融合真實與虛擬實驗的液壓傳動實驗教學(xué)與實踐

胡波，肖澤亮，李圣雨

（1.長沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.衡陽泰豪通信車輛有限公司，湖南 衡陽 421099）

0 引 言

隨著我國教育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，學(xué)生的實踐能力越來越受到重視。實驗教學(xué)作為學(xué)生實踐能力培養(yǎng)過程中十分重要的一環(huán)，是增強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)知識理解和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的重要方法。實踐是學(xué)校的教學(xué)活動中的根本，但受設(shè)備陳舊、資金欠缺、實驗安全等硬軟件條件的制約，當(dāng)前大部分高校的實驗教學(xué)設(shè)備與方法難以滿足大學(xué)生擴(kuò)招的需求與實踐能力培養(yǎng)的要求。因此，改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法迫在眉睫。

當(dāng)前大學(xué)學(xué)習(xí)和社會工作脫軌嚴(yán)重，很多同學(xué)反映大學(xué)期間學(xué)的知識無法直接應(yīng)用。而作為機(jī)械類專業(yè)的一門必修課程，“液壓傳動”具有很強(qiáng)的實踐性和應(yīng)用性，是從事液壓傳動設(shè)計工作的必要基礎(chǔ)知識。液壓元器件種類繁多、結(jié)構(gòu)相似、基本回路繁雜，必須結(jié)合實驗教學(xué)，才能獲得較好的學(xué)習(xí)效果。但是，液壓元件昂貴、實驗安全隱患、時空限制等，只有較少的學(xué)生能真正實操，大多數(shù)學(xué)生只能觀摩他人操作，導(dǎo)致實驗教學(xué)不充分、效果較差。近年來，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)逐漸應(yīng)用到課堂教學(xué)中，混合式教學(xué)在國內(nèi)外許多高校中蓬勃開展和廣泛應(yīng)用。利用虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬的實驗環(huán)境和仿真實驗平臺，可以有效地解決真實實驗教學(xué)中存在的問題，使學(xué)生的實踐能力得到充分的鍛煉，促進(jìn)學(xué)生液壓傳動基礎(chǔ)理論與實驗?zāi)芰Φ膮f(xié)同發(fā)展。發(fā)達(dá)國家研究虛擬實驗室時間較早，如1988年麻省理工學(xué)院開發(fā)的Web Lab 遠(yuǎn)程虛擬實驗室、牛津大學(xué)開發(fā)的Livechem虛擬化學(xué)實驗室。而我國高校教師在液壓傳動虛擬實驗方面也作出了較大貢獻(xiàn)。例如，陳敏捷等結(jié)合Unity、UG 和3Ds Max 平臺，搭建了一個交互方便的液壓虛擬仿真實驗系統(tǒng)；李美如等以JetBrains Rider 為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合Unity 3D 平臺，建設(shè)了液壓傳動虛擬仿真實驗教學(xué)平臺；并利用Inventor 構(gòu)建了虛擬實驗儀器及實驗場景，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)液壓實驗的不足。

盡管虛擬仿真實驗可以避免液壓元件昂貴、實驗安全隱患、實驗場所對液壓傳動實驗教學(xué)的限制，但仍存在虛擬液壓元件結(jié)構(gòu)不具象的問題，學(xué)生難以通過虛擬仿真實驗了解各類液壓閥之間結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異。因此，結(jié)合真實實驗與虛擬實驗，協(xié)同開展液壓傳動實驗教學(xué)，既能避免多數(shù)學(xué)生不能實操的問題，又可以使學(xué)生現(xiàn)場了解液壓元器件的結(jié)構(gòu)及差異。

1 液壓傳動實驗平臺

1.1 真實實驗平臺

基于液壓傳動課程教學(xué)大綱的要求，實驗平臺應(yīng)當(dāng)包含薄壁小孔、細(xì)長孔與環(huán)形縫隙液阻特性等3 種流體實驗，液壓泵、液壓缸與液壓馬達(dá)等3 種動力與執(zhí)行元件性能實驗，溢流閥、減壓閥靜動態(tài)性能等4 種閥類實驗，進(jìn)口、出口與旁路等3 種節(jié)流調(diào)速回路性能實驗。由此可見，液壓傳動課程的實驗種類多，涉及的液壓元件多，若全部搭建實物實驗臺，必須同類實驗臺架搭建多個，供多組學(xué)生使用，以避免實驗課時少的限制。這樣的實物實驗臺造價十分昂貴、占地空間巨大，為此建立液壓傳動的虛擬仿真實驗平臺非常必要。

