虛實融合的《液壓傳動及控制技術》多層次混合式實踐教學模式研究

商執億，劉冰，陳珊，張改萍

(西安工程大學 機電工程學院，陜西 西安)

一 引言

學生自主學習能力的提升往往能使教學過程達到事半功倍的效果，要想提高學生的學習能力，激發學生的學習興趣，就需要不斷改進教學模式，探索更加合適的教學方法。教育部印發的《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》中也提出：“以學生發展為中心，通過教學改革促進學習革命，積極推廣小班化教學、混合式教學、翻轉課堂，大力推進智慧教室建設，構建線上線下相結合的教學模式。因課制宜選擇課堂教學方式方法，科學設計課程考核內容和方式，不斷提高課堂教學質量。積極引導學生自我管理、主動學習，激發求知欲望，提高學習效率，提升自主學習能力。”由此可見，形式多樣且合適的教學方法對提升學生自主學習能力的重要性[1-3]。

《液壓傳動及控制技術》是一門機械類專業的核心課，該課程實踐性高、受眾面廣，目前該課程在本校的機械設計制造及自動化、機械電子工程、機械工程和智能制造專業都有開設。從多年開展的實踐教學效果來看，仍然存在如下問題：

1.該課程實驗教學內容多為基本的液壓回路性能實驗，與工程實踐相差較遠，創新性低，學生不了解所學知識如何在生產實踐中應用，不利于應用型人才的培養，需在實驗內容中加入與工程實踐緊密相關的內容。但同時因實驗設備有限，部分液壓綜合性系統需借助虛擬仿真技術實現。

2.液壓閥類元件種類較多，結構和功能各有不同，閥體都采用了封閉式的結構，學生無法直觀地了解閥體的內部結構和工作原理。實驗教學枯燥，不能夠讓學生全面深刻了解液壓系統工作原理，導致教學過程中部分學生的積極性不高。

3.液壓實驗設備購置已有十二年，部分閥體漸漸出現了損壞和漏油的情況，能投入實驗教學的設備臺套數逐漸減少，同時因設備價格過高，更新換代需要一個周期，導致目前實驗教學開展困難變大。

4.實驗教學方法單一，無法滿足特殊情況下的教學需求（如：疫情防控期間）。需開發形式多樣的實驗教學方法，滿足線上線下教學的需求。

因此，有必要改進實踐教學的模式，創新實踐教學的內容，開發更具創新性、綜合性、開放性的實踐教學內容[4-5]。

二 虛實融合的實踐教學改革研究思路

液壓傳動仿真可以輔助解決實踐教學中的一些問題，滿足實際實驗無法實現的需求[6-7]。目前市面上有很多液壓傳動仿真軟件，功能多樣且軟件操作大多比較簡單，容易上手。液壓傳動仿真技術的引入不僅可以使學生能更加直觀地了解液壓元器件的工作原理和結構組成，而且可以更加有效地參與到液壓回路的設計、仿真、檢驗中。對教師而言，可以依托液壓仿真軟件，豐富實踐教學內容，探索更加合理的實踐教學方法。本文擬采用比較成熟的FluidSim 軟件。

液壓傳動虛擬現實仿真作為另一種的仿真技術，有其獨特的優點。將該技術應用于實踐教學中，可以使學生身臨其境地參與到學習過程中，帶給學生不一樣的學習體驗，大大增加學生的學習興趣[8]。本校的虛擬仿真實驗室建于2018 年，并依托該實驗平臺開發了液壓傳動虛擬仿真實驗系統，本項目擬將該系統應用到液壓傳動實踐教學中。

本項目擬將液壓傳動仿真技術和虛擬現實技術應用到實踐教學環節中。探索虛實融合的《液壓傳動及控制技術》多層次、混合式實踐教學方法。以提升學生的自主學習能力為目標，具體完成虛實融合的液壓傳動及控制實踐教學體系的構建、液壓傳動及控制實踐教學方法的探索及實踐內容的設計、實踐考核方式及教學反饋環節的探索、液壓傳動虛擬仿真系統及實踐項目的開發及完善、多層次液壓傳動及控制實踐教學活動的開展，如圖1 所示。

