基于仿真平臺及混合式教學的“液壓與氣壓傳動”教學改革*

黃貴川，熊建國，韓亞軍

（重慶城市職業(yè)學院，重慶 402160）

“液壓與氣壓傳動”作為一門理論性較強的專業(yè)基礎課，大部分學校都面臨課程實踐環(huán)節(jié)缺乏、學生學習興趣和質(zhì)量不高的問題，倪君輝、趙雷、林雪冬、惠相君、劉志毅和李優(yōu)等人針對這些問題進行了相應的教學改革[1-8]，但是在教改過程中主要側(cè)重于系統(tǒng)仿真及其在教學過程中的應用，沒有進行關(guān)鍵元件仿真及教學實踐。而元件是系統(tǒng)的基礎，學生對基礎元件的理解將直接影響到對系統(tǒng)的理解。重慶城市職業(yè)學院工業(yè)機器人專業(yè)群基礎平臺課程“液壓與氣壓傳動”也面臨上述問題。針對這些問題，課題組進行了基于仿真平臺及混合式教學的“液壓與氣壓傳動”教學改革，同時加強了關(guān)鍵元件的仿真及教學應用，取得了較好的效果。

1 教學設計流程及原則

1.1 教學設計流程

教學設計流程如圖1所示。1）提前發(fā)布預習內(nèi)容及學習要點，要求各位同學結(jié)合教材、超星學習通平臺相關(guān)資源進行預習，培養(yǎng)各位同學的自學能力。每節(jié)課上課后，通過學習通隨機選幾位同學回答相關(guān)問題或進行初步的操作演示，以此檢驗整體的預習效果。結(jié)合同學們問題回答中出現(xiàn)的問題以及課程的重難點，進行相關(guān)知識的重點講解或典型案例演示。2）學生結(jié)合學習要求進行深入學習，對于仿真環(huán)節(jié)，還要求學生完成典型項目的仿真練習、項目匯報和演示，并最終分別在超星平臺和仿真實訓平臺完成理論考核和實踐考核。3）結(jié)合學習自學情況、回答問題情況、理論考核結(jié)果、仿真演示和匯報結(jié)果、最終的實踐考核結(jié)果對學生進行綜合考核。

圖1 教學設計流程

1.2 教學設計原則

結(jié)合課程實際情況、國家教育政策方針和“求德、求知、求技、求悟”校訓，教學設計堅持了“四個結(jié)合”的原則。

1）思政內(nèi)容與科學知識結(jié)合。堅決貫徹執(zhí)行國家教育政策方針，秉承“求德”校訓，將徐工700噸液壓挖掘機、蛟龍?zhí)枴^斗者號、垃圾分類、綠色發(fā)展、安全生產(chǎn)等思政元素、德育內(nèi)容和職業(yè)素養(yǎng)間接融入課程教學中，如表1所示。

表1 思政內(nèi)容與科學知識結(jié)合

2）教師知識傳授與學生探究性學習結(jié)合。課程設計重視學生“求知”過程中探究能力的培養(yǎng)，學生自學內(nèi)容、學習時長、參與討論情況、回答問題情況等內(nèi)容是綜合考核的重要依據(jù)。通過以上方式，培養(yǎng)學生的探究性學習能力，為步入社會后的終身學習打下基礎。

3）理論教學與仿真實踐結(jié)合。針對以往課程實踐環(huán)節(jié)缺乏、學生學習質(zhì)量不高的問題，在教學設計中將理論教學和仿真實踐教學穿插緊密結(jié)合，如表2所示，以此實現(xiàn)學生“求技”。比如將液壓動力元件的理論教學與基于AMESim的液壓泵仿真分析相結(jié)合，液壓執(zhí)行元件的理論教學與基于AMESim的液壓缸仿真分析相結(jié)合，液壓控制元件的理論教學與基于AMESim的溢流閥、減壓閥和順序閥仿真分析相結(jié)合等，以此提高學生學習興趣和學習質(zhì)量，同時提升學生的相關(guān)技能水平和分析問題、解決問題的能力。

表2 理論教學與仿真實踐結(jié)合

4）知識掌握與能力提升結(jié)合。課程設計除了要求學生掌握相關(guān)知識及技能外，要更加重視學生相關(guān)能力和“悟”的提升。如表3所示，通過探究性學習提升學生的自學能力，通過三維軟件裝配提升學生的三維軟件操作能力、故障排除能力和職業(yè)適應能力，通過虛擬仿真提升學生仿真軟件操作能力、仿真分析能力和思維能力，通過報告撰寫和演示匯報提升學生語言組織能力和溝通表達能力等。

