液壓與氣壓傳動一流課程建設(shè)探索與實踐

施杰 楊琳琳 唐秀英 孫波 張鴻富

*項目來源：云南省一流本科專業(yè)建設(shè)項目“云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)”；云南農(nóng)業(yè)大學(xué)一流本科課程建設(shè)項目“液壓與氣壓傳動”“可編程控制器原理及應(yīng)用”（基金編號：2020YLKC019、2021YLKC045）。

作者簡介：施杰、楊琳琳、唐秀英，副教授；孫波，正高級工程師；張鴻富，講師。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.10.055

摘? 要? 建設(shè)一流課程是建設(shè)一流專業(yè)、一流學(xué)科乃至一流大學(xué)的核心工作。在“雙一流”建設(shè)背景下，針對液壓與氣壓傳動課程建設(shè)與教學(xué)方面存在的問題，從課程教學(xué)理念、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程教學(xué)設(shè)計、課程管理與評價等方面入手，探索和實踐向混合式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變、引入虛擬仿真軟件、引入數(shù)字化建模與3D打印技術(shù)、加強與相關(guān)課程的交叉融合、改進課程教學(xué)評價機制等一流課程建設(shè)措施。實踐表明，上述措施能有效改善課程教學(xué)效果，對于其他一流課程建設(shè)具有一定的參考和借鑒價值。

關(guān)鍵詞? 一流課程；液壓與氣壓傳動；混合式教學(xué)；虛擬仿真；OBE理念；數(shù)字化建模；3D打印技術(shù)

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）10-0055-04

0? 引言

目前，我國高等教育已從大眾化進入普及化階段[1]，同時高等教育也步入改革的深水區(qū)。為了建設(shè)教育強國，提升高校的國際競爭力，教育部等多部門于2018年8月發(fā)布《關(guān)于高等學(xué)校加快“雙一流”建設(shè)的指導(dǎo)意見》，明確提出“雙一流”建設(shè)的基礎(chǔ)性任務(wù)是一流本科教育和一流師資隊伍，致力培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才，提升科研水平，推進成果轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)高等教育治理能力現(xiàn)代化，并與國際接軌[2]。2019年10月，發(fā)布《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》，進一步強調(diào)課程是專業(yè)構(gòu)成的基本單元，課程在人才培養(yǎng)中處于核心地位，課程質(zhì)量直接決定了人才培養(yǎng)質(zhì)量[3]。因此，要實現(xiàn)教育強國，建設(shè)一流專業(yè)、一流學(xué)科，加強一流課程建設(shè)是基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

液壓與氣壓傳動是機械類專業(yè)的一門核心課程，該課程具有較強的綜合性、應(yīng)用性和實踐性。課程內(nèi)容涵蓋液壓與氣壓傳動基本原理、液氣壓元件工作原理與基本結(jié)構(gòu)、液氣壓回路的組成與工作原理、典型液氣壓系統(tǒng)工作原理、液氣壓系統(tǒng)分析與設(shè)計方法等內(nèi)容。通過課程學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能在理解有關(guān)液壓、氣壓元件結(jié)構(gòu)和工作原理基礎(chǔ)上，掌握液壓、氣壓系統(tǒng)回路的工作特性和應(yīng)用場合，培養(yǎng)學(xué)生必要的分析和設(shè)計能力，具備解決復(fù)雜工程問題的能力。

本文在“雙一流”與“新工科”建設(shè)背景下，針對液壓與氣壓傳動在課程建設(shè)、教學(xué)等方面存在的問題，通過對課程教學(xué)理念、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程教學(xué)設(shè)計、課程管理與評價等方面進行改革，提出了一些一流課程建設(shè)措施，并對此進行實踐探索。

