《水液壓傳動技術》課程教學方法研究

紀輝，聶松林，尹方龍，馬仲海

（北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京）

一 引言

“新工科”是基于國家發展需求提出的我國工程教育的改革新方向，旨在培養出多元化、創新型卓越工程人才[1]。《水液壓傳動技術》是北京工業大學機電學院在“新工科”背景下面向機械工程專業本科生開設的一門專業限選課，是基于流體力學、機械設計、高等數學等基礎課增設的一門面向工程實際的應用型課程。傳統的液壓技術多以液壓油作為工作介質，存在污染、易燃、易爆、成本高等問題，而水液壓技術以純水作為工作介質，具有安全、環保、經濟性好、機動靈活等突出優勢，克服了傳統液壓技術的不足。隨著我國海洋發展戰略的實施以及“一帶一路”倡議的推進，海洋科技取得了長足的發展，但目前我國自主創新引領力度不強，特別是深海技術裝備仍遠落后于歐美、日本等發達國家。為了提高我國的深海作業技術水平，迫切需要培養一批具有水液壓技術背景的應用型人才。

《水液壓傳動技術》課程總體上包含水液壓關鍵技術、典型水液壓元件和典型水液壓系統三部分內容。從原理上來看，水液壓傳動技術與傳統液壓傳動技術十分相似，但一旦將液壓油介質替換為水后，就會涉及到潤滑、密封、腐蝕、氣蝕等多種科學問題。就目前來看，《水液壓傳動技術》這門課程在國內高校的設立還十分罕見，發展還不成熟，因而沒有現成可借鑒的教學方法。但與《液壓與氣壓傳動》課程類似，《水液壓傳動技術》也是一門兼具綜合性與實踐性的課程，且二者課程體系也十分相似，因而《水液壓傳動技術》課程現階段所用教學方法可以借鑒傳統《液壓與氣壓傳動》課程。

《液壓與氣壓傳動》是一門經典的機械類本科生必修課程，其教學方法相對來說已經很成熟，且國內有眾多學者探索了多種新型教學方法。如蔡漢躍[2]針對工程認證背景下《液壓與氣壓傳動》課程面臨課時壓縮造成的“教的累、學的苦”現象，從教學內容、教學方式、學生主動學習、實驗課及企業元素等五方面提出了改革方向。郭文靜等[3]開展了多項綜合性開放實驗教學研究，激發了學生的學習主動性和實驗興趣。符林芳[4]提出了混合式教學方法，并在機電、模具專業學生中進行了實踐，取得了良好效果。馬少春等[5]探討了《液壓與氣壓傳動》案例教學法在工程教育背景下農業院校的應用。馬勇杰等[6]將科研創新成果應用于《傳統液壓與氣壓傳動》課程的教學中，探討了典型案例的基本設計思路，實現了專業知識、科研成果與思政理念的有機結合。

《水液壓傳動技術》課程的教學目的是使學生通過學習，能夠了解水液壓傳動的基礎知識，熟悉和掌握典型水液壓元件的基本工作原理，并掌握具有特定功能水液壓系統的設計方法?！端簤簜鲃蛹夹g》課程的教學方法雖然可以參考傳統《液壓與氣壓傳動》課程，但在“新工科”建設背景下還需探索出一種適于新型專業人才培養的課程講授方法。

二 教學現狀與存在問題

《水液壓傳動技術》屬于機械類本科生的專業限選課，共32 學時，分16 周授課，平均每周2 課時，開課時間定在大四第一學期。在第一輪授課中仍然按照傳統《液壓與氣壓傳動》課程的教學思路，即嚴格按照先理論后實驗的教學思路，前26 學時主要以理論講授為主，后6 學時設置課程實驗。理論講授按“水液壓關鍵技術-水液壓元件-水液壓系統”的思路循序漸進。水液壓關鍵技術即在設計水液壓元件過程中需解決的關鍵技術問題，典型水液壓元件主要包括水液壓泵、水液壓馬達、水液壓缸、水液壓閥等，在此基礎上以典型水液壓系統為例，使學生了解水液壓系統的基本構成，并具備構建完整水液壓系統的能力，同時還可以根據水液壓系統所具備的不同功能進一步熟識各典型水液壓元件的功用。課程的最后設置了實驗教學，通過典型水液壓元件的拆裝及其性能實驗使學生將理論知識與實踐相結合，對水液壓元件和水液壓系統具備直觀了解，以期培養學生的動手能力和解決實際問題的能力。但由于該門課程的教學模式正處于探索階段，經過一輪教學后發現存在一些問題。

