以能力為導向的流體傳動技術課程群建設探索及實踐

王海芳 陳利強 呂超

摘? ? 要：針對國家創新工程人才的培養需求和流體傳動技術課程群的內容，東北大學秦皇島分校基于OBE（成果導向教育）理念，以能力需求為導向，開展流體傳動技術課程群建設及實踐。文章通過分析流體傳動技術課程群的能力導向，提出了雙層式課程群協同教學體系，以項目教學法為核心，輔以相應的工程仿真軟件支撐，使學生實現了“學”與“做”的有效結合。教學改革中采用了項目組和教師組“雙向”評價方法，實現組內評價和過程性評價相結合。實踐表明，課程群教學改革更好地提升了學生分析問題、解決問題的能力。

關鍵詞：課程群;流體傳動;能力導向教育;項目教學;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2023）10-0049-04

一、引言

德國于2013年公布的《德國工業4.0戰略計劃實施

建議》和我國于2015年公布的《中國制造2025》都旨在推進工業的智能制造，這就要求我國高等工程教育要培養出智能制造所需要的具有創新思維和綜合理論及技能的復合工程技術人才。成果導向教育（Outcome based educa-tion，簡稱OBE）是一種面向市場需求的、重點強調學生能力培養和能力訓練的教育理念，強調學生學習的主動性及“學”與“做”的有機結合，實踐表明，OBE理念有助于實現復合工程技術人才的培養[1]。

流體傳動是與機械傳動、電氣傳動并行的能量傳輸方式，流體傳動不受嚴格的空間位置限制，利用管道連接，布局靈活，易于實現直線運動、無級變速和自動控制。流體傳動元件屬于機械工業基礎件，標準化和通用化程度較高，有利于縮短設計制造周期和降低制造成本。因此，流體傳動技術在各個行業中得到了廣泛應用。流體傳動技術是機械類專業的基礎知識，流體傳動技術類課程既包含流體力學、控制技術等抽象數學理論知識，又包含流體元件及系統的實際模型知識，還有課程實驗及設計的實踐環節，內容比較繁雜。目前，流體傳動技術類課程之間相互割裂，內容整合銜接不好，缺乏連貫性，存在內容重復、知識重疊等問題。

在傳統教學過程中，通常是先理論后實驗，以理論為主，以實驗為輔，此類教學模式簡單可行，能滿足初步的被動式教學需求，但存在很多不足。第一，此類教學模式以教師為主體，以理論知識傳授為教學目標，教學設計往往自上而下進行，本質上背離了“以學生為中心”的教學理念，學生缺乏自主學習的積極性[2]。第二，課程群中的“工程流體力學理論”及“控制技術”課程主要講授流體的基本特性，流體的靜、動平衡和運動規律，自動控制系統在液壓系統中的應用，其內容大多以基本概念和理論公式推導為主，是分析元件與系統的“流體力學”“控制技術”的理論和計算方法支撐，理論難度大，學生理解起來比較難。第三，由于流體傳動的特殊性，元件和回路大多是在密封的條件下工作，盡管有元件和系統動畫的支持，但是元件內部的細節無法展示給學生，教學的直觀性相對較差，學生掌握元件與回路的原理及構成比較困難。第四，“液壓氣動課程設計”目前多以常規的單執行元件為基礎進行課程設計，設計的多樣性、創新性、挑戰度相對不足，在設計過程中，應用仿真軟件環節缺失，無法及時體現設計過程參數對結果的影響。綜上所述，目前，流體傳動技術課程群的教學與實踐改革應基于能力導向，強化工程背景，加強學生在復雜工程實踐中的訓練和提升解決復雜工程問題的能力。

流體傳動技術課程群基于工程教育認證的課程畢業標準構建課程群能力導向，以“工程流體力學”課程作為課程群理論前序，以“液壓氣動元件與系統”和“液壓控制系統”課程作為課程群元件與系統拓展，以“液壓氣動課程設計”課程作為課程群實踐環節，通過整合、更新和充實上述課程及實踐的教學內容，實現內容的有機集成。采用課程群項目制教學方法，師生通過項目參與教學全過程，構建“雙向”評價方式，實現過程評價，從而促進學生的知識、能力、素質協調發展。