1? 課程概況與存在的問題

學(xué)校的液壓與氣壓傳動課程自1998年創(chuàng)辦機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)起開設(shè)，歷經(jīng)20多年的發(fā)展，教學(xué)團隊對課程開展持續(xù)建設(shè)與改革。2000年，“不斷改進液壓傳動課程教學(xué)方法提高教學(xué)質(zhì)量”獲校級教學(xué)成果二等獎；2002年，該課程被列為校級一類建設(shè)課程；2005年，“液壓傳動課程教學(xué)建設(shè)創(chuàng)新研究與實踐”獲校級教學(xué)成果三等獎；2012、2013年，“液壓傳動課件”獲校級一等獎和省級三等獎；2015年，“液壓傳動微課程”獲校級二等獎；2017年，包含該課程建設(shè)的“農(nóng)業(yè)院校機械類專業(yè)學(xué)生信息技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)研究與實踐”獲校級教學(xué)成果三等獎；2020年，該課程被遴選為校級一流本科課程；2021年，包括該課程建設(shè)的“地方農(nóng)業(yè)院校機械類專業(yè)智能制造人才培養(yǎng)探索與實踐”獲校級教學(xué)成果一等獎；2021年，該課程被省教育廳推薦申報第二批國家級和省級一流本科課程。

雖然液壓與氣壓傳動課程通過持續(xù)建設(shè)取得一些成績，但還存在不少問題。例如：課時少而內(nèi)容多，教師為了完成教學(xué)內(nèi)容，還是采用填鴨式教學(xué)，師生之間互動少，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性不高；由于實驗條件不足，課程實踐環(huán)節(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量和參與度都不高；教學(xué)中重理論輕實踐，學(xué)生難以學(xué)以致用，更難以達到解決復(fù)雜工程問題的目標(biāo)；教師大多沒有企業(yè)工作經(jīng)歷，缺乏足夠的實際工程經(jīng)驗。

以上問題都是在進行一流課程建設(shè)過程中需要著力解決的重點和難點。

2? 一流課程建設(shè)探索與實踐

根據(jù)教育部《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》對一流課程的遴選標(biāo)準(zhǔn)及一流課程應(yīng)具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的“兩性一度”特點[4]，在液壓與氣壓傳動一流課程建設(shè)過程中，教學(xué)團隊從轉(zhuǎn)變教學(xué)模式、引入虛擬仿真軟件、引入數(shù)字化建模與3D打印技術(shù)、加強與相關(guān)課程的交叉融合、持續(xù)改進課程教學(xué)評價機制等幾個方面開展探索與實踐。

2.1? 由傳統(tǒng)教學(xué)模式向混合式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)以教師講授為主的教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化教育教學(xué)的要求。而“以學(xué)生為中心”的混合式教學(xué)模式[5]能夠充分發(fā)揮傳統(tǒng)課堂和線上教學(xué)兩者優(yōu)勢，取得較好的教學(xué)效果。液壓與氣壓傳動課程的混合式教學(xué)包括線上自主學(xué)習(xí)和線下理論教學(xué)兩個部分，分為課前、課中和課后三個教學(xué)環(huán)節(jié)。首先，開展混合式教學(xué)的關(guān)鍵是要建設(shè)高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，因此，教學(xué)團隊?wèi)?yīng)用智慧樹平臺搭建液壓與氣壓傳動網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。在該網(wǎng)絡(luò)平臺上建設(shè)多媒體課件、微課視頻、課程思政案例庫、液壓與氣壓工作原理動畫庫、習(xí)題庫等模塊，提供給學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)。其次，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段進行改革，將知識點碎片化，增加實際工程案例，并把課程思政案例與教學(xué)內(nèi)容進行有機融合。通過在課前發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容和問題討論，收集學(xué)生學(xué)情與反饋；課中講解重點和難點；課后發(fā)布課程作業(yè)和討論，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，查漏補缺。最后，利用雨課堂、QQ群等工具完善師生間的互動溝通。將混合式教學(xué)引入液壓與氣壓傳動課程后，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，師生能利用手機、智慧樹、雨課堂等信息工具將線上與線下、自主學(xué)習(xí)與理論教學(xué)有機結(jié)合。有效調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性，發(fā)揮教師在教學(xué)過程中的引導(dǎo)、啟發(fā)和監(jiān)控