（一）理論內容繁雜，理解困難

水液壓傳動技術涉及機械、電子、自動控制、傳感器等多種技術，涵蓋知識面較廣、學科交叉性較強、課程本身包含內容也十分繁雜。如水液壓系統中最常見的水液壓控制閥包括壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三類，而每一類又涵蓋多種不同結構和型式的水液壓控制閥，其他水液壓元件亦是如此，若要在26 個課時內完成所有理論授課，每節課的授課容量還是十分可觀的，這導致許多學生由于課程安排過于緊湊而不得要領。此外，這門課程需要學生具備一定的流體力學、機械設計、自動控制等基礎知識，一些學生由于基礎不牢固或間隔時間較長致使對講授內容理解有難度。這一點通過布置課堂作業可以發現，有部分同學對水液壓元件的工作原理理解存在偏差，更有甚者難以理解課上所授內容。

（二）學生的互動性與參與感不強

由于該課程設置在大四第一學期，學生面臨著畢業、就業、考研等壓力，極易導致學生重視度不足，僅為拿到學分而“混課”。此外，該課程講授過程中穿插著大量水液壓元件結構圖或抽象的水液壓元件職能符號，學生的基礎又參差不齊，經過一輪的授課發現很多學生難以在短短的26 課時內接受如此大量理論知識的輸入，有些學生在理解失敗后甚至自我放棄。還有一些學生妄圖利用上課時間復習考研，但最終卻很難兼顧二者。雖然課程設置了6 學時的實驗課，但由于學生人數較多，實驗室現有設備較少，無法滿足人手一件的需求，因而實驗過程大部分時間是教師演示、學生觀摩的形式，且學生主動意識不強烈，不能很好完成“通過實踐提高學生的動手能力，加深對課程教學知識的理解”的實驗目標。整體來看，目前這種單向的知識輸入教學手段很難引發學生的學習興趣，導致學生的自我參與感不強、學習效率不高、技能掌握欠缺。

（三）成績評價方式難以體現創新思維

第一輪教學時，課程成績仍然按照傳統成績的評價模式，即采用平時成績與期末考試成績的加權對學生的學習效果進行評價。傳統成績評價主要以基礎理論知識和方法的掌握程度作為評價，對學生創新能力的考慮較少[7]。在教學過程中發現課堂“抬頭率”不高，一部分學生不注重平時課堂教學，企圖按照以往應對應試教育的方法，即采用期末臨時突擊的方式應對考試。而且這部分同學的學習態度往往會對其他積極參與課堂活動的學生產生一定程度的影響。此外，由于期末考試多為客觀題，題型比較固定，一些課上活躍且具備一定創新想法學生可能并不善于應試，最后考試成績可能與平時不積極參與課堂活動學生的成績相差無幾甚至出現不如他們的情況，結果給這部分積極參與課堂活動的學生心理造成一定的沖擊。由此可見，目前的成績評價方式只能體現學生對課本知識的復刻層面，而對學生的創新思維和解決實際問題的能力不能很好體現。

三 教學方法改進

《水液壓傳動技術》課程并不是一門應試教育類型的課程，其開設的初衷是開拓學生的視野，通過接觸流體傳動與控制領域的前沿方向來培養學生的創新意識、工程意識和工程思維，屬于一種開放性的課程。為了提高學生學習的主動意識，針對目前《水液壓傳動技術》課程教學中存在的不足之處，提出了以下解決思路（如圖1 所示）。