二、流體傳動技術課程群的能力導向

按照工程教育認證的課程畢業標準，流體傳動技術課程群的能力導向如下[3]。

1.掌握流體傳動靜力學、動力學、管路流動及其阻力、孔口和管嘴流動及其損失、相似原理與量綱分析等知識及常用工程數值分析方法。培養學生運用流體力學知識分析和解決工程問題的能力，為學生學習流體傳動技術后續課程打下堅實的流體力學基礎。

2.掌握流體傳動動力、執行、控制、輔助元件和基本回路的工作原理、典型結構、工作特性、參數計算和適用場合等。培養學生流體元件和基本回路的選型、計算和分析能力，為流體傳動系統搭建打下堅實的元件和回路基礎。

3.熟悉流體伺服放大、動力和伺服元件的工作原理和特性，流體伺服系統的動、靜態特性分析，計算與仿真方法。培養學生流體伺服元件和系統的分析、計算和仿真能力，為流體伺服系統構建打下堅實的元件和系統的原理及特性基礎。

4.綜合課程群先修課程的知識內容，針對實際的流體傳動工程問題，學生運用前序知識合理地構建滿足設計要求的流體傳動系統。培養學生合理選用各種流體傳動元件，同時能對系統進行初步計算和仿真，從而完善流體傳動系統的設計的能力。

三、流體傳動技術課程群的構建

流體傳動技術課程群以培養學生流體傳動技術能力為目的，整合流體傳動技術主題相通、內容關聯的課程，由追求單門課程內容的嚴密、完整轉換為課程群內部的銜接、完善，課程群之間既相對獨立又上下貫通，完成了流體傳動技術課程群“大課程”的布局。

流體傳動技術課程群以“工程流體力學”“液壓氣動元件與系統”和“液壓控制系統”課程知識為理論基礎模塊，以“液壓氣動元件與系統”“液壓控制系統”和“液壓氣動課程設計”課程的實驗與實踐部分為實驗及實踐模塊，各門課程間相互聯系、相互支撐、交叉綜合，刪減了大量重復知識，構建了一個完整的流體傳動技術課程群（圖1）。課程群整合流體傳動技術方面的相關課程，理順了課程內容的關系，促進了課程結構的優化，形成課程建設的超集合專業建設的子集。

“工程流體力學”課程主要講授流體平衡和運動規律，建立描述各類流體運動的基本方程，確定流體經過各種通道及繞流不同物體時的速度、壓力的分布情況，探求能量轉換及各種阻力損失的計算方法，并解決流體與限制其流動的固體壁之間的相互作用問題，其提供了流體傳動的基礎流體理論和計算方法支撐。

“液壓氣動元件與系統”課程主要講授液壓泵、液壓馬達與液壓缸、液壓控制閥、液壓輔件、液壓基本回路、典型液壓系統和液壓系統設計計算、氣源裝置及氣動元件、氣動回路、氣動邏輯和氣壓傳動系統設計計算，其提供了流體傳動的元件和系統的原理、構造和基礎設計的理論計算支撐。

“液壓控制系統”課程主要講授液壓伺服控制的基本組成和原理，液壓放大、動力和控制元件的組成和原理，機液和電液系統的動、靜態特性分析與設計，其提供了流體控制的元件和系統的原理、構造和基礎設計的理論計算支撐。

“液壓氣動課程設計”課程結合理論知識，以典型液壓氣動系統為實例，闡述了液壓氣動傳動系統的具體設計計算、缸的結構設計、油箱、氣路及泵站結構設計、各類元件的集成組合，并進行液壓氣動常用元件的實際計算和選型，其提供了流體傳動的元件和系統設計計算的實踐支撐。

四、基于項目制教學方法的課程群建設

流體傳動技術課程群以項目制為教學方法，突出學生的能力培養，構建頂層課程群內容優化設計—底層課程項目制教學設計的雙層式課程群協同教學體系（圖2）。頂層課程群內容優化設計根據機械工程專業培養目標和知識體系，實現基于OBE理念的課程群結構和教學內容整合優化，包括調整教學大綱、優化教學內容和編寫合適的講義等。底層課程項目制教學設計根據具體的課程內容，將傳統學科體系中的知識內容轉化為若干個教學項目，同時輔以相應的工程仿真軟件支撐，圍繞項目開展教學，學生自主學習，直接參與教學全過程，實現了“學”與“做”的有效結合[3]。