作用。

2.2? 將虛擬仿真軟件引入理論和實踐教學(xué)

液壓與氣壓傳動課程中的各類系統(tǒng)回路工作過程抽象難以理解、實踐性強。同時，液壓與氣壓傳動實驗室建設(shè)存在設(shè)備投入大、占用空間大和使用頻率低等問題，從而導(dǎo)致實驗室建設(shè)水平不高，難以滿足理論和實踐教學(xué)的要求[6]。針對這些問題，教學(xué)團隊在教學(xué)過程中引入了Festo公司的FluidSIM仿真軟件，該軟件由用于仿真液壓傳動的FluidSIM-H和仿真氣壓傳動的FluidSIM-P組成，圖庫中包含豐富的液壓、氣壓和電氣元件，可進行液壓傳動、氣壓傳動、電氣控制等回路的設(shè)計、測試和仿真。FluidSIM虛擬仿真將抽象的液氣壓回路工作原理直觀顯示為實際的運動形式，更易于學(xué)生加快對教學(xué)內(nèi)容的理解。

節(jié)流調(diào)速回路由定量泵、溢流閥、節(jié)流閥和執(zhí)行元件（液壓缸或液壓馬達）組成，按照節(jié)流閥在油路中不同的安裝位置，構(gòu)成三種不同的回路形式：進口節(jié)流調(diào)速回路、出口節(jié)流調(diào)速回路和旁路節(jié)流調(diào)速回路。在教學(xué)中需要分別介紹回路的機械特性、功率特性和調(diào)速特性，存在理論枯燥難以理解的問題。可以通過對節(jié)流調(diào)速回路進行FluidSIM建模仿真的方式，在溢流閥和節(jié)流閥的出口處各接一個流量計，用以觀測二者輸出的流量；將節(jié)流閥改為單向節(jié)流閥，使執(zhí)行元件回油從單向閥通過；并在執(zhí)行元件上增設(shè)一個行程開關(guān)，行程到位后執(zhí)行元件自動返回。在回路的仿真過程中，可以實時顯示和控制回路的工作狀態(tài)，觀測到液壓缸的位移、運動速度、輸出力、節(jié)流閥開度、油口壓力等狀態(tài)量的變化情況。將虛擬仿真軟件FluidSIM應(yīng)用于教學(xué)，使得抽象、難以理解的液壓與氣壓傳動理論知識能夠具體化、直觀化地讓學(xué)生接受，降低課程的教學(xué)難度；也有利于學(xué)生了解液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計過程，觀察系統(tǒng)工作過程中的狀態(tài)變化，達到自主驗證和設(shè)計液氣壓系統(tǒng)的目的。

2.3? 將數(shù)字化建模與3D打印技術(shù)引入實踐教學(xué)

3D打印是快速成型技術(shù)之一，也是一種增材制造技術(shù)[7]，是在數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，將可粘合材料進行逐層打印，最終堆疊出物理實體。由于液氣壓元件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作原理難以理解，在授課過程中讓學(xué)生對元件結(jié)構(gòu)進行3D建模和3D打印，能使學(xué)生更形象地了解液氣壓元件。3D打印的基礎(chǔ)是建立液氣壓元件數(shù)字化模型，因此，在實踐教學(xué)中需組織學(xué)生通過SolidWorks等建模工具對液氣壓元件進行測繪、三維建模、虛擬裝配和干涉分析，再對數(shù)字化模型進行打印。以齒輪泵的3D打印實踐教學(xué)內(nèi)容為例，首先讓學(xué)生在實驗室中對齒輪泵進行拆裝和測繪，深入理解其結(jié)構(gòu)和工作原理；其次采用SolidWorks建立齒輪泵的三維數(shù)字化模型，并進行模型的虛擬裝配與公差配合的檢查；最后將三維模型轉(zhuǎn)化為3D打印機可以識別的文件格式，導(dǎo)入打印軟件進行切片處理和打印。