表3 知識掌握與能力提升結(jié)合

2 教學方法改革

2.1 流體基礎理論可視化教學

流體基礎理論涉及連續(xù)性方程、伯努利方程和動量方程等內(nèi)容，難度較大，學生理解困難，針對該問題，在流體基礎理論教學過程中，通過CFD仿真方法引入流場可視化教學手段，如圖2所示，直觀化講解液壓流體力學知識，從而將理論知識的難度最低化。同時，通過簡單的現(xiàn)場實驗（例：如何用兩根吸管實現(xiàn)澆花所需的噴霧）讓同學們理解相關(guān)理論的基本應用，提升學生學習興趣。

圖2 流場可視化

2.2 液壓與氣動元件形象化演示教學

液壓與氣動元件的結(jié)構(gòu)及組成是后續(xù)內(nèi)容的基礎，通過硬件實物或三維軟件形象化展示液壓與氣動元件的結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。在掌握元件結(jié)構(gòu)組成的基礎上，學生以小組為單位分析其工作原理，然后基于UG軟件平臺通過三維虛擬拆裝增加典型液壓與氣動元件的立體感和真實感，提升學生學習動力。

圖3 液壓元件形象化演示示例

2.3 液壓氣動元件及系統(tǒng)仿真實踐

在掌握了液壓與氣動元件結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎上，基于同樣的學習小組，以AMESim仿真平臺為基礎分析液壓缸、單向閥、溢流閥、減壓閥、順序閥等液壓與氣動元件的動態(tài)工作過程，并基于批運行技術(shù)研究關(guān)鍵參數(shù)對元件性能直接的影響，由此加深學生對關(guān)鍵元件的理解，從而為后續(xù)的系統(tǒng)分析打下堅實基礎。

在學生完成元件仿真的基礎上，結(jié)合方向控制回路、壓力控制回路、速度控制回路等典型工作回路和工業(yè)機器人手部裝置驅(qū)動系統(tǒng)、行走裝置驅(qū)動系統(tǒng)等面向企業(yè)的實際應用案例實施項目式教學，學生分析系統(tǒng)組成、元件作用、工作原理和關(guān)鍵參數(shù)，并在此基礎上基于FluidSIM或AMESim進行系統(tǒng)級仿真，如圖4所示。一方面，通過仿真提高學生學習興趣，加深學生對系統(tǒng)的理解；另一方面，培養(yǎng)學生仿真實踐能力，以更好地適應相關(guān)職業(yè)崗位。

圖4 仿真實踐及相應模型

2.4 報告撰寫及匯報

學習小組完成了液壓與氣動元件三維虛擬拆裝、動態(tài)工作過程仿真及相應的回路仿真后，撰寫項目執(zhí)行報告，并進行演示、匯報及答辯，如圖5所示。以此方式，提升學生語言組織能力和溝通表達能力，同時為后續(xù)科學、公正、合理的考核評價提供依據(jù)。

圖5 學生匯報

3 考核評價方式改革

考核評價方式同時重視學生的學習過程和學習效果，結(jié)合教學設計原則和改革后的教學方法，采取了理論考核和實踐考核相結(jié)合、過程性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合的方式，如圖6所示。

圖6 考核評價

過程性考核中，基于超星學習通平臺，可以科學直觀地跟蹤各個學生的出勤、日常學習、討論溝通、章節(jié)測驗和互動等情況。基于學生撰寫的報告、演示匯報和回答問題的情況，可以掌握學生在仿真技術(shù)、語言組織和溝通表達等方面的能力。

終結(jié)性考核中，分別基于筆試和終結(jié)性仿真考核檢驗學生的理論掌握情況和綜合能力。

4 結(jié)論

課程教學改革的實施，獲得了學生的廣泛好評，取得了以下良好效果。

1）學生學習興趣普遍提高。課程改革了以往重理論輕實踐的教學方法，將理論教學和仿真實踐教學穿插緊密結(jié)合，從課程的整體學習氣氛來看，學生學習興趣普遍提高。

2）學生探究能力得到較大提升。課程采用了學生自行預習、教師檢驗預習效果的方式，從課程互動效果來看，學生探究能力會隨著課程的實施而逐漸提升。

3）學生綜合能力得到較大提高。從學生仿真演示、匯報和回答問題的情況來看，學生仿真實踐、問題處理、語言組織和溝通表達等能力會隨著仿真內(nèi)容的逐步增加和深入而逐漸得到提高。