“液壓與氣壓傳動”教學(xué)策略探索

張國慶++劉保軍++盧滿懷

摘 要：針對培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的教學(xué)目標(biāo)，從“液壓與氣壓傳動”作為一門機(jī)電工程學(xué)科交叉性的課程的角度出發(fā)，將課程教學(xué)內(nèi)容方式從元件機(jī)械設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計兩個方面進(jìn)行針對學(xué)科方向的優(yōu)化組織，并且采用“面向問題的學(xué)習(xí)”教學(xué)方式和互動平臺，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)電工程；液壓與氣壓傳動；高校

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2017）04-0006-03

當(dāng)今世界科學(xué)前沿的重大突破、重大原創(chuàng)性科研成果的產(chǎn)生，大多是多學(xué)科交叉融合的結(jié)果。因此，多學(xué)科交叉融合促進(jìn)了優(yōu)勢學(xué)科的發(fā)展，新興學(xué)科的產(chǎn)生，以及重大創(chuàng)新的推出，同時也對擁有交叉學(xué)科知識技能人才的培養(yǎng)提出了新的要求。機(jī)電工程作為一個典型的交叉學(xué)科，在其專業(yè)教學(xué)中越來越多的課程呈現(xiàn)出學(xué)科交叉性。相比其他一些專業(yè)基礎(chǔ)課程，其在課程內(nèi)容和課程實踐等方面具有自身的特點。其中“液壓與氣壓傳動”課程是機(jī)械工程方向中機(jī)電結(jié)合比較典型的一門傳統(tǒng)課程[1]。該門課程融合了流體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計及原理以及自動化控制等多門相關(guān)課程的知識運(yùn)用，是一門將機(jī)械與電子控制技術(shù)相結(jié)合的具有交叉學(xué)科代表性的一門課程。

“液壓與氣壓傳動”課程知識點繁雜，理論性、系統(tǒng)性和邏輯性都較強(qiáng)，部分內(nèi)容較抽象。同時作為一門傳統(tǒng)課程，雖然其教學(xué)理論基礎(chǔ)比較豐富，但是隨著當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域和場景的變化，目前的課程體系已經(jīng)不適應(yīng)社會發(fā)展對創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的需求，因此在課程教學(xué)上還需要與時俱進(jìn)，進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革和調(diào)整。

一、“液壓與氣壓傳動”課程教學(xué)現(xiàn)狀

隨著我國高等教育由精英化向大眾化階段的穩(wěn)步發(fā)展，人才培養(yǎng)的多元化格局日益明顯，將應(yīng)用型本科人才作為學(xué)校主要的人才培養(yǎng)目標(biāo)是很多普通高校的必然選擇。應(yīng)用型人才指的是一切從事非學(xué)術(shù)研究性工作的實際操作者，他們需要把科學(xué)原理應(yīng)用到社會實

踐中，以創(chuàng)造直接的經(jīng)濟(jì)利益和物質(zhì)財富。“液壓與氣壓傳動”作為一門經(jīng)典的機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課，已經(jīng)形成了“理論教學(xué)、驗證實驗、課程設(shè)計”的課程體系。在該體系下，結(jié)合我國高等教育的應(yīng)用性趨勢，通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生要掌握液壓與氣壓傳動技術(shù)的基本概念和基本原理，掌握常見的液壓和氣壓元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特點、應(yīng)用和選用方法，熟悉各類液壓基本回路的功用、組成和應(yīng)用場合，了解和掌握現(xiàn)有的系統(tǒng)，能夠分析系統(tǒng)和設(shè)計系統(tǒng)。本課程要使學(xué)生具有液壓設(shè)備的維護(hù)技能和自學(xué)能力，同時注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。但是和上述課程定位矛盾的是，現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容安排和教學(xué)方式都無法完全達(dá)到相應(yīng)效果和要求[2]。

