探討液壓虛擬仿真實驗教學模式

周賢德

（同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804）

探討液壓虛擬仿真實驗教學模式

周賢德

（同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804）

液壓實驗教學是機械類工科專業必修的一門專業課程，工程實踐性強，受實驗經費、設備損壞和老化的制約，傳統液壓實驗存在人多設備少的缺點，不利于學生動手操作。虛擬液壓實驗利用豐富的計算機資源對液壓元件結構進行分析和拆裝以及液壓回路進行設計和仿真運行，讓每個學生都能參與，調動了學生的實驗積極性。液壓虛擬仿真實驗教學模式是今后高校發展實驗教學必不可少的一種方法和手段。

虛擬；液壓；仿真；實驗教學

0　引言

液壓傳動是我校機械專業必修的一門專業課程，是一門實踐性較強的學科，要求學生有很強的實踐動手能力。在教學大綱中，專門開設了兩門實驗課程，一門是《流體力學與液壓傳動》專業基礎實驗課，實驗內容為液壓元件的拆裝、靜態和動態特性測試以及液壓回路工作原理；另一門是《流體力學與液壓傳動》專業綜合實驗課程，實驗內容為各種典型工程液壓回路的設計和搭建。由于液壓元件和設備價格較高，故設備臺數少，實驗時學生分四組進行，每組人數為4～5人，每組只能提供1～2個元件，無法做到每個學生都可以自己動手拆裝元件，部分學生就會失去興趣，影響實驗效果。

高校計算機資源非常充足，虛擬仿真實驗教學方式可以充分利用計算機資源彌補實物實驗教學方式的不足之處，達到兩者之間相輔相成，融合促進實驗教學的改進和提高。

2013年8月教育部印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函[2013]94號）[1]，正式啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。隨著國家對虛擬仿真實驗建設的重視，各高校對虛擬仿真實驗室建設也逐步加大投入，可以預見，虛擬仿真實驗將是今后高校實驗教學重要的模式。建立虛擬仿真實驗可以減輕實驗教學經費的壓力，做到一次性投資，永久受益[2]。

1　液壓虛擬仿真實驗教學模式特點

目前，我校液壓實驗教學分為教師講解和學生動手實驗兩個環節，講解環節采用液壓元件掛圖掛在黑板旁，教師進行講解的模式，是一種靜態灌輸型的傳統教學模式；在動手環節中，4～5個學生一組拆裝液壓元件，專業綜合實驗時，更是10人一組安裝一套液壓回路，結果導致了實驗時只有個別學生動手操作，大部分學生圍觀的現象，影響學生的積極性和實驗效果，這種實驗模式不利于多數學生理解和掌握液壓知識在實踐工程中的應用，造成學生畢業后，實踐能力弱，不能較快滿足企業崗位要求。

虛擬仿真實驗是以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托而建立的一種新型實驗教學系統。高校虛擬仿真實驗教學是當前高校實驗教學發展的方向，是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物[1]。

液壓虛擬仿真實驗是液壓元件為實驗對象，結合計算機信息技術和數字化技術為特點的虛擬化、網絡化實驗教學。通過虛擬仿真技術可以形象地展示液壓元件的工作原理、動作演示過程，構建液壓元件的三維視圖以及零部件組裝圖、內部結構圖、剖視圖、透視圖和運動視圖。

通過虛擬仿真試驗系統，每個學生都可以動手拆裝液壓元件、設計液壓回路，動態模擬液壓回路工作過程，實時模擬顯示流量、壓力和溫度等實驗數據，豐富了實驗教學形式，提高學生對液壓傳動理論相關知識的理解，促進學生實踐動手能力。

2　液壓虛擬仿真實驗教學內容和方案

液壓傳動是一門工程應用性很強的學科，實驗是學生理解液壓傳動理論知識的重要途徑。液壓元件種類繁多，工程應用范圍廣泛，在設計實驗教學內容和方法時要融合理論課的內容，根據液壓傳動教學大綱的要求，精心選取實驗對象和工程典型應用案例，構建實驗內容，然后根據實驗內容，設計實驗方法和步驟。

2.1實驗教學內容

根據液壓虛擬仿真實驗教學的特點，實驗可以分成以下五個內容：

1）實驗前的理論知識準備；

2）虛擬拆裝液壓元件，掌握液壓元件的結構和組成，分析液壓元件的工作原理、作用和影響液壓工作效率的因素；

3）液壓仿真軟件的操作；

4）根據液壓典型工程應用要求，設計液壓及控制回路，選擇合適的液壓元件搭建回路；

5）對回路進行仿真，觀察并記錄實驗過程中各種參數的數據，分析數據，查找問題，提出改進設計方案并重新實施；

6）分析實驗數據，總結實驗方法，查閱相關文獻，撰寫實驗報告。

實驗中學生要應用液壓傳動基礎知識對研究對象的結構特性、作用和功能做詳細的分析，并在此基礎上設計液壓回路原理圖，結合實驗內容要求，設計初始液壓回路方案。熟練掌握液壓仿真軟件的操作，選取液壓仿真軟件元件庫中的相關元件搭建液壓回路，并進行仿真模擬運行，分析實驗數據和實驗現象，不斷改進和完善液壓回路。正由于虛擬仿真技術的特點，回路的搭建非常方便，簡化了實驗操作，充分體現了液壓虛擬仿真實驗的優越性，達到每個學生都能自己動手進行實驗操作的目的。實驗內容的前3部分主要是訓練學生能夠運用已經學過的液壓專業理論知識來掌握液壓元件的結構、工作原理、功能應用；第4部分是學習并熟悉液壓仿真軟件操作，為液壓回路設計奠定基礎；最后2個部分設計液壓回路和分析實驗結果，目的是通過回路設計、實驗仿真、分析實驗現象和數據來解決實驗過程中的實際問題，使學生通過典型液壓回路設計模擬現場液壓工程應用，形成工程意識，培養學生的工程應用能力。通過對實驗結果的理論分析和深入研究，讓學生學會查閱相關文獻資料，廣泛閱讀，擴展知識面，了解液壓工程應用和研究前沿知識，利用文獻資料提出解決液壓工程應用的新思路，并從中學到解決實際工程問題的思維方式和研究方法，激發學生探索科學真理的積極性[3]。

