虛擬仿真視域下液壓控制元件可視化教學研究

摘?要：高等職業教育中機械類專業課程實訓教學過程的高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”問題突出，本文以液壓控制元件的教學項目為例，通過基于Automation Studio虛擬仿真軟件在“液壓與氣動技術”課程可視化教學中的應用，著力解決課程教學中凸顯的“三高三難”問題，使學生更加容易掌握液壓元件的基本結構和動作原理，同時為“隱性”思政元素的與專業課程內容的有機融合提供了有效的載體，實訓教學反饋效果也證實該方法收到了滿意的效果。

關鍵詞：虛擬仿真；液壓與氣動技術；可視化教學

Abstract：In higher vocational education，the problems of high investment，high loss，high risk，and difficult implementation，observation，and reproduction are prominent in the teaching process of mechanical major courses.This paper takes the teaching project of hydraulic control components as an example.Through the application of the virtual simulation software based on Automation Studio in the visual teaching of the "Hydraulic and Pneumatic Technology" course，we focus on solving the problems of "three highs and three difficulties" highlighted in the course teaching，making it easier for students to master the basic structure and action principles of hydraulic components，and at the same time It provides an effective carrier for the organic integration of "hidden" ideological and political elements with the content of professional courses.The feedback effect of training teaching also confirms that the method has received satisfactory results.

Keywords：virtual simulation；hydraulic and pneumatic technology；visual teaching

在高等職業教育中，把立德樹人作為根本任務，融入思想道德教育、文化知識教育、社會實踐教育各環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，把思想價值引領貫穿教育教學全過程和各環節，形成教書育人、科研育人、實踐育人、管理育人、服務育人、文化育人、組織育人長效機制［1］。在機械類專業課程教學實訓環節，教師通過典型案例特定角度引入、虛擬仿真嚴謹仔細、實訓操作規范標準等方式“潤物無聲、如鹽在水”般地讓學生獲得思政教育，著力解決高等職業教育中機械類專業人才培養中“怎樣培養人”的關鍵問題。

“液壓與氣動技術”課程是機械類專業二年級學生的必修課程，課程內容包含液壓與氣動技術的基本原理、液壓與氣動系統的組成元件、控制系統以及基本回路的計算與分析。在課程培養的知識目標中，重點讓學生了解液壓與氣壓傳動基礎知識，理解液壓與氣動主要元件的功用、結構、基本原理及應用，熟悉液壓與氣壓傳動基本控制回路的組成、工作原理及其應用，熟悉分析系統回路的方法。在培養能力目標方面：主要培養學生能識讀基本液壓與氣動系統圖，并分析其基本回路組成、工作原理，能根據工作機構的要求選用液壓與氣動元件，能完成一般液壓與氣動系統的安裝與調試。最后在素質目標方面：主要培養學生的科學嚴謹和踏實認真精神，培養學生的分析問題、解決問題的能力，培養學生具有創新精神和實踐能力，培養嚴謹的科學態度和良好的職業道德以及培養學生的質量意識和安全意識。

為提高職業院校學生對課程的理解，解決該課程的知識、技能、素質培養目標，本課題選擇“液壓與氣動技術”課程中核心章節（液壓控制元件的選用）為案例，使用基于Automation Studio軟件作為虛擬仿真手段對實訓教學過程進行可視化教學，解決理論講解、實訓實操過程中設備高投入、高損耗、高風險及教學過程中液壓圖紙難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”進行各個擊破，促使教學目標的高質量完成。

1 可視化教學方法

可視化教學運用于各類教學場景的爆發期是在計算機技術高速發展的階段，但“可視化”作為專業術語出現于1987年2月美國國家自然科學基金會召開的一個專題研討會上，但是研究視覺媒體的霍爾蒂早在20世紀80年代初期在自己出版的《教學設計與圖示化》（Instructional Designand Visualization）一文中就建議在各種適合的教學場景中使用可視化的教學設計，使教學內容中隱晦難懂的部分外顯，從而促進教學效果的提高［2-3］。可見，雖然可視化這一概念的出現并沒有一個確定的時間，只是當代文化在轉向一種視覺文化的背景下，加上計算機科學技術在圖形技術方面的突破，人們更加關注“可視化”的實現［4］。

針對現代高等職業教育中凸顯的三高三難問題，虛擬仿真教學模式是一個很好的切入點，在具體的實施環節，針對不同的課程特點，可以使用以實帶虛、以虛助實、虛實結合等方式促進學生技術、技能的培養，從而解決高等職業教育中專業課程實訓教學過程中高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”痛點和難點。

“液壓與氣動技術”課程是機械大類各專業學生的專業課程之一，同時液壓與氣動技術課程中包含復雜的理論推導與分析計算，比如連續性方程、伯努利方程、小孔流量等。同時在液壓基本回路的教學過程中，對于液壓系統的分析，通常情況下老師只能按照PPT中的圖紙進行教學，或者使用Flash動畫進行可視化教學。學生雖能簡單直觀地感受液壓系統中各個元件的運動。但并不能準確直觀地觀察在不同的控制方式下，管道內部液壓傳動介質的流動形態、壓力變化大小以及流量的運行狀態。

