基于線上教學和虛擬實踐的“液壓與氣壓傳動”教學設計與實施

方自強，張 良，萬宇杰，易建鋼，彭松林

（江漢大學智能制造學院，湖北 武漢 430056）

0 引言

“液壓與氣壓傳動”是機械類專業(yè)的核心基礎課，該課程以流體力學理論知識為基礎，融合了泵、缸、馬達、閥以及液動和氣動控制回路等工程應用類知識，所授知識應用面廣，在數(shù)控機床、汽車、航天、船舶、工程機械等行業(yè)均有廣泛的應用。

在本教學團隊的“液壓與氣壓傳動”長期教學實踐中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有教學模式存在2 個相互矛盾的問題[1]：（1）流體力學基礎知識理論性強，涵蓋知識點多，而液壓與氣壓元的工程應用類知識均基于機械結構部件，元器件內(nèi)部結構復雜，回路傳動原理邏輯性強，使得提高課堂教學效果必須以延展課堂教學時間為前提；（2）依據(jù)“工程教育認證”的課程培養(yǎng)方案，教學大綱不斷對課堂教學課時進行壓縮，使得線下課堂教學課時逐年縮短。上述2 個問題迫使教學團隊必須對“液壓與氣壓傳動”教學模式開展探索、改造和升級[2]。

為了在更短的教學課時內(nèi)加深學生對“液壓與氣壓傳動”相關理論知識點的理解，并提升學生應用理論知識開展實踐的能力，本課程團隊在優(yōu)課聯(lián)盟平臺上建立了“液壓與氣壓傳動”網(wǎng)絡教學課程，用于學生自學和復習重要知識點[3-5]；在線下教學中，本課程團隊以前期所搭建的“液壓虛擬仿真教學實驗平臺”為基礎，開展虛擬仿真實踐教學，在加深學生對實用知識的理解的同時，提高學生的動手能力[6-7]。

1 線上網(wǎng)絡教學平臺的建設與使用

“液壓與氣壓傳動”網(wǎng)絡在線課程的建在“優(yōu)課聯(lián)盟”網(wǎng)絡教學平臺上。為了讓學生有效利用網(wǎng)絡資源對所學“液壓與氣壓傳動”開展高效而扎實的學習，該課程將原有的36 個線下理論教學課時進行抽絲剝繭，通過精簡和細化原有的泵、缸、馬達、閥等液壓和氣壓元件的構造原理，以及基本液壓和氣壓回路應用等核心知識點，進而將網(wǎng)絡在線課程減為24 個教學課時，其中線上教學課時分布由表1 列出。

表1 “液壓與氣壓傳動”線上教學課時分布

以表1 的線上教學主干知識點課時分布為依據(jù)，本教學團隊所建設的線上課程包括3 個主要模塊：（1）教學視頻模塊；（2）習題集與資料庫；（3）線上討論與直播模塊。

教學視頻模塊由教學團隊的4 位教師依據(jù)主干知識點在教材的分布分開錄制，以淺顯易懂的語言逐個講解液壓和氣壓傳動大綱規(guī)定的重難點知識，學生可以看不得視聽，直到完成掌握要求學習的知識點為止。

習題集與資料庫模塊主要圍繞大綱知識點的練習及其拓展而展開設計。其中習題集先以習題庫的形式建立，主要包含選擇題、填空題、問答題、計算題、回路設計與分析題等題型。上述題型以章節(jié)測試的形式均勻分布在24 個教學課時之中，測試的目標是輔助學生復習和鞏固所學知識點。

線上討論與直播模塊主要為學生和教師提供了關于線上課程學習討論的云平臺。當學生在某些知識點學習上存在困難時，通過向線上討論模塊提出疑問和求助。線上討論模塊可以迅速提供生生討論、師生討論等環(huán)節(jié)，為學生答疑解惑。

基于優(yōu)課聯(lián)盟平臺的“液壓與氣壓傳動”在線課程的建立：一方面能夠使得液壓與氣壓傳動的課程知識模塊化，同時幫助學生及時鞏固教學大綱規(guī)定的知識點；另一方面，學生依據(jù)教學進度表規(guī)定的相關進度要求，實時開展重難點分析和學習評價，達到鞏固“液壓與氣壓傳動”重要知識點的學習效果。

