氣動與液壓一體化訓練平臺建設研究

黃海龍　耿冬妮

吉林大學工程訓練中心　吉林長春　130025

實驗室與實訓基地建設

氣動與液壓一體化訓練平臺建設研究

黃海龍耿冬妮

吉林大學工程訓練中心吉林長春130025

在充分分析高等教育工程訓練中氣動與液壓實踐教學的教學定位、特點以及現有問題的基礎上，結合現代教育技術提出了服務于卓越工程師培養的氣動與液壓一體化創新訓練平臺。具體建設內容包括：支撐實訓相關理論講解的動畫教學資源，支撐學生虛擬仿真操作及考核的虛擬仿真實訓平臺，支撐真實動手實踐操作的氣動與液壓教學試驗臺三部分；教學實施過程中采用理實相結合、虛實相結合的方式進行一體化的氣動與液壓技能訓練。

高等教育；工程訓練；氣動與液壓；教學模式；創新

氣動與液壓傳動技術被廣泛應用于工程領域，液壓與氣動技能的培養也被大中專院校以及高校高度重視，近幾年無論大中專院校還是高等院校都積極地對液壓與氣壓傳動課程進行教學改革探索。其中，大連職業技術學院孟慶云提出了從教學出發，結合工廠培訓實際經驗，對液壓與氣動實驗教學進行了改革與實踐［1］。西安航空技術高等專科學校簡引霞結合現代多媒體技術，從教與學的角度開發了液壓與氣動技術課程網絡教學平臺，以虛擬實驗環節的方式成功地探索了教育信息化在液壓與氣動技術教學中的應用［2］。大慶石油學院機械科學與工程學院賈光政等提出了一種基于軟硬件結合的液壓與氣動實驗教學新模式，構建了多功能快速拆裝式液壓與氣動教學實驗硬件平臺和教學實驗模擬軟件平臺［3］。遼寧裝備制造職業技術學院自控學院呂明珠研究了虛擬仿真技術在液壓與氣動實驗教學中的典型應用，提出了液壓與氣動虛擬實驗室的建設思路，其應用不但解決了學校教學資源不足的問題，還能提供一種即時的、動態的、交互的認知形式，虛擬平臺可以讓教學的表現形式豐富多彩且具有實用性和可操作性［4］。蘇州大學胡增榮等提出了在“卓越工程師教育培養計劃背景下”結合卓越計劃要求改革課程教學方式，注重產學研用一體化，培養創新人才，以實現液壓與氣動課程的成功改革［5］。常州劉國鈞高等職業技術學校機電工程系陳輝提出了理實一體化教學方法在液壓與氣動課程中的應用和實施方案［6］。多所院校從虛實結合、軟硬結合、網絡化、理實一體化、產學研一體、結合工廠實踐經驗等角度對液壓與氣壓傳動課程進行了教改探索，并收獲了良好的效果。高等教育工程訓練實踐教學承擔著全校機械類及近機類專業學生的工程技能訓練及工程素質工程意識的啟蒙與提高的實踐教學任務［7］，工程訓練中氣動與液壓實踐教學其教學定位和教學任務的特殊性，尚未有人對其進行信息化教學改革探索。本文在充分分析工程訓練中氣動與液壓實踐教學定位和特點的基礎上并結合現代教育技術探索出了服務于卓越工程師培養的氣動與液壓一體化創新訓練平臺。

1　工程訓練氣動教學現狀及主要問題

液壓與氣動技能是工科大多數專業學生必備的技能，故液壓與氣動技能訓練教學模塊被全國高校廣泛開設，但目前的教學現狀和存在的問題主要表現在以下幾點。

（1）實訓教學方案和教學內容陳舊，教學年復一年，教學方案及內容一成不變，不能跟上時代和技術發展的步伐；實訓相關理論內容多以講授和觀看掛圖為主，輔以少量驗證性實驗，受綜合條件的限制，不能適應新時代對學生能力的需求和學生自身的不斷變化。

（2）配套的實訓室、實訓設備不能很好地貼近工業生產的實際需要，設備陳舊，多為實驗臺，缺乏先進的教學應用案例和條件，且頻繁反復應用或誤操作對元器件損耗較大。無法向學生展示最新的液壓與氣動技能應用水平和最新的技術發展前沿。

（3）教學內容整合度不夠，課程的進行僅局限于液壓系統范圍內的元器件及典型回路的應用，缺乏對知識的綜合運用和創新能力培養。

（4）實踐教學的學習環境單一，局限于課堂及實訓室，除此之外的時間空間基本不具有補充學習及自主學習的條件。

（5）教學模式自身的不足使得無法滿足培養綜合型、創新型人才的需求，現有的工程訓練實訓教學基本實現了理實一體化的技能訓練，但是由于各種條件導致的理論的不足和實踐的局限與欠缺，不足以實現真正意義上的理實一體化的教學效果。