為解決該矛盾，本項目使用Automation Studio軟件進行可視化教學教學，首先通過教師在PPT進行理論分析，在學生完全理解理論知識、未開展實訓操作之前，使用Automation Studio軟件進行虛擬接管，搭建液壓系統，同時使用軟件中的壓力表、流量計等元器件直觀驗證理論分析的正確性，在教師驗證通過之后，學生才可在液壓實訓操作平臺上完成液壓系統的實訓與操作。

2 方向控制元件可視化教學

方向控制元件的功用是利用閥芯相對于閥體的相對運動，實現油路的通、斷或改變液流流向，從而控制執行元件及其驅動機構的啟動、停止或運動方向的變換。按照閥芯結構分為：滑閥式、轉閥式、球閥式；按控制方式分為：手動向閥、機動換向閥、電磁換向閥、液動換向閥、電液換向閥；按閥芯工作位置數量分為：二位、三位、四位；按通路數量分為：二通、三通、四通、五通。

在實際的教學過程中，按照如右圖1的方式，利用PPT進行理論教學，首先通過理論講解，讓學生大致明白滑閥式換向機構的動作原理，為虛擬仿真和實訓操作夯實基礎，理論講解結束后，使用Automation Studio軟件組建帶有二位三通換向閥液壓系統，通過虛擬動態仿真，讓學生真正理解改變滑閥的工作位置就能夠切換液壓回路中的液壓油流動的方向，從而改變液壓油流入執行元件位置，最終改變執行元件的運動方向，同時學生利用Automation Studio軟件清晰直觀地理解滑閥式換向閥的動作機制后，如圖2所示，為第二學時的理實一體化實訓教學打下基礎。

3 壓力控制元件可視化教學

壓力控制元件的功用是控制液壓系統油液壓力或利用壓力作為信號來控制其他元件動作。按用途分為溢流閥、順序閥、減壓閥和壓力繼電器；按工作原理分為直動式、先導式；按閥芯結構分為滑閥式、球閥式、錐閥式。壓力控制元件內部共同的基本構建都是由閥體、閥芯及調節控制機構（調壓彈簧、調壓螺母）等組成。常見的溢流閥、減壓閥、順序閥都是利用作用在閥芯上的液壓力與彈簧力相平衡的原理進行工作。為節約篇幅，本實驗只將直動式溢流閥用于可視化教學實驗研究。

液壓系統中的溢流閥主要作用：一是保持液壓系統或回路的壓力恒定；二是用作安全閥，對液壓系統起過載保護作用。如圖3所示，A接系統，B接油箱；溢流閥閥口常閉；假設調節螺母的整定壓力為pz，閥芯作用面積為A，則：

通過理論教學，學生基本明白了直動式溢流閥的理論原理，為讓學生可視化觀察直動式溢流閥真實安裝調試場景與壓力調節，組建圖4液壓系統圖，并通過調節開起壓力數值的大小（80bar），學生在軟件中直接觀察系統溢流時壓力表的讀數值（80.46bar）。通過虛擬仿真可視化教學加深了學生對直動式溢流閥的理解。

4 流量控制元件可視化教學

流量控制元件是液壓系統中十分重要的元件，在理論教學中通常先給學生講解節流閥以及節流閥的內部結構，再通過結構改造繼續講解節流閥的升級設備：調速閥。在該項目的教學過程中，流量控制元件都是通過改變節流口通流面積來調節通過的流量，從而調節和控制執行元件的運動速度，因此核心的理論教學任務就是讓學生理解：如何改變節流口的通流面積？在理論教學中，常見的節流口形式如圖5所示，通過理論講解學生明白了節流口通流面積的調節，但不直觀、不深刻。因此通過Automation Studio軟件組建帶有節流閥和流量計的液壓系統圖，如圖6所示。學生可以在該虛擬仿真軟件上實時動態調節通流面積的大小、直觀觀察流量計的讀數并且可以可視化查看執行元件的運動速度。使學生真正明白流量控制元件的使用場景和規范，為后期的真實液壓實訓操作夯實基礎。

5 結論

（1）基于虛擬仿真的可視化教學模式有效地改善了工科類專業實訓教學痛難點。借助計算機技術、虛擬仿真軟件使用Automation Studio軟件輔助機械類專業課程的理論教學，解決了現代高等職業院校中工科類專業實訓教學過程中高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”痛點和難點。

（2）虛擬仿真實訓平臺的建設可成為“隱性”思政教育的重要形式。基于虛擬仿真的可視化教學，教師嚴謹的教學設計、示范性的實訓操作潛移默化地培養學生科學、嚴謹的思考方式以及精益求精的工作學習態度，為未來的職業生涯夯實基礎。

參考文獻：

［1］中華人民共和國國務院.關于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見［Z］.2017-2-27.

［2］趙國慶，黃榮懷，陸志堅.知識可視化的理論與方法［J］.開放教育研究，2005（1）：23-27.

［3］Hortin，J.A..Instructional Design and Visualization ［J］.Performance and Instruction，1983，2（8）：20-21.

［4］李芒，蔡旻君，蔣科蔚，等.可視化教學設計方法與應用［J］.電化教育研究，2013，34（03）：16-22.

基金項目：重慶市教育委員會科技項目（KJQN20180 3602）；重慶工貿職業技術學院2021年度校級教學改革研究（JG20210207）

作者簡介：楊泮，碩士研究生，講師，研究方向：機械設計與制造。