新工科能力導向的液壓氣動技術課程項目制教學設計與實踐

王海芳 陳利強 呂超

摘? 要：針對新工科國家創新工程人才的培養需求和液壓氣動技術課程的內容，基于OBE工程教育的理念，分析課程的現狀及問題，搭建課程的知識組成及能力導向，提出課程知識模塊教學架構，以項目教學法為核心，工程項目輔以相應的工程仿真軟件支撐，使學生實現“學”與“做”的有效結合，實行學生項目組和指導教師組“雙向”的評價方法，實現學生組內和教師過程性評價。實踐表明，課程教學改革更好地提升學生的分析問題、解決問題的能力。

關鍵詞：新工科;目標導向教育;流體傳動;項目教學;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）31-0127-04

Abstract： For the demand of cultivating the innovative engineering talents in emerging engineering education and the content of Hydraulic and Pneumatic Transmission course， the current situation and problems of the course is analyzed based on outcome based education. The knowledge composition and ability objective of hydraulic and pneumatic transmission course is present. The knowledge module teaching framework of Hydraulic and Pneumatic Transmission course is proposed， which takes project teaching method as the core and projects are supported by corresponding engineering simulation software， so that students can realize the effective combination of learning and doing. The two-way evaluation method of project group and teacher group evaluation has been added. Practice shows that the course group teaching reform has better improved ability of student to analyze and solve problems.

Keywords： emerging engineering education; outcome based education; fluid transmission; project teaching; reform in education

黨的二十大報告指出，教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。聯合國教科文組織也指出，高等工程教育要從“技術范式”發展為“科學范式”，進而轉換為”工程范式”。新工科以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才[1-3]，為高等工程教育的改革探索提供了一個全新視角和“中國方案”。

目標導向教育（Outcome Based Education，簡稱OBE，亦稱目標導向教育、成果導向教育或需求導向教育）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工程教育模式[4]。新工科同樣也強調學生學習的主動性以及“學”與“做”的有機結合，如此，新工科與目標導向教育結合實踐會有助于實現復合工程技術人才的培養。

液壓與氣動（流體傳動）是與機械傳動、電氣傳動并行的能量傳輸方式，流體傳動方式易于實現直線運動、無級變速和自動控制，在重工、輕工、國防、航天和航空等行業中得到了廣泛應用，因此，流體傳動技術是機械類專業學生必修的專業知識。隨著新工科建設的不斷深入，傳統的液壓氣動技術課程缺乏工程性的教學，已不適應新時代的人才需求。針對實際教學存在的問題，以新工科創新理念為背景，構建液壓氣動技術課程的知識組成及目標導向，提出以工程項目為任務驅動的教學方法，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。

一? 課程的現狀及問題

目前，流體傳動教學通常是先理論再實驗，以理論為主，以實驗為輔。此類教學模式簡單可行，能滿足初步的教學需求，也存在以下不足。

首先，此類教學模式以教師為主體，本質上背離了新工科與目標導向教育所倡導的“以學生為中心”的教學理念，學生缺乏自主學習的積極性。

其次，液壓與氣壓傳動的流體力學理論主要講授流體平衡和運動規律，是分析元件與系統的基礎流體理論和計算方法支撐，有一定的理論強難度，學生理解起來比較難。

再次，由于液壓與氣壓傳動的特殊性，元件和回路大多是在密封的條件下工作，盡管有元件及系統動畫的支持，但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。

最后，由于實驗設備的數目不足，學生實際操作機會少，實踐能力比較薄弱，缺乏工程實踐能力的培訓。

二? 課程的知識組成及能力導向

傳統教學采用課程知識→教學目標→專業需求的正向設計原則，難以快速適應專業的需求變化。而目標導向教育遵循的是逆向設計原則，即從專業需求開始，由需求決定教學目標，再由教學目標決定課程知識，液壓與氣壓傳動在機械工程中主要起驅動作用，因此機械類專業需要液壓氣動技術課程提供傳動的基本流體力學基礎，傳動動力、執行、控制和輔助元件的作用、結構及特性，傳動壓力、流量和方向基本回路的作用及特性，傳動系統分析和設計的一般步驟。