同時，液氣壓傳動技術(shù)的發(fā)展也與先進制造技術(shù)密不可分。通常液氣壓元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，特別是新型元件的流道、閥芯和閥體的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，傳統(tǒng)制造方法已很難滿足液氣壓元件的制造要求，而作為先進制造技術(shù)的3D打印為液氣壓元件的加工制造提供了很好的解決方案。所以將數(shù)字化建模和3D打印技術(shù)引入本課程，不但能滿足實踐教學(xué)的要求，還能擴展學(xué)生的綜合技能，為今后工作打下良好基礎(chǔ)。

2.4? 加強與相關(guān)課程的交叉融合

液壓傳動技術(shù)與自動控制技術(shù)密不可分[8-9]，液壓傳動是實現(xiàn)機械運動和動力傳遞的手段，而控制技術(shù)是通過控制壓力、流量、方向和速度來控制工作機構(gòu)的運動達到所需的動作要求，只有兩者配合使用才能實現(xiàn)對機械裝備的控制要求。同時，在液壓傳動和控制系統(tǒng)中也涉及大量的油路和控制元件，需要相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行元件以及傳感器信號處理器來實現(xiàn)精確地控制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)安全、高效和可靠的運行。因此，將液壓與氣壓傳動、控制工程原理、可編程控制器原理及應(yīng)用、傳感與檢測技術(shù)等課程進行交叉融合，才能讓學(xué)生學(xué)以致用，凸顯課程的應(yīng)用性與趣味性。

教學(xué)團隊在液壓與氣壓傳動課程教學(xué)設(shè)計中，就充分考慮了與可編程邏輯控制器（Pro-grammable Logic Controller，PLC）原理及應(yīng)用課程的融合，將液氣壓傳動系統(tǒng)的控制過程通過PLC來實現(xiàn)。PLC接收傳感器檢測到的液氣壓系統(tǒng)的流量、壓力等參數(shù)，再通過對PLC的編程實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)液氣壓系統(tǒng)的自動化控制。從制定教案、設(shè)計實驗、組織學(xué)生參加液壓傳動和PLC技術(shù)競賽等教學(xué)環(huán)節(jié)，將這兩個領(lǐng)域的課程融合，既能夠提高學(xué)生的機械、液氣壓傳動理論水平，又能夠培養(yǎng)學(xué)生編程、自動化控制的能力。

2.5? 持續(xù)改進課程教學(xué)評價機制

基于專業(yè)認證的教學(xué)評價過程必須遵循持續(xù)改進這一核心理念[10]。因為，傳統(tǒng)教學(xué)評價注重評價的評定性與選拔性功能，沒有診斷性與改進性功能，是一種終結(jié)性評價。而基于專業(yè)認證的教學(xué)評價過程具有動態(tài)性和整體性，它的評估過程系統(tǒng)地貫穿課程教學(xué)、學(xué)習(xí)整個生命周期，是一種形成性評價。這種形成性評價既可以總結(jié)上一階段學(xué)習(xí)效果并發(fā)現(xiàn)問題，又能對下一階段教學(xué)進行改進。

OBE（Outcomes-based Education）是專業(yè)認證中的另一核心理念，它以培養(yǎng)學(xué)生核心能力為中心來構(gòu)建培訓(xùn)體系，對人才培養(yǎng)模式進行重大變革。在高校專業(yè)教學(xué)模式中引入OBE理念，能對人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高起到積極作用[11]。教學(xué)團隊按照持續(xù)改進與OBE理念的要求，將課程目標(biāo)與學(xué)生畢業(yè)要求達成作為考核內(nèi)容和考核方式設(shè)計的依據(jù)，采用過程評價與期末考核相結(jié)合的方式，綜合評定課程學(xué)習(xí)成績。課程總評成績由平時成績（課外自主學(xué)習(xí)、章節(jié)練習(xí)和實驗操作）、3D建模與3D打印訓(xùn)練、FluidSIM仿真和期末考試（理論知識測試、案例分析等）組成，以綜合評價學(xué)生分析問題和解決問題的能力。同時，加強探究式、項目式、論文式、報告答辯式作業(yè)評價方式，建立形成性動態(tài)評價過程，通過綜合性和非標(biāo)準(zhǔn)化評價來保障人才培養(yǎng)質(zhì)量。

