OBE理念下液壓系統建模與分析課程思政案例探索

王海芳　李亮　張榮闖

摘? 要：新時代高等工程教育以立德樹人為根本任務，課程思政是其核心舉措，針對液壓系統建模與分析課程思政存在的問題，構建顯性專業知識-隱性思政知識雙閉環教學模式，分析基于OBE理念的液壓系統建模與分析課程的知識組成及目標導向，構建愛國主義、核心意識、導向教育、初心教育和創新教育五個方面的教學案例，實踐表明，實現專業知識與課程思政的有效結合，從而促進學生思想、知識和能力的協調發展。

關鍵詞：課程思政；目標導向教育；液壓系統；建模與分析；教學案例

中圖分類號：G641? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）18-0179-05

Abstract： Fostering virtue through education is fundamental task in the new higher engineering education era， and curriculum ideology and politics is its core measure. In view of the current problems of ideological and political curriculum of Hydraulic System Modelling and Analysis， a double-closed loop teaching model of explicit professional knowledge and implicit ideological and political knowledge is constructed. The knowledge composition and goal orientation of Hydraulic System Modelling and Analysis based on OBE concept is analyzed， and the teaching case design in five aspects of patriotism， core consciousness， guidance education， initial intention education and innovative education are constructed. The practice shows the combination of professional knowledge and curriculum ideological and political education is realized， thereby， the students' thoughts， knowledge， abilities， and qualities is promoted.

Keywords： course ideological and political education; outcomes based education; hydraulic system; modeling and analysis; teaching cases

習近平總書記在不同場合多次強調，落實立德樹人的根本任務，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人[1-2]?！陡叩葘W校課程思政建設指導綱要》具體指出，要根據學科、專業和課程的特色和優勢，深度挖掘提煉專業知識體系中所蘊含的精神內涵和思想價值，培養全面發展的社會主義建設者和接班人[3]。

新時代高等工程教育核心以立德樹人為引領[4]，以工程嚴謹性、批判性思維與非標準化解決問題，培養跨學科、全球化、創新性的復合型工程人才。國際工程教育認證之《華盛頓協議》以目標導向教育（Outcomes Based Education，OBE）為理念，OBE理念重點強調學習和解決問題能力培養和訓練，OBE理念教學下以“學生中心”，持續改進是學生學習成果的保障機制，最終實現全體學生的發展和成長，OBE理念的培養目標與新時代高等工程教育核心含義不謀而合。

課程思政是新時代高等工程教育的必然結果，課程思政以“立德樹人”為根本任務，以學生為中心理念，是思政課程在專業課程中的延伸和提高，突破了思政課程的教育局限性，發揮著獨特的隱性思政教育效力。液壓系統建模與分析課程是從控制方法論的角度，研究液壓傳動與控制的組成、分析與設計的課程，讓學生能夠運用控制理論的基本原理和方法去分析液壓傳動與控制的動態性能。目前，國內部分相關的課程思政建設成果很有特色。

路珍等[5]提出以建設科技強國為教學目標的液壓與氣壓傳動課程思政“全鏈條”教學新模式，運用顯性與隱性教育法相結合，融合真善美、知情意、點線面、賽創研的教學理念，達到育人和育才相結合的教育效果。張二亮等[6]圍繞歷史傳承、科學精神、唯物思想和工匠精神等方面，建立了液壓與氣壓傳動專業知識與思政的映射關系，形成了思政設計-教學實踐-反饋評價的綜合教學體系，實現了專業教育和德育教育的有機融合。郁元正等[7]通過講解液壓與氣壓傳動中動力元件、控制元件、執行元件和輔助元件等知識點背后的育人故事，引導學生認識知識與問題背后所蘊含的價值判斷和哲學思維，形成了課程思政教學資源建設新路徑。

毛海杰等[8]從自動控制原理課程特點與定位、基于課程思政內涵進行了思政元素提煉，以課程中“負反饋控制原理”為例進行了實施路徑探索與實踐研究。孟范偉等[9]用“智慧樹”整合自動控制原理中的專業知識和思政元素，以“故事為主線”講解枯燥的控制理論，用創新創業和實驗體系錘煉學生實踐能力，構建了全方位、多維度、全程育人的“德融課程、鹽溶于湯”課程思政建設路徑。張新榮[10]在工程教育認證理念指導下，從教學目標設計、教學內容整合、教學形式多樣化等幾個方面將思政元素映射融入進自動控制原理課程教學中，培養愛國情懷，提升學生工程素養和社會責任感。