圖1 教學方法的改進方向

（一）改變傳統課堂講授方法

將面面俱到的理論授課方式轉變為突出典型案例的授課方式。由于傳統的單向輸入效果并不理想，利用當代大學生學習能力強、喜歡探索未知事物的特點，今后可以適當增加課堂討論環節。教師根據課堂講授的典型工程案例提出問題，將學生分成若干小組，小組成員以分工合作形式，課下通過查閱相關文獻資料提出解決方案，在課堂上以PPT 展示的形式匯報成果，教師在展示過程中提出疑問，小組成員進行解答，最后根據各組匯報質量進行成績評判，對創新性較好的小組進行加分獎勵。例如在介紹水液壓泵的工作原理時可以以斜盤式軸向柱塞泵為例介紹水液壓泵的基本工作原理及其關鍵技術，引導學生查閱資料介紹其他結構型式的水液壓泵，或提出新型結構的水液壓泵，其他液壓元件或系統的講解過程亦如此思路。這種提出問題、引導學生尋求解決思路的方式能夠提高學生的主動性、創造性和積極性，進而提高學生的課程參與感。這種教學方法一方面避免了由于課時緊湊實施填鴨式教育引發的學生疲怠和知識掌握不牢現象；另一方面通過反轉，使學生成為了課堂的主人，學生之間通過溝通交流不同的解決方案，實現了更多知識的解鎖，提高了學生的學習興趣和學習效率。

（二）增強課程的工程性和實操性

當代大學生一般對能夠通過自學獲得的基礎知識興趣不高，因而要適當改變現有授課內容，將水液壓技術在工程中應用的實例最大限度融入課堂能夠令學生更加清晰認識到水液壓技術在國民經濟各部門的重要地位。如可以以深海采樣或水下作業涉及到的水下機器人為例介紹典型水液壓系統的構成，并在講授中配置一定的視頻和圖像，增強學生的直觀印象。此外，還可以通過引入平時在科研工作中完成的實際工程項目介紹水液壓元件和系統的設計準則，在詳細介紹項目的實施過程中引導學生如何解決工程實際問題。在實驗課上，改變原有的教師演示、學生觀摩模式，精心挑選適于團隊合作的實驗內容，將學生分成小組，首先為學生講解實驗目的和實驗方法，隨后請小組成員分工合作完成實驗，力爭每位同學都能參與到實驗中來。如在進行水液壓泵的性能實驗時，可令一名小組成員負責加載、一名小組成員負責觀察儀器儀表讀數，另一名負責記錄，實驗完成后小組成員共同進行數據處理和分析，由于存在誤差，每組實驗數據理論上各不相同，不僅避免了不同組間的互相抄襲現象，還能通過實驗中的互相配合培養學生的團隊協作能力。此外，還可以建立專門的虛擬仿真實驗平臺，打破原有傳統實驗平臺回路搭接的局限[8]，令學生通過仿真軟件完成更多種類水液壓系統回路的搭建，拓寬學生的視野，進一步提高學生利用所學理論知識進行系統分析和系統設計的能力。

（三）改變現有成績評價方式

由于本門課程的側重點在于培養學生的系統設計和分析能力，因而本課程的考核并不僅僅是針對理論知識的考察，更多的是對學生綜合能力的考核。在未來的課程考核中應改變以往的平時成績加期末考試的考核方式，可以將對硬性理論知識的檢測轉移到平時課后作業上，同時將前述提及的課堂討論PPT展示、實驗報告等作為課程考核成績的一部分，將上述三部分整體按照40%的比例作為平時成績。另外60%改為開放式的課程報告，教師為學生提供3～5 個關于水液壓傳動技術的熱點題目，學生任選其一作為課程的最終考核報告，教師根據報告所體現的學生對水液壓傳動技術的掌握程度和創新程度進行成績的綜合評定。通過上述方式，可以進一步提高學生對每堂課的參與感，避免了學生不注重平時課堂教學、考試臨陣磨槍的現象，最終實現對學生個人綜合能力的評定。

四 結語

本文主要對《水液壓傳動技術》課程的現有教學方法及存在的不足進行了分析，并據此從課堂教授方法、課程的工程性與實操性、課程成績評價方式等三方面提出了《水液壓傳動技術》課程教學方法的未來改進方向，旨在最大限度提高學生的課程參與感和積極性，提高學生的動手能力和解決實際問題的能力，最終探索出一種適于“新工科”背景的《水液壓傳動技術》課程教學方法，并培養出具有牢靠水液壓專業理論知識和良好實踐能力的應用型人才。