2.2實驗對象選擇

液壓元件種類繁多，實驗要依據教學大綱要求，結合實際工程應用，制定合適的實驗內容，根據內容和課時數來選擇實驗對象，液壓虛擬仿真實驗可以分成課內實驗和課外實驗兩種形式，典型液壓元件課內完成，輔助液壓元件課外練習，這樣既可以完成實驗教學大綱要求，又能拓展學生的知識面。

在液壓傳動中，液壓元件一般分為：

1）動力元件（齒輪泵、葉片泵或柱塞泵）。

2）執行元件(油缸或液壓馬達）。

3）控制元件（液壓換向閥、單向閥、溢流閥、減壓閥、順序閥、節流閥、調速閥、比例閥和伺服閥等）。

4）輔助元件（油管、接頭、濾油器、蓄能器、油箱、密封件和熱交換器等）。

5）動力傳輸介質（液壓油等）。基本液壓回路有：1）壓力控制回路；2）速度控制回路；3）方向控制回路；

4）多執行元件控制回路。

在液壓虛擬仿真實驗中，液壓回路的構建非常方便，因而可以對以上這些典型回路進行仿真實驗。

2.3實驗方案設計

液壓虛擬仿真實驗的特點就是充分利用計算機的資源優勢，通過三維圖形仿真來虛擬拆裝液壓元件，讓學生了解液壓元件的結構、零部件組成、工作原理和作用，圖1為齒輪泵。

圖1　齒輪泵三維圖

然后再通過FluidSIM、Automation Studio、AMESim和MATLAB等仿真軟件進行液壓回路設計、調試和仿真運行，其實驗教學方法和步驟應有區別于傳統液壓實驗教學模式。根據其特點現將實驗方案實施流程設計如圖2所示。

根據實驗方案實施流程，分別為：實驗前液壓基礎理論知識與液壓仿真軟件的預習；實驗對象結構分析、虛擬零部件拆裝、結構組成及功能分析；液壓回路設計及仿真；實驗效果分析討論；改進設計及實驗仿真；完成實驗報告和拓展研究。流程之間成因果鏈條關系，缺一不可。實驗中要用到液壓與控制等基礎理論知識和專業理論知識，對實驗前的知識準備和實驗中的知識綜合應用能力要求較高。因此，實驗教學安排以集中和分散形式的實驗課前準備和課內、課后分析討論很有必要。在整個實驗過程中，必須先進行液壓元件拆裝基礎實驗，學生先了解元件的結構、工作原理和功能等專業基礎知識，然后才能進行液壓回路設計和仿真運行的專業綜合實驗。專業基礎實驗和專業綜合實驗的時間間隔為兩周，目的是讓學生有充分時間設計液壓回路的實驗方案、選取合適的液壓元件并進行分析論證和完善實驗方案。

實驗要求學生個人獨立完成，分組分析和討論組內每個同學的設計和實驗結果，這樣有利于培養學生集思廣益、取長補短的思路和工作協作精神。在實驗過程中，教師的目標就是引導學生深入思考一些典型液壓回路在實際工程中的應用問題，激發學生的發散性思維，加強學生之間以及師生間的思維碰撞，在組織形式上使每個學生都自覺或不自覺地參與到整個實驗的過程中，培養學生的團隊合作精神。

3　結束語

液壓虛擬仿真實驗對液壓專業理論知識、工程應用、液壓仿真軟件和計算機知識具有高度的綜合應用特性，實驗對教師和學生都提出了較高的要求，需要教師和學生積極配合和相互合作才能達到實驗的目的，因此，如何調動學生的實驗積極性成為實驗結果質量高低的關鍵。液壓虛擬仿真實驗實現了學生人人動手操作完成整個實驗過程的跨越，沒有出現實驗過程中部分學生圍觀的現象，極大地提高了學生參與實驗的積極性。為了結合實際工程應用，我們采用了把虛擬仿真和傳統實物相結合的實驗教學方法，學生通過虛擬仿真的方法了解了液壓元件結構、功能和液壓回路的設計及實驗仿真，再用實物搭建液壓回路進行驗證，這樣增加了液壓虛擬仿真實驗，壓縮了傳統實驗教學的時間，反而比原來單獨采用傳統實驗教學模式取得了更好的效果。

[1] 中華人民共和國教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知(教高司函[2013]94號)[Z].2013.8.

[2] 徐進.2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結及2014年申報建議[J].實驗室研究與探索,2014,8.8.

[3] 郭瑞琴,周賢德.拓展型生產線規劃實驗模式探索[J].實驗室研究與探索,2011,12(30)：12.

Discussion on the teaching mode of hydraulic virtual simulation experiment

ZHOU Xian-de

TP39

A

1009-0134(2016)07-0034-03

2016-05-06

同濟大學第十期實驗室教學改革項目（2014年11月立項）

周賢德（1968 -），男，湖南道州人，碩士，主要從事開放式數控和運動控制、圖形數字化工程應用、虛擬數字化實驗教學研究。