以上成果對液壓系統建模與分析課程的思政案例設計與實踐起到了很好的示范作用，論文針對液壓系統建模與分析課程教學存在的問題，構建顯性專業知識-隱性思政知識雙閉環教學模式，以OBE理念構建液壓系統建模與分析課程的知識組成及能力導向，以案例為任務驅動，實現了專業知識與思政元素的有效結合，從而促進學生的思想、知識、能力、素質協調發展。

一? 課程思政的問題及雙閉環教育模式

液壓系統建模與分析課程思政目前存在如下問題。首先，液壓系統建模與分析課程集液壓與氣壓傳動和自動控制原理的相關內容，課程不僅有較高的液壓實踐要求，而且有較大的控制理論強度，學生對液壓和控制系統理論的結合脈絡不清，面對實際系統，無法做到用所學知識去分析解決；其次，傳統教學模式下教師更多的是理論專業知識的灌輸，教師對專業課程的思政認識不主動和不充分，專業知識和思政知識并行而不交叉，從而造成學生學習過程缺乏自主性，應試目的比較明顯，背離了“以學生為中心”和“立德樹人”的教學理念；最后，在市場經濟和全球化背景多元價值觀念沖擊之下，尤其隨著人工智能、大數據、自媒體等新型智能網絡技術的不斷發展，各種新型非主流媒體不斷涌現，表達出的各種五花八門西方文化思想，對在校學生樹立世界觀、人生觀和價值觀有著相當影響。

針對上述問題，基于液壓系統建模與分析課程內容，巧妙設計課程思政教學案例，思想政治理論恰當地運用到專業課中，從思想政治理論的角度去重新理解和運用專業課知識。構建如圖1所示的顯性專業知識-隱性思政知識雙閉環教學模式，以思政反饋為內閉環，在專業知識中構建課程思政案例，突出專業知識思政內涵，教師通過“思政知識調節器”調整，激發學生對專業知識、思政知識的探索；以專業知識反饋為外閉環，以課程知識組成及目標導向為輸入，教師通過“專業知識調節器”調整，協調學生學習專業知識和思政知識，在確保學生優良的思想品德基礎上，更好地學習專業知識，從而實現顯性專業教育和隱性思政教育相統一，既幫助學生塑造自主學習的良好習慣、掌握課程專業知識，又培養正確的思維方式，樹立正確的判斷、分析和執行事物的能力。

二? 液壓系統建模與分析課程知識組成及目標導向

OBE理念下，課程以學生為中心，強調工程需求導向，由工程需求導向決定培養目標，再由培養目標決定課程知識組成，在教學過程中，以學生學習成果和培養目標達成度進行持續改進評價，從而適應快速變化的工程需求，促成全體學生成功。

液壓傳動與控制系統在機械工程中主要起高精度和高性能的動力控制作用，因此機械類專業需要液壓系統建模與分析課程提供液壓傳動與控制系統的結構組成和工作原理、液壓控制閥、液壓馬達及液壓缸的結構組成、工作原理和特性，機械伺服和電液伺服系統的動、靜態特性分析、計算與仿真方法的內容。

按照OBE理念和上述專業需求，課程的知識組成及目標導向如下。

首先，掌握液壓傳動與控制系統的利用反饋原理構建伺服系統進行自動控制的機制，理解系統輸入、比較、放大、執行、反饋元件和控制對象的定義和原理，熟悉穩定性、快速性和穩定性的性能指標，從而培養學生運用自動控制理論的原理去定義液壓控制系統特性的能力。

其次，掌握液壓圓柱滑閥的結構型式和工作原理、零/正開口四邊滑閥和雙邊滑閥靜/動態特性、受力分析和輸出功率及設計準則，平板滑閥的結構及靜態特性、受力分析，單/雙噴嘴擋板閥的靜/動態特性和擋板液流力及噴嘴閥的設計準則、射流管閥的工作原理和幾何參數及靜態特性，從而培養學生運用各種基礎知識和方法建立不同液壓放大元件數學模型的能力。

再次，掌握三/四通閥控液壓缸流量連續性方程、液壓缸和負載的力平衡方程、不同輸入/輸出方框圖和傳遞函數、時間/頻率響應分析，四通閥控/泵控液壓馬達流量連續性方程、液壓馬達和各類負載的力平衡方程、不同輸入/輸出方框圖和傳遞函數、時間/頻率響應分析，動力元件的負載特性、等效負載計算、動力元件的輸出特性、負載特性與輸出特性的匹配，從而培養學生運用流體、力學等知識建立不同液壓動力元件數學模型的能力。