盡管液壓實物實驗臺建設(shè)費用大，我校仍然建設(shè)有液壓泵性能實驗臺，溢流閥靜態(tài)特性實驗臺，節(jié)流調(diào)速回路性能實驗臺等，每種實驗臺建有4 組，可將學(xué)生分組同時進(jìn)行實驗，提高實驗效率。其中，液壓泵性能實驗可以通過調(diào)節(jié)截止閥和節(jié)流閥實現(xiàn)液壓泵的空載性能測試、流量特性和功率特性測試、效率特性測試；溢流閥靜態(tài)特性實驗臺通過節(jié)流閥和油泵啟閉可以實現(xiàn)溢流閥調(diào)壓范圍測量、壓力振擺測量、壓力偏移測量、壓力損失測量、卸荷壓力測量、內(nèi)泄漏測量、啟閉特性測量；節(jié)流調(diào)速回路性能實驗臺可以通過改變節(jié)流閥連接管道，實現(xiàn)進(jìn)口、出口與旁路節(jié)流調(diào)速回路性能測試。

1.2 虛擬實驗平臺

虛擬仿真實驗平臺設(shè)計的目的是使學(xué)生能夠在模擬的液壓實驗環(huán)境中，了解各種液壓元件在結(jié)構(gòu)與功能上的差異；并隨時隨地搭建虛擬的液壓系統(tǒng)來驗證液壓回路的功能。為此，首先通過UG 建模軟件建立各種液壓元件的三維裝配體模型，并借助3Ds Max 與Photoshop 軟件進(jìn)行修圖與渲染；隨后，導(dǎo)入Unity 軟件中進(jìn)行可視化處理，并采用Unity Web Player 進(jìn)行調(diào)試與分布，建立了虛擬仿真實驗平臺。

搭建的虛擬仿真實驗平臺包含了液壓傳動課程教學(xué)大綱要求的3 種流體實驗、3 種動力與執(zhí)行元件性能實驗、4 種閥類實驗與3 種節(jié)流調(diào)速回路性能實驗。每個實驗都嵌入了實驗?zāi)康摹嶒炓蟆嶒灢襟E、實驗展示及試驗報告撰寫規(guī)范等欄目，如圖1所示，為學(xué)生自主線上仿真實驗提供了非常方便的指導(dǎo)，大大提高了學(xué)生仿真實驗的積極性。以液壓泵性能仿真實驗為例，根據(jù)實驗原理圖，學(xué)生可從動力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件庫選擇對應(yīng)的液壓元件，組裝液壓傳動實驗系統(tǒng)，并結(jié)合實驗?zāi)康摹⒁笈c步驟，實現(xiàn)液壓泵性能測試，獲取仿真實驗數(shù)據(jù)，計算與繪制液壓泵的性能參數(shù)。

圖1 液壓泵性能仿真實驗臺

2 液壓傳動實驗教學(xué)實踐

融合真實與虛擬實驗的液壓傳動實驗教學(xué)主要是先通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)，使學(xué)生掌握實驗?zāi)康摹⒁笈c原理，熟悉實驗步驟與操作方法；再通過實物實驗臺，熟悉相關(guān)液壓元件的實物結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)與控制方法。多年的實驗教學(xué)實踐證明：先通過仿真實驗，再進(jìn)行實物實驗臺操作，大大提高了實驗效率，能在有限的學(xué)時和資金投入內(nèi)，使每個學(xué)生都有操作實物實驗臺的機(jī)會。以液壓泵性能測試為例，介紹該實驗教學(xué)的方法：

（1）課余時間，學(xué)生在仿真實驗系統(tǒng)中，通過嵌入的指導(dǎo)性文件，明確實驗?zāi)康模毫私庖簤罕弥饕匦裕üβ侍匦浴⑿侍匦裕┖蜏y試裝置；掌握液壓泵主要特性測試原理和測試方法。

（2）通過仿真實驗要求文件，了解本實驗的內(nèi)容和要求：液壓泵的空載性能測試；液壓泵的流量特性和功率特性測試；液壓泵的效率特性（機(jī)械效率、容積效率、總效率）測試。

（3）在仿真實驗平臺中，結(jié)合內(nèi)嵌的測試原理圖，如圖2所示，和實驗步驟說明，搭建液壓泵性能測試仿真系統(tǒng)，如圖3所示，執(zhí)行仿真實驗，并得到仿真數(shù)據(jù)。

圖2 液壓泵性能測試原理圖

圖3 液壓泵性能測試仿真實驗臺

（4）根據(jù)仿真實驗平臺中的實驗報告模板，整理實驗數(shù)據(jù)，并計算與繪制液壓泵空載排量與性能參數(shù)，如圖4所示。通過仿真平臺的成績統(tǒng)計，當(dāng)每個學(xué)生都能掌握本實驗的要領(lǐng)后，可以開始進(jìn)入實物實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。