2　一體化創新訓練平臺的建設

一體化創新訓練平臺的建設包括支撐實訓相關理論講解的動畫教學資源、支撐學生虛擬仿真實訓操作及考核的虛擬仿真實訓平臺和支撐動手實踐操作的教學硬件設備建設三部分。

2.1動畫教學資源建設

液壓與氣動工程訓練實訓教學實踐性強，主要針對液壓與氣動系統的四大組成部分：動力元件、執行元件、控制元件、輔助元件的了解與應用。支撐相關理論學習的數字化教學資源主要針對四大部分液壓元器件的結構組成、工作過程、調節方式等進行講解展示，資源表現形式為三維動畫和微課視頻［8］。三維動畫針對各種元器件建立三維模型，結合文字標注對元件進行結構組成展示，通過動畫展示元器件的工作原理和調節控制方式。三維動畫教學資源用于支撐教師的輔助講解。其次以三維動畫為基礎，以每一個元器件為獨立知識點，進行詳細的微課教學設計，結合教師的講解錄制微課視頻，用于支撐學生的補充學習及自主學習。詳細資源目錄及資源表現形式見表1。

表1　動畫教學資源建設明細

表1（續）

2.2虛擬仿真實訓平臺建設

虛擬仿真實訓平臺的建設包括支撐氣液壓典型回路案例的組裝與診斷分析虛擬仿真平臺、虛擬仿真創新訓練平臺和綜合考核與評價體系三部分。

2.2.1支撐氣液壓典型回路案例的組裝與診斷分析虛擬仿真平臺

典型回路分析是對液壓與氣動技能的初步應用，以教學項目的方式通過對典型回路的分析使學生了解氣液壓元器件功能原理和主要用途，通過元器件的組合可以實現的基本功能動作。通過對實際案例分析增強學生對液壓技術的實踐應用了解，并與工程實踐應用相結合使學生了解相關設備的液壓系統實現方法及工作過原理。平臺中包括常見的換向回路、減壓回路、調壓回路、增壓回路、雙向節流調速回路、差動連接速度控制回路、短接流量閥速度換接回路、壓力控制順序動作回路、鎖緊回路、卸荷回路、車床刀架回轉與夾緊液壓控制、卡盤的夾緊與松開液壓控制、加工中心液壓控制、起吊機液壓控制等典型功能回路和實際案例，能夠支撐學生在虛擬仿真的環境下模擬組裝回路，通過對元器件的參數設置和控制方式變更對分析結果進行驗證，并結合知識原理提前預設故障點輔助學生進行故障診斷分析。

2.2.2虛擬仿真創新訓練平臺

在典型回路案例的組裝與診斷分析虛擬仿真平臺的基礎上建立開放性的虛擬仿真交互實訓平臺，用于支撐學生自主創新虛擬仿真訓練。在該平臺下學生自主調用各種液壓元器件，任意組裝、創新液壓系統回路和修改元器件的性能參數，組裝完畢后執行系統動作、控制系統工作過程、驗證回路工作原理；對系統進行功能分析，包括輸出動作方式、力的大小和速度等。該平臺適用于驗證典型回路和項目案例分析，用于自主創新回路設計，并對組裝的回路進行診斷分析［9］，該平臺的展現形式如圖1～圖3所示。

圖1

圖2

圖3

2.2.3綜合考核與評價體系

虛擬仿真實訓平臺的應用實現了基于過程的考核方式，從注重分數評價轉為注重能力考核、注重創新，從典型回路設計組裝與診斷分析實訓操作到液壓技能綜合運用與創新訓練全過程進行考核。在虛擬仿真人機交互系統的后臺，系統設計合理的評價機制，記錄學生操作的每一步，對每一個考核點給出相應的評價分數，對學生的虛擬仿真操作進度和操作過程進行實時跟蹤監控，生成基于操作過程的考核成績［10］。合理完善的考核機制，督促學生學習，檢驗學習效果。

2.3教學硬件設備建設

實現理實、虛實相結合的一體化創新訓練，除必備的數字化軟件教學資源建設之外還需要有完備的教學硬件設施，包括多媒體教學設施和實驗儀器設備兩部分，多媒體教學設施包括支撐多媒體教學的投影設備和支撐虛擬仿真實訓環境的計算機。實驗儀器設備的建設是在原有的氣動與液壓教學試驗臺基礎上進行試驗臺的擴充、基本元器件補充等，對原有教學條件進行了大的改善，支撐一體化創新訓練的順利實施。

