基于虛擬仿真技術(shù)的液壓與氣動技術(shù)課程的教學改革實踐

研究 林雪冬

摘? 要：隨著信息化技術(shù)與教育教學的不斷融合，傳統(tǒng)的教學手段已無法吸引學生的興趣和關(guān)注度，難以實現(xiàn)教育效果的最優(yōu)化。借助虛擬仿真技術(shù)，讓液壓元件、液壓系統(tǒng)回路“動起來”，提高學生的學習興趣，加深學生對液壓知識的理解。該文基于虛擬仿真的液壓與氣動技術(shù)，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在液壓的教學之中，探討以虛擬仿真技術(shù)提高教學效果的策略。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)? 液壓與氣動技術(shù)? 教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（c）-0097-03

液壓與氣動技術(shù)是高校機械類專業(yè)開設(shè)的一門實踐性較強的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其元件結(jié)構(gòu)較為抽象，基本回路眾多，單單依靠理論講解比較枯燥乏味，難以提起同學們的興趣。因此，教學中需要輔以大量的實訓幫助學生對知識點進行理解和掌握。而一些高職院校實驗設(shè)備缺乏，且現(xiàn)有設(shè)備不少都已老舊不能正常運行，造成了學生實訓時多人1組，每個學生動手操作的時間不足，實訓教學達不到理想的效果[1]。為此，對液壓與氣動技術(shù)課程的教學改革實踐，可以考慮利用現(xiàn)有的計算機機房引入虛擬仿真技術(shù)，對各種液壓元件的工作原理和基本回路功能進行模擬仿真，并且，通過下發(fā)學習任務(wù)的方式進行任務(wù)驅(qū)動教學，不斷激發(fā)學生的學習興趣，提高學習效果。

1? 虛擬仿真與任務(wù)驅(qū)動

虛擬仿真是20世紀80年代出現(xiàn)的一種新的綜合集成技術(shù)，即用虛擬的電子信息系統(tǒng)對真實場景系統(tǒng)的一種模擬仿真技術(shù)。使用虛擬仿真技術(shù)可以很好地解決實訓條件不充分的問題。任務(wù)驅(qū)動教學法是目前高職教學中一種較為有效的教學手段?！叭蝿?wù)驅(qū)動”教學是以任務(wù)為主線、學生為主體，將所要學習的新知識隱含在任務(wù)之中，學生對下達的任務(wù)進行分析、討論，找出解決問題的方法;同時，在完成任務(wù)后及時總結(jié)、交流討論直至融會貫通，從而實現(xiàn)對所學知識的掌握[2]。

教學過程中，教師安排虛擬任務(wù)給學生，學生則基于虛擬仿真技術(shù)，在完成任務(wù)的過程中實現(xiàn)對理論知識點的學習與應(yīng)用。以液壓為例，可以將某個基本回路的功能講解融入到某個實際工程案例中去，比如：挖掘機是如何實現(xiàn)其挖掘動作的？通過軟件模擬仿真這一基本回路的功能，使同學們有相對直觀的了解。同時，教師輔以講解，這樣就能形象生動地向?qū)W生闡釋回路的工作原理。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，使學生在學習抽象的液壓回路時既不會有陌生感，又能提高他們動手動腦的興趣。

2? 虛擬仿真技術(shù)在教學過程中的應(yīng)用

2.1 模擬液壓元件的拆解過程

液壓缸、控制閥是液壓系統(tǒng)的重要元件，且它們的結(jié)構(gòu)與功能學習起來較為抽象。一般可通過拆裝實驗使學生了解各元件的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并掌握分析常見故障和排除方法。但是傳統(tǒng)的拆裝實驗需要使用實物，實驗過程長，設(shè)備損耗大，且部分設(shè)備拆卸后零件損壞或丟失，導致無法進行多次重復實驗[3]。

教師在課下借助Unigraphics NX和eDrawings軟件，開發(fā)液壓泵和控制閥的虛擬拆裝系統(tǒng)。首先，采用UG進行液壓泵和控制閥的實體建模;然后，采用eDrawings對泵閥的各個元件進行虛擬拆裝。課堂上教師將準備好的文件發(fā)給學生，帶領(lǐng)學生在電腦上進行泵閥的虛擬拆裝，認識各元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而了解其組成[4]。圖1所示為學生使用虛擬拆裝系統(tǒng)對齒輪泵進行模擬拆裝實驗。

2.2 模擬液壓元件工作原理

液壓泵如何輸出壓力油？液壓控制閥怎樣控制液壓油流動方向、壓力及流量？這些問題在傳統(tǒng)的教學過程中只能依靠教師比劃，文字敘述，因而學生很難真正理解其工作過程。通過Flash對液壓泵、液壓控制閥的工作過程進行動畫模擬，可以幫助學生通過動畫演示清晰地觀察泵閥的工作過程。圖2所示為液控單向閥的Flash動畫演示。該動畫分別演示了控制口通油與不通油兩種情況下，從A口進油、從B口進油的情形，幫助學生掌握什么情況下A、B油口互通，什么條件下液控單向閥只作為普通單向閥使用。圖3所示為順序閥的工作原理演示。通過該演示，學生能夠直觀地分辨出內(nèi)控內(nèi)泄式、內(nèi)控外泄式、外控內(nèi)泄式、外控外泄式4種不同類型的順序閥，清楚了解4種不同順序閥的結(jié)構(gòu)以及工作原理上的不同之處。