基于上述專業需求，按照新工科理念，液壓氣壓傳動課程的學生知識組成及能力導向如下。

熟悉流體靜力學和動力學、管路流動及其阻力特性、孔口和縫隙流動及其壓力損失、液壓沖擊和氣穴情況等知識。培養學生運用流體力學知識分析和解決工程問題的能力。

掌握流體動力、執行、控制和輔助元件的工作原理、典型結構、工作特性、參數計算和適用場合等知識。培養學生流體元件的選型、計算和分析的能力。

掌握流體壓力、方向、速度和多執行基本回路的工作原理、工作特性、參數計算和適用場合等知識。培養學生基本回路的選型、計算和分析的能力。

掌握流體傳動系統設計計算和實驗等知識。培養學生運用數學、物理、力學等知識對流體傳動系統進行原理分析、設計計算、系統調試和實驗分析的能力。

三? 課程的項目制教學設計

基于課程的知識構建及能力導向，將課程分為4個知識模塊，分別為流體力學基礎、元件原理及組成、回路原理及組成、系統設計及實驗知識模塊。各個知識模塊根據具體的課程內容，將傳統的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或實驗臺為支撐，構建了一個完整的液壓與氣壓傳動課程知識模塊教學架構，如圖1所示，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。

流體力學基礎知識模塊，提供了流體傳動的基礎理論支撐，設置4大類項目：流體靜力學和動力學類項目，其內容包含液壓油液的性質、流體靜力學、流量連續性方程、伯努利方程的應用、動量方程的應用;管道流動及孔口流動類項目，其內容包括管道的流態與雷諾數、圓管流動的沿程壓力損失計算、管道流動的局部壓力損失計算、薄壁小孔、滑閥閥口、錐閥閥口、短孔和細長孔的流量計算;縫隙流動和液壓沖擊類項目，其內容包括平板、圓柱環形、圓錐環形縫隙、液壓卡緊分析、液壓沖擊和氣穴現象;氣體動力學類項目，其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、氣體管道中的流動分析。此部分知識以流體力學基礎知識為研究對象，引入有限元流體仿真軟件[5]，如圖2所示，直觀講解液壓與氣壓流體力學基礎知識，學生也可以進行自行建模，從而激發學生學習興趣。

元件原理及組成知識模塊，提供了流體傳動的元件的原理、構造和基礎設計的理論計算支撐。設置4大類項目：動力元件類項目，其內容包含液壓泵的基本工作原理、主要性能參數、通用性能曲線和選用原則，柱塞泵、葉片泵、齒輪泵、螺桿泵以及氣源部分的基本組成和計算;執行元件類項目，其內容包含馬達的原理、基本組成、參數計算和選用原則，柱塞馬達、葉片馬達、液壓缸和氣缸的原理、基本組成、參數計算和選用原則;控制元件類項目，其內容包含方向控制閥、壓力控制閥、流量控制閥，電液伺服閥和比例控制閥，氣動檢測元件、氣動邏輯元件和輔助元件的原理、基本組成、參數計算和選用原則;輔助元件類項目，其內容包含蓄能器、過濾器、郵箱、熱交換器和壓力表、管路及接頭、密封裝置、消聲器和氣液轉換器的原理、基本組成、參數計算和選用原則。此部分知識以元件為研究對象，應用三維建模軟件[6]，如圖3所示，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，學生直觀地理解了結構原理。

回路原理及組成知識模塊，提供了流體傳動的回路的原理、構造和基礎設計的理論計算支撐。設置4大類項目：壓力回路類項目，利用壓力控制閥來控制整個液壓與氣壓傳動系統或局部回路得壓力，其內容包含調壓、卸荷、減壓、增壓、保壓、泄壓和平衡回路的組成與分析;速度回路類項目，利用流量控制閥或變量泵來控制整個液壓與氣壓傳動系統或局部回路的流量，從而進行速度調節，其內容包含進口節流調速、出口節流調速、變量泵定量馬達調速、變量泵變量馬達調速卸荷、液壓缸差速快速回路、雙泵供油快速回路、充液快速回路、蓄能器快速供油回路和快慢速度換接回路的組成與分析;方向回路類項目，利用方向控制閥或雙向泵來控制整個液壓與氣壓傳動系統或局部回路的流量走向，從而進行方向調節，其內容包含換向閥換向回路、雙向定/變量泵換向回路、鎖緊回路、制動回路的組成與分析;多執行元件類項目，多個執行元件進行工作，因回路中壓力、流量的相互影響而在動作上受到牽制，通過壓力，流量、形成進行復合控制，其內容包含壓力順序動作回路、行程控制順序動作回路、流量控制閥同步回路、串聯液壓缸同步回路、同步缸/馬達同步回路，比例/伺服閥同步回路、互不干擾回路和多路換向閥回路的組成與分析。此部分知識以回路為研究對象，應用AMEsim仿真軟件[7]，如圖4所示，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。