圖1 液壓傳動及控制實踐體系架構

三 虛實融合的實踐教學模式研究

(一) 建立柔性化、多層次、虛實融合的液壓傳動及控制實踐教學體系

課程實驗是綜合創新實踐的基礎，綜合創新實踐是課程實驗的延續和補充。針對目前液壓課程實驗教學中存在的教學內容與工程實際聯系少，教學方法單一的不足，建立柔性化、多層次、虛實結合的液壓傳動及控制實踐教學體系，擬建立三個層次：①液壓傳動課程基礎實驗；②液壓傳動綜合實驗；③電液控制開放創新實踐。如圖2 所示。

(二) 探索虛實融合的液壓傳動及控制實踐教學方法，設計教學內容

根據實踐教學體系不同的分層，探索不同的實踐教學方法，設計改進不同的實踐內容。

1.液壓傳動課程基礎實驗

目前的液壓傳動課程基礎實驗缺少液壓回路設計部分，同時實際閥體的結構及工作原理無法直觀演示，因此采用虛擬仿真技術對實驗內容進行改進，可以使學生直觀地了解液壓元件的工作原理和結構，液壓系統回路的工作原理，構建從液壓系統設計、仿真、回路搭建測試系統性的實驗過程。讓學生動手參與回路設計，檢測回路設計的合理性，將理論教學與實踐教學相結合，激發學生的學習興趣。

2.液壓傳動綜合實驗

圖2 液壓傳動及控制實踐教學體系結構

依托專業綜合實驗環節，開發與工程實際緊密相關的綜合性實驗，培養學生的工程應用能力。因實驗設備有限，液壓元件不夠齊全，需借助虛擬仿真系統進行液壓傳動回路的設計。實踐教學模式采用虛實融合、理論與實踐相結合的混合方式。教學過程以學生為主體，鼓勵其獨立思考、獨立操作，充分調動學生的學習積極性和主動性。

3.電液控制開放創新實踐

設計教學計劃之外的電液控制開放創新實踐項目，實驗過程中以學生為中心，虛擬仿真操作與理論講解相結合，對尚不具備實操條件的相關教學內容，建立虛擬仿真實驗平臺，使學生能夠直觀形象地學習液壓傳動知識，培養學生的實踐動手技能，激發學生的創新意識。

(三) 探索實踐考核形式和實踐教學反饋方法

針對液壓傳動課程基礎實驗，將學生的考勤、實踐動手能力、團隊協作能力等納入考核體系中，考核方式采用預習（20%）+課堂表現（20%）+實際操作（30%）+ 實驗報告（30%）。針對液壓傳動綜合實驗，考核方式采用液壓系統設計（30%）+系統搭建（30%）+團隊協作（20%）+實驗報告（20%）。

針對電液控制開放創新實踐，采用開放式的教學模式，學生自行組隊，選擇已有的實踐項目或開發設計新的液壓傳動實踐項目，教師參與指導。考法方式采用項目過程管理模式。

教學效果的反饋可以及時發現教學中存在的問題，不斷改進教學內容和方法，進一步完善教學體系。液壓實踐教學反饋主要從學生和教師兩方面的反饋來實施。學生的反饋通過小組討論會方式進行，教師的反饋通過聽課和討論會的方式進行。

(四) 開發并完善液壓傳動及控制虛擬仿真系統及實踐項目

開發并完善液壓傳動虛擬仿真實踐系統，為虛實融合混合式教學實踐過程提供軟件平臺。目前液壓傳動仿真部分在成熟的FluidSim 液壓仿真軟件基礎上開發實踐項目，液壓傳動虛擬現實仿真部分已依托虛擬仿真平臺開發了實踐教學場景的設計和液壓常用元件及部分基本回路的設計，依托本項目繼續開發完善綜合創新型液壓傳動虛擬仿真系統，為綜合實驗和開放實踐提供支持。

四 結語

在根據液壓傳動課程特色和需求，將虛擬現實仿真技術加入實踐教學中，構建多層次液壓傳動及控制實踐教學體系，探索虛實融合的混合式教學模式。虛擬仿真技術的引入，可以讓學生們在身臨其境的場景中學習，理解更透徹，記憶更深刻，既極大地節省了成本，又激發了學生的學習興趣，提升了整體的實踐教學質量。