（一）教材內(nèi)容編排不合理，內(nèi)容陳舊

現(xiàn)有的教材內(nèi)容仍然是以流體力學(xué)基本理論、液壓氣壓傳動元件、液壓氣壓傳動回路為主，各章節(jié)的編排關(guān)聯(lián)性并不明顯，而且部分章節(jié)內(nèi)容過于陳舊，與實際應(yīng)用結(jié)合的部分比較缺乏，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，難以抓住重點，對課程沒有形成整體準(zhǔn)確的認(rèn)識，造成學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果不好的結(jié)果。例如，大部分傳統(tǒng)教材在傳動力學(xué)理論這一章中介紹了流體三大方程，引入了“液動力”的概念和計算方法。但是在舉例時，選擇的是比較抽象的示例，其和實際應(yīng)用關(guān)聯(lián)不大，而且在后續(xù)的元件介紹章節(jié)中卻沒有對“液動力”做相關(guān)的介紹，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時，感覺抽象難懂，且和液壓與氣壓傳送課程相關(guān)性不高，使得他們對此的學(xué)習(xí)興趣不高。

（二）教學(xué)方式單一

受教材和教學(xué)資源的限制，傳統(tǒng)教學(xué)方式還是以多媒體演示的方式進(jìn)行輔助教學(xué)，即將部分教學(xué)內(nèi)容以圖片或動畫的方式展示給學(xué)生，配以教師的講解，使得學(xué)生比較直觀地學(xué)習(xí)液壓系統(tǒng)工作原理。但是這種方式的缺點在于學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的自主性和互動性，學(xué)生學(xué)習(xí)還是處于被動，同時原理的展示與系統(tǒng)的實際應(yīng)用關(guān)聯(lián)性較小，因此教學(xué)效果仍然差強(qiáng)人意。例如，在介紹各種液壓泵的工作原理時，傳統(tǒng)的教學(xué)材料是以簡化后的動畫來進(jìn)行展示，這種方式的優(yōu)點是原理性展示簡單直觀，但是展現(xiàn)不出實際元件的特征，例如在介紹齒輪泵的困油現(xiàn)象時，就無法展示清楚現(xiàn)象發(fā)生的所在位置和原因。

（三）實驗環(huán)節(jié)

在實踐實驗環(huán)節(jié)，目前的實驗平臺主要以液壓和氣壓傳動系統(tǒng)搭接平臺為主。其中以液壓傳動系統(tǒng)為例，受硬件配置的限制，搭接的回路比較有限，另外接口的拆裝費(fèi)時費(fèi)力，導(dǎo)致實驗環(huán)節(jié)的時間大部分浪費(fèi)在連接系統(tǒng)元件上，而在系統(tǒng)的設(shè)計與整體認(rèn)識上著力過少，導(dǎo)致學(xué)生對實驗學(xué)習(xí)的內(nèi)容沒有清晰的認(rèn)識，進(jìn)而對實驗學(xué)習(xí)的積極性不高。

二、“液壓與氣壓傳動”教學(xué)策略

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

早期高等教育以精英教育為培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)群體，而隨著高教規(guī)模的擴(kuò)大，高等教育逐漸向著普及性教育方向發(fā)展，教學(xué)培養(yǎng)的目標(biāo)也針對群體需求逐漸多樣化，大學(xué)教育培養(yǎng)的不再僅僅是研究型人才，更多的是應(yīng)用型人才。對于研究型人才，教學(xué)內(nèi)容可著重放在課程的理論和推導(dǎo)部分，而對于應(yīng)用型人才則應(yīng)把教學(xué)內(nèi)容重點放在工程應(yīng)用上。前者的自學(xué)能力相對較強(qiáng)，其培養(yǎng)目標(biāo)在于學(xué)科課程的繼續(xù)深造和學(xué)科理論知識的研究，而后者的培養(yǎng)目標(biāo)在于實際工程應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和操控能力的培養(yǎng)[3]。因此在進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的選擇和組織時，不能再把時間花費(fèi)在基本公式的推導(dǎo)和演算上，而

