機電氣一體化系統，可鍛煉學生機電系統的整體構思設計能力、機電設備的故障診斷能力。

2.3 采用開放式、可拆卸的柔性實驗設備，重視二次開發

我校對“液壓與氣動實訓室”進行了高起點的規劃建設，實訓室配置了電液壓、電氣動實訓設備各4臺，液壓／氣動綜合實訓設備的構成如圖1所示。實訓設備采用組合式模塊結構，由電源模塊、按鈕模塊、繼電器模塊、PLC模塊及元件拆裝模塊5個部分構成基礎實訓臺，在基礎實訓臺的基礎上經過二次開發，增加了電動機、觸摸屏、IC板等拓展模塊。元件庫里配套的液壓、氣動元件齊全，均采用工業標準件。常用元件使用靈活的快換接頭和軟管連接。拆裝方便且密封性好；各元件上裝有帶彈性插腳的底板，實訓時可直接在通用鋁型材卡板上組裝，操作簡單方便；液壓、氣動回路可采用繼電器控制、PLC控制；電控回路采用帶防護功能的專用連接導線。在此實訓臺上，學生可根據需要自行選擇各種元件，構建各種回路，對液壓／氣動回路的原理驗證、系統設計與分析具有很大的輔助功能。

圖1 液壓氣動綜合實訓設備的構成圖

2.4 設計以任務為導向的實踐項目，體現層次梯度

實踐項目以任務為導向，難度上體現層次梯度，便于教學內容的裁剪。實驗實訓項目遵循漸進式的認知規律，按認知性項目→驗證性項目→綜合性項目→設計性項目的思路進行設計。項目內容從基本元件的認識與使用→簡單回路連接→復雜控制回路聯動→機械、電氣、PLC綜合系統的構建→機電一體化系統的設計與故障查找，從簡單到復雜，從單一到綜合。各項目難度層層遞進，既可加深學生對基礎概念與理論的理解與掌握，更重要的是培養了學生發現問題、分析問題的能力。實驗實訓項目以任務為導向，每個任務設置基本任務，在基本任務之上還有旨在進一步提高的若干個拓展任務?；救蝿阵w現了對所學基礎知識的理解和運用，要求每個學生都要完成。拓展任務對基本任務進行了延伸，供學有余力的學生選做。教師可根據學生的專業要求與能力層次進行靈活選擇，從而使得教學更具有針對性和適應性。

2.5 結合軟件仿真設計與設備實操，提高實訓效率

采用國內外知名的液壓與氣動教學實驗仿真軟件FluidSIM進行回路設計、運行控制和結果演示。FluidSIM由FESTO公司和Paderborn大學聯合開發，包括用于液壓系統設計的FluidSIM－H和用于氣動系統設計的FluidSIM－P 2個子軟件，專用于液壓、氣動回路及電路的設計以及聯合仿真。該軟件內置豐富的元件庫、圖片、練習、動畫和教學影片等多樣化的教學資源，既具有氣液電一體化的仿真功能，也可以進行直觀的多媒體教學，對教師教學和學生自學起到很好的輔助作用。采用FluidSIM進行回路設計和仿真的優點是：（1）促進課程內容的學習和理解。通過查找元件，使學生對元件的符號更加熟悉；通過回路設計，使學生對液壓、氣動系統的構成、元件的選用理解更深刻；通過仿真，使學生對元件及回路的工作原理感受更加形象、直觀［13］。（2）降低實驗設備的損耗。對于初學者而言，在實訓臺進行實際操作之前先使用軟件進行回路設計與仿真可避免元件多次拆卸造成設備損耗，降低出錯的概率。這對于進行綜合性、設計性的實驗項目顯得尤其必要。（3）提高實驗實訓效率。由于設備有限，實驗中一般分小組進行，小組經過討論，確定項目實施方案之后，再分配具體任務，軟件設計仿真、氣路與電路連接、PLC編程可并行處理，每位學生都有動手的機會，提高了實訓效率。

2.6 采用理實一體化的教學模式，促進理論與實踐相結合

對于一些泵、閥等常用元件的外形、內部結構，由于教材呈現的僅僅是平面圖，僅靠讀圖和教師講授還不足以讓學生想象出來，可在實訓室采用實物觀摩、結構拆裝與現場講授、演示相結合的方式進行教學［14］。在介紹元件的工作原理、典型回路的工作過程時，可在計算機上使用FluidSIM軟件進行仿真，然后在實訓臺上搭建實際回路進行驗證。這種將理論教學和實踐教學有機結合為一體的教學形式，能化抽象為形象，使學生易于獲得直觀、感性的認識，加深了理論知識的理解，激發了學生學習的積極性，同時提高了學生動手能力。

3 實踐教學改革應用實例

圖2 設計性實訓項目的實施模式

以設計性實訓項目教學為例，簡述液壓與氣動技術課程實踐教學的開展模式（見圖2）。在進行設計性實訓前，學生需經過認知性實驗、驗證性實驗和綜合性實驗的學習，具備基本的實驗技能，同時對電氣控制、PLC技術、傳感器技術等有一定的基礎。實訓時先對學生進行分組（一般3人一組），將實訓任務書發給學生，教師闡述任務目標并對結果進行演示。學生拿到任務書后，明確任務要求，并在組長的帶領下共同討論和查閱資料，確定完成任務的方案以及進行任務分工。小組成員分別完成繼電器控制電路設計與仿真、氣路設計與仿真、PLC控制設計3部分的子任務，接著對實際氣路、電路進行連接與調試，直至所設計的系統能正常運行，才算達到基本任務的要求，考核方能合格。對于完成得快且質量高的小組，教師鼓勵其繼續挑戰拓展任務以取得更高的考核分數。實訓結束后要求每個學生獨立撰寫實訓報告［15］。

4 實施效果與體會

液壓與氣動技術課程實踐教學經改革后，在新的教學模式下，學生的學習興趣、學習自主性得到明顯提高；團結協作、獨立思考解決問題的工程能力得到顯著改善。本課程的實踐教學改革要勇于掙脫以往教學模式的束縛，緊跟時代與技術發展的步伐，建立符合實際生產需要的新模式。開展實踐教學時，應突出工程實踐能力的培養，既要鍛煉學生主動學習、積極思考的學習習慣，更要培養學生探討、分析和解決問題的方法與能力。

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