基于AMESim 的“液壓傳動”案例教學＊

鄭淑娟，許蘭貴，吳林峰，姚林曉

（華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450045）

1 引言

“液壓傳動”是機械類專業學生的一門專業基礎課程，在全面實施素質教育和應用型人才培養的大前提下，寬口徑、厚基礎的培養目標明確。隨著技術的發展，“液壓傳動”課程需解決內容增加但課時壓縮的問題，同時更注重培養學生的應用能力。劉樂平[1]提出了案例教學實施時需案例生活化、案例定量化、案例辯證化的三化問題，并舉實例進行了教學實踐檢驗。萬暢等[2]以剪枝機的液壓與氣動原理設計作為典型案例，講述了案例教學的具體實施步驟。李傳峰等[3]也指出案例教學的實施有助于培養專業基礎知識扎實、實踐能力強、具備較高專業綜合素質的高級工程應用型人才。液壓傳動以流體為工作介質，液壓元件的動作、狀態，流體的流動狀態都不可視，抽象性強，學生理解困難，普遍感覺不易掌握。

本文提出借助AMESim 軟件的強大建模仿真功能，將案例教學中各元件的狀態和流動參數可視化，加深對理論知識的理解。同時仿真的可操作性強，比實驗臺更易于改變工作狀態，參數測試更加方便，能夠直觀地看到感興趣的各個參數。對于液壓系統，不當操作可能使壓力過高，仿真相對于實驗操作，安全性更有保障，也是一大優勢。在軟件AMESim 的基礎上進行案例教學，取得了較好的效果。

2 案例教學法及AMESim 簡介

案例教學法是教師組織學生通過對案例的調查、閱讀、思考、分析、討論和交流等活動，提高學生分析問題和解決問題的能力，本質是理論與實踐相結合的互動式教學[4]。案例教學與注入式的傳統教學模式不同，改變了教師單向輸出的局面，教師是組織者和引導者，教師引導學生對案例進行討論、分析，加深學生對基本原理、知識的理解，啟發學生自主地思考、探索。學生是主體，學生通過小組討論形成師生互動、生生互動。討論的過程促進學生積極主動地獨立思考，激發學生思維潛能。案例教學法在提高學生素質和培養學生創新能力方面有積極效果，具有重要意義[5]。

案例是案例教學的核心，在案例編寫和選擇時需圍繞教學目標和教學任務來完成，通過對工程案例的思考、分析、討論，既讓學生了解工程背景，又要樹立工程觀念，增強實踐意識，提高其分析問題、解決問題的能力，符合應用型人才需求的的培養目標。案例的核心價值在于應用，除了對其內涵剖析和類別劃分之外，更要重視案例的教學應用過程，即便是同一個案例在教學實施的不同階段任務和要點也各有側重[6]。

AMESim 為多學科領域復雜系統建模仿真平臺，它擁有一套標準且優化的應用庫，在液壓傳動中會涉及到機械庫、信號控制庫、液壓庫（包括管道模型）、液壓元件設計庫（HCD）、動力傳動庫、液阻庫、電機及驅動庫等。用戶可以在這個單一平臺上建立復雜的多學科領域的系統模型，并在此基礎上進行仿真計算和深入分析，也可以在這個平臺上研究任何元件或系統的穩態和動態性能。把AMESim 軟件引入課堂教學中，利用流體系統類應用庫搭建液壓元件、液壓回路、液壓系統，將液壓傳動課程中抽象的液流流動參數、晦澀難懂的液壓回路狀態轉變成直觀的數值或變化曲線，通過批處理方式改變回路參數，便于學生直觀地觀察、比較和分析結果，加深對理論知識的理解和掌握。軟件操作便捷，有利于學生專注于對理論的理解和應用，且有益于激發學生的主動性和獨立性思維，發揮學生的創新天性。

3 案例教學的實例

通過機床動力滑臺的工作循環中工進速度的控制回路的設計的工程案例，使學生掌握采用節流閥的進、回、旁三種節流調速回路的速度負載特性。

針對這一工程案例，結合啟發式和任務驅動式教學方法，首先引入基本的動力元件-液壓泵和執行元件-液壓缸，搭建其液壓回路基本框架（如圖1 所示）。啟發學生調速該怎么進行？加入流量控制閥-節流閥（如圖2 所示）。搭建進油口節流調速回路，接著在軟件中改變節流口開度的大小，會發現液壓缸速度并不發生改變。學生自主思考原因，為什么？查看節流閥不同開度時壓力和流量的數值，會發現節流口開度的變化影響了泵的工作壓力。原因是節流閥開度的改變，只是改變了液阻，但是進入液壓缸的流量并沒有發生變化。進一步說明液壓泵的工作壓力取決于負載。進一步思考可以采取哪些措施？組織學生討論。從分流的原理入手，在回路中加入溢流閥（如圖3 所示）。這時才是完整的進油節流調速回路。這時改變節流口的大小，可繪制出調速回路的速度負載特性和效率特性。相對于傳統教學介紹回路時從理論公式推導只能定性地給出拋物線的曲線，現在定量給出具體數值，有助于加深學生的理解。對調速原理進行總結，溢流閥的作用是定壓溢流，回路效率低。

接下來要求學生自主設計其他回路，引導學生自主搭建回油路節流調速回路和旁路節流調速回路，并分析它們的速度負載特性。在同樣的工作負載要求下，利用軟件很容易對三種回路的速度負載特性曲線進行定量比較。這個逐步推進的過程，只需要操作軟件就可以完成。

圖1 液壓回路基本框架

圖2 接入節流閥的系統圖

圖3 進油節流調速回路

整個案例教學的實施過程，引導學生獨立思考、自我探究，激發學生的主動性，有助于培養學生獨立思考能力和創新能力。而且軟件操作改變參數容易，獲取參數快捷，測試數據明確，學生容易得出合理的結論并掌握。整個學習過程著眼點主要在學生自我建立一套分析問題、解決問題的思維方式，不受限于學習硬件的操作和理論過程的推導。

4 結語

在“液壓傳動”課程中借助AMESim 實施案例教學法，使得案例教學法的效果進一步提升，學生的主體性充分體現，結合啟發式的提問，進一步鞏固學生的理論知識，培養學生探究能力。相對于傳統教學中的定性描述，軟件方便快捷地對各參數定量描述和比較，有助于樹立工程觀念，激發學生的獨立性思維和創新思維。