是把系統(tǒng)實際情況和流體理論基礎(chǔ)結(jié)合起來，強(qiáng)調(diào)理論的應(yīng)用，而非理論的證明和推導(dǎo)。

作為一門綜合應(yīng)用型的課程，“液壓與氣壓傳動”系統(tǒng)融合機(jī)電專業(yè)多門課程的內(nèi)容。例如，系統(tǒng)中采用的各種液壓元件涉及了機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計等課程的相關(guān)知識，系統(tǒng)的控制部分涉及了傳感器、電路控制、PLC控制等課程的相關(guān)知識。因此，在講授這門課程時，不能將其看作一門獨立的課程進(jìn)行介紹，而應(yīng)該在講授過程中，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合之前所學(xué)的相關(guān)課程知識進(jìn)行拓展性、思考性的學(xué)習(xí)。圖1所示為講授液壓溢流閥時的思路拓展。

當(dāng)前大學(xué)畢業(yè)生到社會，特別是到企業(yè)工作，雖然需要有廣泛的知識，但由于任何工作單位都有重點有分工，因此，即便是到液壓元件或系統(tǒng)制造企業(yè)工作，也有不同的針對性和著重點。例如，做液壓元件設(shè)計的，需要對元件的設(shè)計及制造比較了解；而做系統(tǒng)設(shè)計的，則只需要了解元件的使用功能，而不需要掌握元件的設(shè)計制造過程。因此，在教學(xué)過程中，可以針對授課對象的學(xué)習(xí)興趣和特長，從這兩個方面分別進(jìn)行引導(dǎo)和講解。如表1所示，兩種教學(xué)引導(dǎo)方向決定了講授內(nèi)容的重點，以及對學(xué)生學(xué)習(xí)的重點要求不同。

表1 教學(xué)引導(dǎo)方向與教學(xué)內(nèi)容重點

每一個學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不同，學(xué)習(xí)興趣不同，設(shè)定的學(xué)習(xí)重點方向也不同。在機(jī)電專業(yè)的“液壓與氣壓傳動”教學(xué)中，有些學(xué)生對機(jī)械設(shè)計方向感興趣，有些學(xué)生對機(jī)電系統(tǒng)控制技術(shù)感興趣，由此也決定了他們未來就業(yè)的方向，這樣在課程教學(xué)中教師應(yīng)針對這些不同的方向，對其進(jìn)行有針對性的引導(dǎo)，使得他們在各自感興趣的領(lǐng)域進(jìn)行更多的課程實踐和學(xué)習(xí)。例如，對機(jī)械設(shè)計方向感興趣的學(xué)生，可引導(dǎo)他們著重液壓與氣壓傳動元件的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的學(xué)習(xí)，如分析實用性較強(qiáng)且比較典型的元件結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，利用CAD軟件進(jìn)行元件的設(shè)

計和圖紙的繪制等。而對機(jī)電系統(tǒng)控制方向感興趣的學(xué)生，則引導(dǎo)他們著重液壓與氣壓自動化系統(tǒng)的設(shè)計方面的學(xué)習(xí)，如機(jī)電伺服轉(zhuǎn)換技術(shù)、PLC控制等技術(shù)的應(yīng)用，掌握自動化系統(tǒng)設(shè)計軟件的使用，完成液壓與氣壓傳動系統(tǒng)圖的繪制和軟件設(shè)計。

（二）運(yùn)用基于問題的教學(xué)方式

“授人以魚，不如授人以漁”，自主學(xué)習(xí)能力是現(xiàn)代社會中對工科畢業(yè)生的最基本要求，同時自主學(xué)習(xí)也是學(xué)習(xí)效果較好的一種學(xué)習(xí)方式，因此在課程教學(xué)過程中要引導(dǎo)學(xué)生的這種自主學(xué)習(xí)的主動性。在“液壓與氣壓傳動”這類與工程類的課程教學(xué)中，要實現(xiàn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，就是把工程實際問題引入課堂，采用“面向問題的學(xué)習(xí)”的教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生去尋找解決問題的方法[4]。