2 虛擬仿真實踐教學平臺的建設與使用

基于虛擬仿真技術在“液壓與氣壓傳動”實踐教學中的應用與探索，本課程團隊與“武漢全樂科技有限公司”展開合作，共同建立了液壓與氣壓傳動線下虛擬仿真實踐教學平臺。依托該教學平臺，虛擬仿真實踐教學的開展包含模塊[8]：課程學習模塊、元件學習模塊、仿真實驗操作交互任務模塊、仿真實驗自由操作交互模塊。四類模塊的功能由表2 給出。

表2 線下虛擬仿真實踐教學平臺的四大類模塊功能

根據(jù)線上教學的24 個課時知識點，本課程團隊結合虛擬仿真實踐教學平臺開發(fā)了四個線下虛擬仿真實踐教學環(huán)節(jié)：（1）動力與執(zhí)行元件的拆裝及認知環(huán)節(jié)；（2）典型液壓與氣壓控制閥的拆裝及認知環(huán)節(jié)；（3）經(jīng)典液壓控制回路的拼接與虛擬仿真環(huán)節(jié)；（4）以應用功能為導向的回路設計仿真環(huán)節(jié)。

在動力與執(zhí)行元件的拆裝及認知環(huán)節(jié)中，要求學生利用虛擬仿真實踐教學平臺對軸向柱塞泵與雙作用液壓缸的結構進行拆裝與工作原理分析，對軸承柱塞泵的排量開展計算公式推導，并對雙作用液壓缸的速度推力特性做出分析。

在典型液壓與氣壓控制閥的拆裝及認知環(huán)節(jié)中，學生需要對三位四通M 型換向閥、先導型溢流閥、節(jié)流閥等液壓與氣壓控制閥的結構進行拆裝與分析，同時結合流體力學知識對壓力控制閥、流量控制閥的壓力和流量控制原理及作用功能進行分析。

經(jīng)典液壓控制回路的拼接與虛擬仿真環(huán)節(jié)的目標主要使學生掌握教學大綱規(guī)定的17 個液壓和氣壓經(jīng)典回路，包括單作用缸換向回路、雙作用缸換向回路（2個）、手動換向卸荷回路、差動連接回路、換向節(jié)流調(diào)速回路、行程單向減速閥調(diào)速回路等。

以上述3 個實踐環(huán)節(jié)為基礎，著眼于實際工程應用，回路設計仿真環(huán)節(jié)通過創(chuàng)意性的設計，在平臺的軟件面板中進行搭建模擬調(diào)試，按照真實的工程應用場景需求，搭建液壓與氣壓傳動回路，使學生嘗試解決實際工程場景中的液壓與氣壓傳動問題。

3 “線上教學+虛擬實踐”的教學設計與開展

基于本課程團隊建立的“液壓與氣壓傳動”在線課程以及虛擬仿真實踐教學平臺，本課程團隊對“液壓與氣壓傳動”課程標準中的教學模式與評價方法[9-10]開展了改革和探索。在新的教學模式中，表1 中的知識點被模塊化分解：（1）要求學生根據(jù)每一知識點模塊開展網(wǎng)絡課程學習并完成相應題目測試，達到所學知識點的預習作用；（2）在教學進度表中線下課堂的前2 個課時中，由主講教師引導學生開展針對所學知識點模塊的分組研討與報告詳解，運用課件和研討的形式，對網(wǎng)絡課程學習以及測試題中產(chǎn)生疑惑的重難點知識進行生生詳評，進而掃清學生對所學知識點的認知盲區(qū)；（3）在教學進度表中線下課堂的后2 個課時中，利用虛擬仿真實踐教學平臺，采用教師展示和學生動手實踐的方式，對學生所學知識點模塊開展虛擬仿真實踐，實現(xiàn)所學知識點模塊的應用和融會貫通。表3 給出了“液壓與氣壓傳動”理論教學36 課時進度分布中線上網(wǎng)課與線下虛擬仿真實踐相融合的教學模式詳細安排。

表3 “液壓與氣壓傳動”理論教學36 課時進度分布

4 教學成效分析

基于“優(yōu)課聯(lián)盟在線”課程平臺和AR 虛擬仿真實踐平臺，以提升學生學習效率為目標，以激發(fā)學生學習興趣為導向，設計和實施基于線上教學和虛擬實踐的“液壓與氣壓傳動”教學案例。線上課程主要講解基本知識點，重點在于知識點的課前引入和課后鞏固；線下課堂以案例分析為主，傳授學生運用專業(yè)基礎知識解決工程實際問題的基本方法；虛擬仿真實踐使課程知識點理論與實踐緊密結合，鞏固線上線下教學效果。