圖4 液壓泵性能仿真實驗數(shù)據(jù)

（5）通過仿真實驗，熟練掌握了本實驗的目的、測試原理、實驗步驟和數(shù)據(jù)分析后，學(xué)生在實驗教學(xué)課時內(nèi)，進(jìn)入實物實驗室，開始操作真實的液壓泵性能測試臺；熟悉真實液壓元件的結(jié)構(gòu)，練習(xí)液壓元件的調(diào)節(jié)與控制。

由于前期通過仿真實驗熟練掌握了本實驗的測試原理與步驟，在實物操作時，每個學(xué)生花費的時間大幅度減少。在有限的實踐教學(xué)時間內(nèi)，幾乎能實現(xiàn)每個學(xué)生都能進(jìn)行實物實驗臺的操作。在融合真實與虛擬實驗的液壓傳動實驗教學(xué)模式下，學(xué)生的動手能力得到了更好地培養(yǎng)，理論教學(xué)與實踐教學(xué)結(jié)合更加緊密，取得了較好的實踐教學(xué)效果。

以本校2019 級汽車服務(wù)工程專業(yè)某班級為例：該班學(xué)生共32 人，前期在仿真實驗平臺中，通過系統(tǒng)嵌入的指導(dǎo)性文件，明確了實驗?zāi)康摹?nèi)容和要求，熟悉了測試原理，并模擬了實驗步驟和數(shù)據(jù)整理。進(jìn)入實物實驗教學(xué)環(huán)節(jié)時，本班級共分為4 組，每組5 ～6 人（該班1 人沒有參加實操），分布在4 個實物操作臺上進(jìn)行實驗教學(xué)。經(jīng)過前期的理論學(xué)習(xí)和模擬實驗，實物操作前對各液壓元器件講解時，學(xué)生能很快地回想起該液壓元件的功能和優(yōu)缺點，掌握其結(jié)構(gòu)特點、液壓管道連接、調(diào)節(jié)與控制。這樣的實驗環(huán)境下，每個學(xué)生基本能在6 分鐘左右完成液壓泵的性能測試，在一個學(xué)時內(nèi)實現(xiàn)了每個學(xué)生的實操，這是以往純實物實驗教學(xué)難以達(dá)到的。

該教學(xué)班的實驗成績分布如圖5所示，平均分達(dá)到了81 分，僅1 人因沒參加實操定為不及格；成績良好及以上的學(xué)生共23 人，占比達(dá)72%，成績中等以下的僅為6%。在融合真實與虛擬實驗的液壓傳動實驗教學(xué)模式下，學(xué)生不僅在真實實驗環(huán)節(jié)中操作順暢，后續(xù)對實驗數(shù)據(jù)的整理和參數(shù)計算也理解深刻，實驗成績整體情況也有明顯提高。這種教學(xué)模式使有限學(xué)時內(nèi)的液壓傳動實驗教學(xué)更加充分，取得了良好的教學(xué)成效。

圖5 液壓傳動實驗成績分布與占比

3 結(jié) 論

針對高校液壓傳動實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中普遍存在的真實實驗臺架匱乏問題，文章探討了融合真實與虛擬實驗的液壓傳動實驗教學(xué)的設(shè)計與方法。通過虛擬仿真實驗平臺，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)液壓仿真實驗，熟練掌握測試原理及實驗步驟，繼而再開展實物實驗教學(xué)。避免了傳統(tǒng)真實實驗教學(xué)僅少數(shù)學(xué)生能實操，導(dǎo)致實驗教學(xué)不充分、效果較差的問題，獲得了較好的教學(xué)效果，具體如下：

（1）液壓傳動仿真實驗平臺的建設(shè)打破了液壓傳動實物實驗臺時空的限制，大幅度降低了液壓傳動實驗課程資源建設(shè)的資金投入。

（2）液壓傳動仿真實驗系統(tǒng)可以讓每個學(xué)生反復(fù)練習(xí)，使學(xué)生實實在在的熟練掌握實驗測試的目的、原理及步驟，為后續(xù)實物實驗臺的操作效率奠定了堅實的基礎(chǔ)。

（3）融合真實與虛擬實驗的液壓傳動實驗教學(xué)，彌補(bǔ)了實踐教學(xué)課時少的缺陷，避免了大部分學(xué)生走馬觀花式的實物實驗，提高了實踐教學(xué)質(zhì)量。