2.3 液壓回路基本功能的虛擬仿真

一個液壓系統(tǒng)是由若干具有不同功能的基本回路組成，掌握基本回路的功能對學生分析和設(shè)計液壓系統(tǒng)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的液壓基本回路的功能講解主要還是依靠PPT，或者通過實訓課由學生拆裝/操作綜合實驗臺進行功能測試。但是由于設(shè)備老舊，不利于學生實驗和操作;并且，各種液壓元件的組裝、拆卸以及功能測試過程中不可避免地要沾上液壓油和機油，導致學生們主動性不夠。且實物拆裝時容易出錯，影響實驗效果，導致學習效果一般。在計算機上安裝宇龍液壓仿真軟件，可直觀、動態(tài)地觀察液壓回路的功能展現(xiàn)以及執(zhí)行元件的速度和位移變化。利用模擬軟件，學生容易操作，對學習理解液壓基本回路有較大幫助。實訓過程中，教師可先引導學生搭建基本回路并演示，然后布置任務(wù)，由學生進行回路搭建并仿真，完成回路的功能模擬。圖4所示為學生動手搭建的液壓基本回路。通過對該回路的功能仿真演示，可使學生直觀地感受到電磁換向閥的換向功能。同時，通過改變溢流閥的調(diào)定值和液壓缸的外負載大小，可以理解系統(tǒng)壓力、工作壓力和局部管路實際壓力之間的關(guān)系，幫助于學生理解液壓系統(tǒng)中各元件的作用以及基本回路的功能實現(xiàn)情況。

在學習液壓典型回路時，對照液壓原理圖，讓學生自己動手搭建整個系統(tǒng)，通過模擬仿真來理解整個回路的工作原理，并給出電磁鐵的動作順序表，甚至對回路進行更改、創(chuàng)新。例如，在學習YT4543型動力滑臺液壓系統(tǒng)的工作原理的過程中，依照工作要求，下達任務(wù)：（1）完成系統(tǒng)實現(xiàn)“快進→一工進→二工進→停留→快退→停止”工作過程的模擬仿真。（2）分析系統(tǒng)中涉及到哪些基本回路？這些回路的基本功能是什么，是否能夠由其他元件或回路結(jié)構(gòu)進行代替？學生可以先分組進行討論，初步給出電磁鐵及行程閥的動作順序表，然后，根據(jù)給出的答案進行仿真、驗證。并且，嘗試著將其中的參數(shù)進行改變或者更換其中的液壓元件，來觀察系統(tǒng)回路的表現(xiàn)，以此加深對系統(tǒng)回路的理解;再進一步，進行回路的創(chuàng)新再設(shè)計。

3? 虛擬仿真教學實踐效果分析

以虛擬仿真技術(shù)融入液壓課堂教學，能使復雜問題簡單化、抽象問題具象化。學生通過虛擬仿真操作，能夠更加形象生動地理解液壓系統(tǒng)的工作原理。同時，通過虛擬仿真軟件代替實訓室，可以緩解實驗設(shè)備不足的局面。尤其，軟件平臺可以實現(xiàn)很多實際生活案例的模擬仿真，帶給學生更加親切、更易接受的學習體驗。比如，自卸式卡車在各基建場所都能見到，但其自卸的工作過程，學生則不一定清楚。通過建立自卸式卡車的虛擬動畫，可讓學生了解自卸動作原來是通過伸縮式液壓缸完成的。這樣既激發(fā)了學生的學習興趣，又提高了學習效果。另外，虛擬仿真軟件的引入使課程內(nèi)容更加貼近工程實踐，對學生的設(shè)計創(chuàng)新有著無可比擬的優(yōu)勢。為此，在高職液壓與氣動技術(shù)課程中可以通過布置虛擬任務(wù)，將需要學習掌握的知識點融入到這些預設(shè)的虛擬任務(wù)中來引導學生的自主學習。其具體的實施過程是：（1）明確需要講解的知識點。（2）設(shè)計具體的虛擬任務(wù)。對虛擬任務(wù)所涉及的每個知識點給出參考解，并引導同學們解決這個虛擬問題。（3）在解決問題的過程中，引導同學們分組討論、相互協(xié)作，明確學習內(nèi)容與重點并進行自主學習。（4）對同學們提出的解決方案進行分析與評價。（5）總結(jié)與回顧，強調(diào)重點內(nèi)容。

4? 結(jié)語

該文基于虛擬仿真技術(shù)的液壓與氣動技術(shù)課程的教學實踐研究，采用仿真軟件具有以下優(yōu)勢：（1）利用虛擬仿真技術(shù)可以消除學生在學習液壓抽象知識過程中的陌生感，通過生動的仿真過程使學生對各液壓元件、液壓與氣動回路的工作原理、工作狀態(tài)有更深刻的理解。（2）學生可以根據(jù)老師布置的任務(wù)設(shè)計液壓回路，并進行模擬仿真。通過任務(wù)驅(qū)動增強學生的自主學習能力，提高學習效果。（3）利用仿真軟件，學生可根據(jù)要求方便地設(shè)計出不同回路。通過比較與分析，選出最佳方案，從而培養(yǎng)學生的分析與創(chuàng)新能力。（4）將多媒體技術(shù)與虛擬仿真相結(jié)合，輔助液壓與氣動技術(shù)課程教學，抽象的知識點更加直觀、生動，教學內(nèi)容更易被學生接受。

參考文獻

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