以“液壓與氣壓傳動”課程中的保壓回路課程單元為實施案例，線上教學課時涵蓋輔助泵供油的保壓回路的構造原理、控制邏輯、元件動作順序、保壓功能分析等核心知識點，如圖1。教學視頻模塊主要供學生預習和復習保壓回路相關知識點，學生既可以根據(jù)自己的學習能力合理安排學習節(jié)奏，又可以根據(jù)課時進度復習鞏固相關知識點。

圖1 優(yōu)課聯(lián)盟平臺上線的“液壓與氣壓傳動”網(wǎng)絡在線課程

在線下課堂教學中，教師通過布置保壓回路的構造原理、控制邏輯、元件動作順序、保壓功能等關聯(lián)問題，引導和組織學生開展線下課堂翻轉(zhuǎn)研習，輔助學生復習和鞏固所學知識點，通過師生討論、生生討論等環(huán)節(jié)為學生答疑解惑。

教學團隊與相關軟件公司合作，共同建立了液壓與氣壓傳動虛擬仿真實踐教學平臺。基于該平臺，學生按照保壓回路的真實工程應用需求，通過創(chuàng)新性的設計在平臺中進行保壓回路的系統(tǒng)構建和仿真，搭建如圖2 所示的保壓回路，運用虛擬仿真技術使學生嘗試解決保壓回路運行過程中工程問題，使學生初步具備對保壓等壓力控制回路的設計能力。

圖2 采用輔助泵供油的保壓回路的回路搭建效果圖

圖3 給出了江漢大學智能制造學院機械、材控、過控等專業(yè)在2017—2020 近4 個學年內(nèi)，“液壓與氣壓傳動”考試成績各個分數(shù)段的百分比。其中，2017 學年采用“教師講授”的傳統(tǒng)教學模式；在2018 與2019 學年，本教學團隊將“線上學習”模式引入至“液壓與氣壓傳動”教學之中；2020 學年，本教學團隊采用“線上教學+虛擬實踐”的“液壓與氣壓傳動”教學新模式。

圖3 4 個學年期末考試成績百分占比

如圖3 所示，相比于2017 學年，2018 學年學生的期末考試成績大幅提升，尤其是60 分以下的低分段人數(shù)比例大幅減少，這歸因于學生利用網(wǎng)絡課程平臺上的“液壓與氣壓傳動”課程開展預習和復習知識點所取得的教學效果。同2019 學年相比，2020 學年中學生的考試成績再次大幅提升，80 以上及60～79 分數(shù)段人數(shù)比例大幅增加，這得益于線上教學與線下虛擬實踐相融合的“液壓與氣壓傳動”課程教學新模式的應用。學生通過對各類液壓與氣壓元件和液壓基本回路的知識點網(wǎng)課開展學習，有效理解了課程中元件結構圖和回路原理知識點；而虛擬仿真實踐課題的應用，有效調(diào)動了學生學習的積極性，并充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力。因此，線上教學與線下虛擬實踐相融合的“液壓與氣壓傳動”課程教學新模式能夠大幅提升學生的考試成績，也符合工程教育認證理念，值得在機械類專業(yè)的相關課程改革中進行進一步的試驗和推廣。

5 結語

融合線上教學與線下虛擬實踐的“液壓與氣壓傳動”教學新模式，豐富了液壓與氣壓傳動的教學形式和內(nèi)容，提升了學生的學習興趣和考試成績，主要優(yōu)勢可以歸納為：

（1）教學模式基于OBE 理念，以學生為主體，遵照工作任務驅(qū)動、實踐主導、教學做一體的原則，根據(jù)所知識重難點分為若干工作任務，難度逐步增加，達到學生對液壓與氣壓傳動知識從認識到熟練的預期目標。

（2）網(wǎng)絡在線課程使課程知識模塊化，幫助學生預習和鞏固教學大綱規(guī)定的知識點，學生能夠?qū)崟r開展重難點分析和學習評價，有助于學生鞏固“液壓與氣壓傳動”重要知識點。

（3）融合線上教學與線下虛擬實踐的教學新模式將枯燥單一的傳統(tǒng)液壓教學方式轉(zhuǎn)換為師生間交互性的液壓虛擬實踐教學，促進液壓理論知識的理解和掌握，提高液壓課程教學質(zhì)量和效率。