3? 結(jié)束語

打造“金課”、建設(shè)一流課程是一流專業(yè)建設(shè)的基礎(chǔ)，更是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效手段。本文針對液壓與氣壓傳動課程在教學(xué)、人才培養(yǎng)、一流課程建設(shè)方面存在的問題，從課程教學(xué)理念、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程教學(xué)設(shè)計、課程管理與評價等方面入手，研究由傳統(tǒng)教學(xué)模式向混合式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變、將虛擬仿真軟件引入理論和實踐教學(xué)、將數(shù)字化建模與3D打印技術(shù)引入實踐教學(xué)、持續(xù)改進課程教學(xué)評價機制等一流課程建設(shè)途徑，并且對上述措施進行實踐。

實踐表明，上述措施能有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，課程教學(xué)效果得到改善。同時，這一研究成果對于機械類專業(yè)其他一流課程建設(shè)有一定的參考和借鑒價值。教學(xué)團隊也認識到在今后工作中還需進一步確定清晰、準(zhǔn)確的課程建設(shè)目標(biāo)，將各類軟硬件資源進行整合，通過優(yōu)化課程內(nèi)容、強化綜合實踐訓(xùn)練等措施，方能培養(yǎng)出知識、能力、素養(yǎng)等方面協(xié)同發(fā)展，具有較強工程實踐能力和創(chuàng)新能力的復(fù)合型工程技術(shù)人才。

4? 參考文獻

[1] 譚燕.我國高校一流本科課程建設(shè)研究：以S大學(xué)為例

[D].上海：上海師范大學(xué)，2022.

[2] 教育部 財政部 國家發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于高等學(xué)校加

快“雙一流”建設(shè)的指導(dǎo)意見》的通知[A/OL].（2018-12-

31）[2023-06-23].https：//www.gov.cn/zhengce/

zhengceku/2018-12/31/content_5443460.htm.

[3] 教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見[A/OL].

（2019-10-31）[2023-10-12].http：//www.moe.gov.cn/

srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html？

eqid=990399be00006763000000036497ff2d.

[4] 宋專茂，劉榮華.課程教學(xué)“兩性一度”的操作性分析

[J].教育理論與實踐，2021，41（12）：48-51.

[5] 車劍飛.跨越“混合”：融合式教學(xué)創(chuàng)新的四重維度[J].

南京理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2023，36（1）：73-79.

[6] 施杰，張毅杰，楊琳琳，等.農(nóng)科院校機械類專業(yè)智能

制造人才培養(yǎng)模式改革：基于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機械設(shè)計制

造及其自動化專業(yè)的實踐探索[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報

（社會科學(xué)），2022，16（1）：150-155.

[7] 李軒，莫紅，李雙雙，等.3D打印技術(shù)過程控制問題研

究進展[J].自動化學(xué)報，2016，42（7）：983-1003.

[8] 陳祖星，馮俊杰，張葉貴，等.關(guān)于電液控制技術(shù)科研

反哺與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)研究[J].電子世界，2021（3）：67-

68，71.

[9] 王俊飛，唐克巖，朱里紅，等.“以學(xué)生為中心”的液壓

傳動與控制教學(xué)模式研究與實踐[J].液壓氣動與密

封，2019，39（6）：46-50.

[10] 孟祥紅，齊恬雨，張丹.從課程支撐到能力整合：工程

教育專業(yè)認證“畢業(yè)要求”指標(biāo)研究[J].高等工程教

育研究，2021（5）：64-70.

[11] 黃沖，劉福國，謝佩軍，等.基于OBE理念的《液壓傳

動與氣動》課程設(shè)計[J].液壓氣動與密封，2022，42（8）：

5-8.