系統設計及實驗知識模塊，提供了流體傳動的元件和系統設計和實驗的實踐支撐。設置4大類項目：流體系統設計類項目，其內容以系統使用要求及速度負載分析為基礎，首先進行系統方案設計，然后進行系統的具體參數計算、缸的結構設計、元件集成設計、油箱、氣路及泵站結構設計，最后進行常用元件的選型;各類液阻特性類實驗項目，其內容以閥口的流量公式為基礎，在油液流動狀態不變的情況下，分別測定細長孔、薄壁孔、短孔油液壓力降及相應的流量，形成流量-壓力特性曲線，從而測定具體液阻;節流調速類實驗項目，其內容以速度負載特性公式為基礎，分別測定進口、出口和旁路節流調速回路的負載和速度，形成負載-速度特性曲線，從而測定具體節流調速速度剛度;氣動元件系統類實驗項目，其內容主要包括氣動發生及凈化裝置、氣動三大件、氣動控制閥、以及氣缸和氣馬達、氣動附件認知組成、氣動基本回路連接，氣動與液壓系統的對比。此部分知識以系統設計及實驗為研究對象，應用實驗臺[8]，如圖5所示，學生對理論知識和設計的系統進行實驗搭建，驗證設計的操作性，提高動手能力。

四? 考核及評價方法的實踐

基于新工科的液壓氣動技術課程知識構建及能力導向，結合課程項目制教學方法的改革，課程的考核方式由傳統的“平時成績+實驗成績+考試成績”修改為“項目成績+實驗成績+考試成績”，將“平時成績”替換為“項目成績”，以項目全程考核學生平時表現。項目實行學生項目組和指導教師組“雙向”的評價方法，如圖6所示，學生項目組引入競爭機制，從組內學生項目的完成度、效果性和合作度進行組內評價，有效避免組內個人“打醬油”現象，充分發揮組內學生的主觀能動性;指導教師組引入過程評價，從學生項目的開題、中期和結束進行教師多次過程評價，在不同階段全過程指導學生，及時探究項目各種過程問題，從而發現學生長處和不足，全過程提高學生的能力。

以機械、車輛工程專業學生為依托，實施新工科背景下能力導向的液壓氣動技術課程項目制教學設計與實踐，課程最終成績總體提高了7.6%，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液壓氣動知識和相應的工程軟件，取得國家級獎勵數量增加了50%，說明學生液壓氣動知識及工程軟件的理解及應用得到了普遍加強。

五? 結束語

針對國家高等工程教育的培養需求，按照新工科和目標導向教育理念，構建了液壓氣動技術課程的知識組成及能力導向，提出了以項目制為基礎的知識模塊教學架構，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，使學生自主融入教學全過程，實現了“學”與“做”的有效結合，改進了考核方式，實行了學生項目組和指導教師組“雙向”的評價方法。實施結果表明，學生分析和解決實際工程問題能力得到了較好提升。

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基金項目：國家自然科學基金青年基金“噴霧熱解過程中微納多孔結構氧化鈰顆粒形成機理及模擬研究”（51904069）;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）;東北大學秦皇島分校一流本科專業建設項目“機械工程”（2021YLZY-04）;東北大學秦皇島分校課程思政示范項目“液壓氣動技術”（2022KCSZ-B21）

第一作者簡介：王海芳（1976-），男，漢族，山西高平人，博士，副教授，系主任，碩士研究生導師。研究方向為流體伺服控制及其元件可靠性、機器人技術。