在“工程流體力學”課程理論知識講解過程中，設置4大類項目，具體如下。流體靜力學和動力學類項目，內容包含連續性方程、伯努利方程的應用、總水頭線和測壓管水頭線、動量方程的應用;流動阻力和能量損失類項目，內容包括層流運動和紊流運動、計算各類流體能量損失的方法;孔口管嘴管路流動類項目，內容包括管路的串聯和并聯的計算規律、管路的計算基礎和方法;氣體動力學類項目，內容包括氣體流動基本方程、氣體的氣流參數與通道面積的關系、氣體管道中的流動。課程引入有限元流體仿真軟件[4]，通過數值方法求解流體運動的整個過程，得出流場中力、速度等參數的定性和定量分析。將抽象的流體力學知識通過仿真軟件直觀地表現出來，從而激發學生的學習興趣。

在“液壓氣動元件與系統”課程理論、實驗知識講解過程中，設置4大類項目，具體如下。動力元件類項目，內容包含柱塞泵、葉片泵、齒輪泵、螺桿泵、氣源部分的原理、基本組成和計算;執行元件類項目，內容包含齒輪馬達、柱塞馬達、葉片馬達、液壓缸和氣缸的原理、基本組成和計算;控制和輔助元件類項目，內容包含方向控制閥、壓力控制閥、流量控制閥、氣動檢測元件、氣動邏輯元件和輔助元件的原理、基本組成和計算;常用基本回路和典型設備回路類項目，內容包含壓力控制回路、速度控制回路、方向控制回路、多執行元件回路、動力滑臺、壓力機液壓系統和氣動機械手的原理、基本組成和計算。課程中以元件和系統為對象，應用三維建模軟件[5]，將元件復雜的內部結構、工作原理進行動畫仿真和視頻實物講解，使學生可以直觀地了解結構原理。

在“液壓控制系統”課程理論、實驗知識講解過程中，設置4大類項目，具體如下。液壓放大元件類項目，內容包括滑閥的結構、靜態特性、受力分析、輸出功率及設計、噴嘴擋板閥和射流管閥的原理;動力元件類項目，內容包括三通閥控液壓缸、四通閥控液壓缸和液壓馬達、泵控液壓馬達、液壓動力元件與負載的匹配;機液伺服類項目，內容包括位置伺服系統、結構柔度對系統穩定性的影響、動壓反饋裝置和液壓轉矩放大器的組成;電液伺服閥及其系統類項目，內容包括電液伺服閥的原理、組成、分類和特性，電液位置、速度和力控制系統的動、靜態特性分析、設計和校正。課程理論抽象，數學性較強，因此引入MATLAB軟件[6]，用軟件程序實現理論的仿真，學生可直接參與程序的構建、調試及運行，教學直觀生動，教學效果得到改善。

在“液壓氣動課程設計”課程實踐環節，設置3大類項目，具體如下。少執行元件傳動類項目，執行元件1或2個，主要內容包括一般液壓氣動系統設計計算，強調對回路的理解和元件的基礎選取，滿足一般的系統要求;多執行元件傳動類項目，執行元件3個以上，除了基本設計計算外，還需要考慮多執行元件之間的聯系，滿足復雜系統的聯動要求;伺服控制類項目，除了滿足常規的壓力、流量設計要求，還需要考慮控制系統的靜態、動態特性的指標，滿足較高的伺服系統要求。在設計計算過程中，引入AMESim仿真軟件[7]，讓學生對設計的系統進行仿真演算，驗證設計的可行性，提高設計效果。