從次，掌握機液位置伺服系統模型構建及其穩定性分析、液壓缸與負載系統模型構建及其分析結構柔度對系統穩定性的影響、引入動壓反饋裝置進行系統校正、帶反饋螺母的液壓轉矩放大器模型構建及其穩定性分析，機械伺服系統綜合設計及校正，從而培養學生運用機液伺服系統進行位置控制的能力。

最后，掌握力矩馬達的組成，單級滑閥式和直接反饋兩極、力反饋電液伺服閥的組成結構和工作原理及其靜/動態特性，電液位置、力和速度伺服系統模型構建、穩定性及其誤差分析，各類電液伺服系統綜合設計及校正，液壓能源與負載的匹配，從而培養學生運用電液伺服系統進行位置、力和速度控制的能力。

三? 液壓系統建模與分析課程思政教學案例設計

按照上述的液壓系統建模與分析課程的知識組成及目標導向，主要從以下五個方面挖掘和設計課程思政教學案例。

首先，突出液壓傳動與控制理論發展過程中的愛國主義教育，在液壓傳動與控制系統理論與實踐發展過程中，我國古代人民在控制實踐中有著重要的奉獻，現代科學家在理論與技術發展上也作出了突出貢獻。具體案例如下：

以上古時期大禹治水為例，講解大禹從鯀治水經驗中反饋，改變了“堵”的模式，對洪水進行“疏”，從控制的角度，治水的過程中由“疏”變“堵”發揮了控制反饋思想，是一個典型的反饋控制過程。

以秦國蜀都太守李冰父子主持修建的都江堰水利工程為例，講解都江堰工程魚嘴分水堰主要起水分流作用，飛沙堰主要起排沙作用，寶水瓶主要起穩定調節水量作用，從控制的角度，都江堰工程是一個典型的閉環控制系統。

以我國科學家錢學森創立的工程控制論為例，講解他研究在工程中實現自動控制與調節的理論以及自動控制與調節系統的結構原理，把各種工程控制系統的技術提煉為一般性的理論，為控制論在工程技術中的應用開辟了新的前景。

以我國科學家路甬祥提出地電液先導比例控制新技術為例，講解他根據反饋創新性地提出了“流量檢測力反饋”和“壓力直接檢測和反饋”，構建了電液比例控制技術的新體系，應用于閥控與泵控液壓系統和馬達，拓展了控制在液壓中的應用。

以上案例從不同時代強化了我國在液壓傳動與控制裝置及理論發展過程中的貢獻，從而給予學生正確的思想引導，激發學生民族自豪感，從而引導學生增強國家認同，凸顯愛國主義教育。

其次，突出液壓傳動與控制系統中的控制核心教育，控制閥是液壓傳動與控制系統中的核心，決定了系統的基本動態性能。中國共產黨的核心地位是近代人民通過歷史實踐得出的必然結果。具體案例如下：

以平板型滑閥為例，講解平板型滑閥屬于轉動類型的換向閥，借助平板閥芯與底盤之間的相對轉動改變節流孔的面積以達到對流量或壓力進行控制的原理，突出其為旋轉式直接驅動伺服閥的主控核心地位，決定了力矩電機的效率及結構大小。

以圓柱型滑閥為例，講解圓柱型滑閥屬于平動類型的換向閥，借助圓柱閥芯與閥套之間的相對平動改變節流孔的面積以達到對液體流量或壓力進行控制的原理，突出其作為最常用的單級放大器的核心地位，決定了伺服缸或馬達的動態特性。

以噴嘴擋板閥為例，講解噴嘴擋板閥屬于節流式液壓放大器，借助噴嘴與擋板間的環形面積構成的可變節流口，用于控制可變節流口的負載壓力，隨著輸入擋板的小位移變化，引發噴嘴閥輸出端的大功率變化，在系統中處于核心的放大作用。

以射流管閥為例，講解射流管閥屬于非節流式液壓放大器，恒壓/恒流液體經過射流管噴嘴向接收器噴射，液體動能轉換為壓力能，突出其紊態流動特性，抗污染能力，在小功率伺服系統中是核心的放大前置元件。