3　一體化訓練實施過程

教學過程的實施是在教學人員指導下，充分利用現代教育技術手段，結合動畫等數字化教學資源輔助教學人員進行實訓相關理論的講解，為學生提供一種即時、動態、交互的認知形式，充分調動學生的積極性和學習興趣。引導學生在虛擬仿真平臺下進行典型回路分析，達到一定熟練程度后，學生自行進行典型回路和實際案例分析，在學生自行進行分析階段，教學指導人員進行答疑解惑，實時引導；當學生具備自行氣液壓回路分析能力后，教學人員分配教學項目引導學生進行回路組裝、檢測與診斷，使學生逐漸具備氣動與液壓技能的應用能力。學生在虛擬仿真創新訓練平臺下結合實際應用需求進行創新回路設計與驗證；最后學生在氣動與液壓試驗臺上將已經設計好的典型功能回路和創新回路進行實際組裝、連接和功能驗證。并且在課程進展的每一階段，在虛擬仿真環境下設計完畢的回路，經虛擬仿真調試診斷通過后，可以隨時到實驗臺上，準備所有所需元器件，進行回路組裝驗證，整個實踐教學課程實時地以理實、虛實相結合的方式，最大限度地培養學生自主學習及創新能力。

4　結束語

本文在對高等教育工程訓練實訓教學中液壓與氣動技能訓練當前現狀及問題分析的基礎上，提出了應用教育技術支撐工程訓練氣動與液壓技能實踐教學實現一體化創新訓練的建設思路和實施策略，項目成果的應用具有重要的意義。

（1）項目建設中開發的各種動畫教學資源直觀生動地展示各個氣液壓傳動知識點，虛擬仿真實訓平臺為學生提供虛擬仿真的操作環境，基于操作過程的實時評價系統，實時監測學生的學習效果，平臺的應用為學生提供一種即時、動態、交互的認知形式，提高了學生的學習興趣、教學效率和教學效果，對工程訓練液壓與氣動實訓教學具有重要意義。

（2）虛實結合的教學方法使學生先虛擬后實踐，邊虛擬邊實踐，對氣液壓知識的熟練運用減少了對實驗設備的損耗。

（3）現代教育技術手段在高等教育液壓與氣動工程實踐教學中的應用，是工程訓練實踐教學領域的新突破；并為下一步實現基于互聯網和移動終端的液壓與氣動虛擬仿真訓練奠定了基礎。

［1］ 孟慶云.液壓與氣動實驗教學改革與實踐［J］.液壓與氣動，2011（3）：17-19.

［2］ 簡引霞.網絡化《液壓與氣動技術》教學平臺的研究與開發［J］.液壓與氣動，2006（8）：53-56.

［3］ 賈光政，王金東，楊松山，鄒龍慶.“液壓與氣動”實驗教學模式的探討［J］.機床與液壓，2007（2）：151-152.

［4］ 呂明珠.虛擬仿真技術在液壓與氣動實驗教學中的應用［J］. 實驗技術與管理，2015（4）：144-146.

［5］ 胡增榮，李曉村，吳明，劉鑫培，張衛華，楊娜. “卓越工程師計劃”背景下液壓與氣動課程的改革［J］.液壓氣動與密封，2014（8）：1-3.

［6］ 陳輝.理實一體化教學方法在《液壓與氣動》課程中的實踐［J］.機械管理開發，2012（2）：173-174，176.

［7］ 江樹勇，任正義，趙立紅.從高等工程教育的功能淺談工程訓練的教學定位［J］.高教論壇，2010（4）：71-73.

［8］ 劉新陽.近年我國高校數字化教學資源建設與應用研究分析［J］.電化教育研究，2012（3）：29-33.

［9］ 包志炎，方貴盛，李增芳.基于項目教學的虛擬仿真實訓平臺構建［J］.新課程學習：綜合，2010（11）：45-46.

［10］ 于恩林，孔祥東，傅萬堂.實時全程教學質量監控與評價體系的探索與實踐［J］.中國大學教學，2008（1）：55-57.

Research on the Construction of Integrated Training Platform for Pneumatic and Hydraulic

Huang Hailong， Geng Dongni
Engineering Training Center， Jilin University， Changchun， 130025， China

The essay puts forward the integration innovation training platform of pneumatic and hydraulic in the service of excellent engineer training which Based on the full analysis of teaching orientation， characteristics and existing problems of pneumatic and hydraulic practical teaching in the higher education engineering training. The specifc construction contents include animation teaching resources for supporting the training teaching related theory， virtual simulation training platform for supporting virtual simulation operation and evaluation of students， pneumatic and hydraulic teaching test-beds for supporting real hands-on practice operation. and then the integrated skills training of pneumatic and hydraulic was implemented by combining theory with practice and combining virtual with reality in the process of teaching.

higher education； engineering training； pneumatic and hydraulic； teaching mode； innovation

2016-03-04

黃海龍，碩士，工程師。耿冬妮，碩士，工程師。

吉林大學2013年本科教學改革研究立項項目“氣動與液壓一體化創新訓練平臺”（編號：1306）；吉林大學2015年本科教學改革研究立項項目“工程訓練創新人才培養模式的研究”（編號：2015XYB196）；吉林省高教學會2015年高教科研項目“工程訓練中心建設研究”（編號：JGJX2015B2）。