例如，在講解液壓損失的章節(jié)時，傳統(tǒng)的方式就是把液壓損失計算的相關(guān)參數(shù)和公式演算給學(xué)生，讓學(xué)生了解怎么計算液壓管道的液流壓力損失。但是從“面向問題的學(xué)習(xí)”角度出發(fā)，學(xué)生應(yīng)該了解液壓管道中液壓損失的基本原則，并能應(yīng)用這些原則來解決系統(tǒng)中設(shè)計損失的問題，還能選擇適當(dāng)?shù)脑瓌t來獲取解決液壓損失的方案和措施，進(jìn)而能夠評價一個液壓管道設(shè)計的優(yōu)劣，或能為一個新應(yīng)用設(shè)計一個相應(yīng)的液壓管道。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)“面向問題的學(xué)習(xí)”，首先在教學(xué)材料的準(zhǔn)備上，相對傳統(tǒng)教材來說，需要準(zhǔn)備更多開發(fā)的資料信息提供給學(xué)生。因此，開發(fā)數(shù)字信息化的教學(xué)資源平臺是一種必要手段。但是傳統(tǒng)的教學(xué)資源平臺，往往只是通過網(wǎng)站平臺提供一些課件PPT、教材插圖靜態(tài)信息，缺少互動性和對學(xué)生學(xué)習(xí)的漸進(jìn)式引導(dǎo)，所以對提高學(xué)習(xí)效果并不明顯。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，Web平臺具有越來越強(qiáng)的動態(tài)特性，包括互動性、動態(tài)圖形、立體圖像的處理能力、移動性等。尤其是HTML5標(biāo)準(zhǔn)的Web平臺，它支持離線訪問、支持全媒體內(nèi)容展示、支持交互式的2D/3D 圖像渲染、提供豐富的API 以調(diào)用移動設(shè)備的硬件，以此為基礎(chǔ)開發(fā)互動式數(shù)字化教學(xué)平臺，可以達(dá)到“面向問題的學(xué)習(xí)”的互動性和引導(dǎo)性的功能。在平臺中，對液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的教學(xué)資源進(jìn)行優(yōu)化分類，采用更直觀和有趣的方式進(jìn)行展示，同時展示的內(nèi)容要與工程實際相適應(yīng)，不再用抽象簡單的圖片或動畫來進(jìn)行原理說明，而是結(jié)合工程實際，用現(xiàn)實系統(tǒng)和元件來加以展示。平臺的內(nèi)容要方便學(xué)生檢索，同時要便于學(xué)生進(jìn)行知識點的串聯(lián)和總結(jié)，幫助他們能夠?qū)φ麄€課程內(nèi)容進(jìn)行歸納，形成一個清晰的認(rèn)識。

其次，在教學(xué)方式上，課前可提出液壓與氣壓傳動的實際工程問題，由學(xué)生自行查閱資料，課堂上展開小組討論或問題陳述和演示，然后教師再引導(dǎo)進(jìn)行理論性的分析，帶出課程相關(guān)的知識點。目前比較有代表性的形式就是“翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)”。通常情況下，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程由兩個階段組成：第一個階段是“信息傳遞”，是通過教師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生之間的互動來實現(xiàn)的；第二個階段是“吸收內(nèi)化”，是在課堂前后由學(xué)生自己來完成的。由于缺少教師的支持和同伴的幫助，“吸收內(nèi)化”階段常常會讓學(xué)生產(chǎn)生挫敗感，喪失學(xué)習(xí)的動機(jī)和成就感。“翻轉(zhuǎn)課堂”對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行了重構(gòu)。“信息傳遞”是學(xué)生在課前進(jìn)行的，教師不僅提供視頻，還可以提供在線的輔導(dǎo)；“吸收內(nèi)化”是在課堂上通過互動來完成的，教師能夠提前了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，在課堂上給予有效的輔導(dǎo)，學(xué)生之間的相互交流更有助于促進(jìn)他們知識的吸收內(nèi)化過程。