五、課程群“雙向”評價方法及效果

結合課程群項目制教學方法改革，每門課程的考核方式由傳統的“平時成績+實驗成績+考試成績”改為

“項目成績+實驗成績（課程設計無）+考試成績（課程設計無）”。將平時成績納入項目成績中，提高項目教學考核比例，項目成績實行項目組和教師組“雙向”評價方法（圖3）。項目組評價，針對項目的參與度、分工度和貢獻度進行組內評價，引入同行競爭機制，有效避免組內學生之間的“打醬油”現象，充分發揮每個學生的主觀能動性;教師組評價，針對項目的過程、匯報和答辯進行多位教師評價，注重項目執行的過程性評價，多位教師多元考核，客觀公正，及時探究項目中的各種問題，從而發現學生的長處和不足，提高學生的能力。

以機械工程專業學生為依托，實施以能力為導向的流體傳動技術課程群建設及實踐教學改革，教學改革前后的課程成績和科技競賽獲得獎勵的數量統計對比如表1所示，參加課程群教學改革的學生獲得獎勵數量同比相應的改革前課程最終成績總體提高了8.2%，說明學生對液壓傳動技術專業知識的理解普遍增強。參加課程群教學改革的學生在全國大學生機械創新設計大賽、全國三維數字化創新設計大賽、全國大學生機械工程創新創意大賽和全國大學生工程訓練綜合能力競賽中多次應用流體傳動知識和相應的工程軟件，獲得國家級獎勵數量增加了50%，說明學生對流體傳動知識及軟件的應用能力得到了加強，學生的分析和解決實際工程問題的能力得到了提升。

六、結束語

針對國家創新型工程人才的培養需求，東北大學秦皇島分校按照《工程教育認證標準》，分析了流體傳動技術類課程群的能力導向，提出了以能力為導向的流體傳動技術雙層式課程群協同教學體系，實現了基于OBE理念的課程群結構構建和教學內容整合優化，通過基于項目制教學方法的實施，輔以相應的工程仿真軟件支撐，使學生更加自主融入教學全過程，實現了“學”與“做”的有效結合。同時，增加了項目組和教師組“雙向”的評價方法，更好地進行課程交流反饋。教學改革后的課程成績及競賽成績表明，學生對流體傳動技術專業知識的理解普遍增強，學生應用流體傳動知識和工程軟件解決實際問題的能力得到了提升。

參考文獻：

[1]? 姚靜，王佩.基于OBE教學理念的項目驅動式專業課程教學設計：以“液壓與氣壓傳動”為例[J].教學研究，2017，40（3）：87.

[2]? 孟爽，李德溥，卜遲武.翻轉課堂在“液壓與氣壓傳動”實踐教學中的應用研究[J].黑龍江教育（理論與實踐），2020，74（4）：72.

[3]? 曹陽，馬軍，都金光，等.系統工程視角下OBE理念導引的機械專業人才培養模式探析[J].大學教育，2022（10）：244.

[4]? 楊杰，劉建英，劉盛余，等.工程流體力學理論與數值計算相結合的教學改革[J].廣東化工，2021，48?（13）：263.

[5]? 倪君輝，詹白勺，余偉平.基于項目教學的液壓與氣壓傳動課程綜合改革[J].實驗室研究與探索，2017，36（11）：182.

[6]? 陳新元，傅連東，蔣林.機電系統動態仿真：基于MATLAB/Simulink[M].北京：機械工業出版社，2019：197.

[7]? 張袁元，顓孫隨意，辛江慧，等.以能力達成為導向的“流體力學與液壓傳動”課程設計的教學探索與設計[J]. 科技風，2021（1）：20.

收稿日期：2022-12-20? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2023-02-15

作者簡介：王海芳（1976—），男，山西高平人，東北大學秦皇島分校控制工程學院副教授，博士，研究方向為流體伺服控制及其元件可靠性、機器人技術。

基金項目：河北省高等學校教學改革研究與實踐項目“‘機械控制工程課程思政教學案例庫設計與實踐”（2021GJJG428）;東北大學秦皇島分校重點教改項目“基于學習產出模式的‘液壓氣壓技術課程項目教學探討”（2020JG-A01）、一流本科課程建設項目“液壓氣動技術”（2023YLKC-A04）、課程思政示范項目“液壓氣動技術”（2022KCSZ-B21）、一流本科專業建設項目“機械工程”（2021YLZY-04）