（三）改進(jìn)實驗教學(xué)方式

實驗實踐教學(xué)是對學(xué)生專業(yè)應(yīng)用能力的一種訓(xùn)練和培養(yǎng)，目前國家逐漸推進(jìn)本科教育向應(yīng)用型大學(xué)教育的方向發(fā)展，實驗實踐教學(xué)的比重也越來越大，要求實驗、實訓(xùn)、實習(xí)環(huán)節(jié)，實訓(xùn)實習(xí)的課時占總的專業(yè)教學(xué)課時的30%以上，并建立實訓(xùn)實習(xí)質(zhì)量保障機(jī)制。這樣使得其在課程教學(xué)中的重要性也越來越大，影響最終的教學(xué)效果。因為應(yīng)用型教學(xué)的目的是要培養(yǎng)應(yīng)用型人才，其強(qiáng)調(diào)專業(yè)性、職業(yè)性知識與能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練[5]。

目前大部分高校的“液壓與氣壓傳動”課程的實驗內(nèi)容分為兩個部分：認(rèn)知型實驗和驗證式綜合訓(xùn)練型實驗。認(rèn)知型實驗主要是通過對液壓與氣壓傳動元件進(jìn)行拆裝實驗，進(jìn)而了解其工作原理及其性能；驗證式綜合訓(xùn)練型實驗主要是搭建液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的幾個典型回路，進(jìn)行性能驗證性實驗。因此，在進(jìn)行“液壓與氣壓傳動”實驗教學(xué)時，教師不能再局限于傳統(tǒng)實驗臺的回路搭接，而應(yīng)利用現(xiàn)有的仿真軟件，拓展實驗平臺，完成多種多樣的綜合性的工程實際系統(tǒng)的設(shè)計，加強(qiáng)對學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)。同時，教師在實驗教學(xué)過程中，引入工程實際問題，要求學(xué)生通過小組分析和討論，完成解決工程問題的方案設(shè)計。通過這種方式，學(xué)生的專業(yè)能力、個性能力、社會能力和方法能力將得到綜合性的訓(xùn)練和培養(yǎng)。例如，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)時，要求學(xué)生設(shè)計完成一個實際液壓與氣壓傳動控系統(tǒng)，要求學(xué)生利用仿真軟件，搭接出系統(tǒng)圖，并能夠完成系統(tǒng)的控制和運(yùn)行操作。

同時在現(xiàn)有實驗條件下，在實驗實踐考核方式上做一些改進(jìn)，也可以提高教學(xué)效果。例如，最終的實驗考核，采用抽簽選題，分組搭接的方式。題目從實驗項目中提取，只給學(xué)生提供所需的液壓與氣壓元件，按要求搭接相應(yīng)功能的回路。這種帶有游戲色彩的考核方式，能讓學(xué)生避免呆板地應(yīng)對考試，而體驗到考核的挑戰(zhàn)性和趣味性。通過題目給出的元件符號，學(xué)生選擇尋找正確合適的搭接元件進(jìn)行回路搭接，由此體現(xiàn)學(xué)生平時的理論學(xué)習(xí)和實際動手的成果。

三、結(jié)語

從“液壓與氣壓傳動”作為一門機(jī)電工程學(xué)科交叉性應(yīng)用課程的角度出發(fā)，提出在教學(xué)內(nèi)容上從元件設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計兩個方面進(jìn)行有針對性的優(yōu)化組織。教學(xué)方式上采用“面向問題的學(xué)習(xí)”教學(xué)方式，將工程實例更多引入教學(xué)過程，以教會學(xué)生掌握系統(tǒng)綜合分析與設(shè)計為目的，同時開發(fā)互動性好的Web平臺輔助教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生帶著問題主動學(xué)習(xí)，這對提高課程的教學(xué)質(zhì)量有積極的作用。

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