以上案例從不同結構角度強化了液壓控制閥在系統中的核心功能描述，突出了液壓閥在系統中的核心作用，進而從歷史的角度，突出核心意識教育，從而引導學生堅決維護習近平總書記黨中央的核心領導地位。

再次，突出液壓傳動與控制系統中動力元件的目標導向引領，動力元件是控制元件和執行元件集合體，決定了系統的方向、速度，形成了系統的目標導向。課程思政要堅持導向教育，突出專業知識和思政知識的目標導向教育。具體案例如下：

以閥控液壓缸/馬達為例，講解根據流量連續性方程和負載力/力矩平衡方程，建立其傳遞函數，構建速度放大系數、液壓固有頻率、液壓相對阻尼系數以及剛度的各類導向指標，從數學角度上定量描述閥控液壓缸/馬達的導向功能。

以泵控液壓馬達為例，講解應用閥控液壓缸/馬達同樣方法，在數學角度上定性定量地描述了泵控馬達的導向功能，區別在于泵控液壓馬達為容積調速而閥控液壓缸/馬達為節流調速，目前泵控馬達的導向性能更容易預測。

以閥-泵聯控液壓缸/馬達為例，講解隨著工程需求的不斷發展，簡單的閥控和泵控動力機構穩定性、快速性和準確性不足以滿足性能要求，因此出現了閥-泵聯控液壓缸/馬達，大大拓展了動力元件的性能極限，突出了工程問題和發展導向。

以動力元件與負載匹配為例，講解動力元件要拖動負載運動，需要計算慣性負載、彈性負載、摩擦負載和重力負載等形成的等效負載，使動力元件的輸出功率能夠包圍負載功率軌跡，從而完成問題導向式的負載最佳動力元件參數設計。

以上案例從不同結構角度強化了液壓動力元件在系統中的導向功能描述，突出了液壓動力元件在系統中的指揮作用，進而從方法論的角度，突出導向教育，從而引導學生堅持問題導向、政治導向、發展導向、實干導向。

從次，突出機液伺服系統的初心教育，由機械反饋裝置和動力元件組成的機液伺服系統，主要進行機械位置和速度控制，是最基礎的伺服系統。我們黨根植于人民，為人民服務，任何時候都要堅持不忘初心。具體案例如下：

以機液位置伺服系統為例，講解系統由基礎四邊滑閥和液壓缸組成，反饋利用杠桿實現，基于力平衡建立系統方框圖和液壓缸活塞輸出位移模型，分析系統穩定性，以流量增益為基礎進行穩定性調節，突出了結構和數學模型的基礎地位。

以系統結構柔度對穩定性的分析為例，講解由固定執行元件和聯接機構等組成的系統柔度，與負載質量和液壓諧振耦合，形成機械-液壓綜合諧振系統，其綜合諧振頻率限制了系統的帶寬，突出了質量和壓力-流量系數的基礎調節穩定性地位。

以動壓反饋裝置為例，講解欠阻尼的液壓伺服系統通過增加旁路泄露或正開口滑閥增加了系統阻尼，但增加了系統泄露，而通過增加有層流液阻和空氣蓄能器組成的動壓反饋裝置，有效增加了系統阻尼比，提高了系統的基礎穩定性。

以液壓轉矩放大器為例，講解由四邊滑閥、液壓馬達、螺桿和螺母反饋機構組成的轉矩放大器，馬達的輸出力矩完全跟隨閥芯輸入轉動角度而轉動，馬達通過反饋機構放大了輸出轉矩，突出了系統的基礎放大驅動功能。

以上案例從結構發展角度強化了機械伺服系統的基礎功能描述，突出了機液伺服系統結構簡單，工作可靠的基礎特點，進而從發展的角度突出初心教育，從而引導學生從歷史發展的角度正確分析黨過去為什么能成功，未來更能成功的初心基礎。

最后，突出電液伺服閥與系統的創新教育，由電子、電氣元件組成的反饋裝置和放大變換元件組成的電液伺服系統，是液壓伺服系統的創新發展。習近平新時代中國特色社會主義思想亦是當代馬克思主義中國化的具體創新發展，具體案例如下：

以電液伺服閥為例，講解其由力矩馬達、液壓放大器、反饋裝置組成，通過創新發展的力矩馬達實現了電信號轉化為力矩，通過反饋裝置驅動液壓放大器實現了流量、壓力控制，電液伺服閥是一個典型的機械、電氣創新發展的新型液壓元件。

以自整角機伺服系統為例，講解電液伺服系統的模型構建，伺服系統的動力機構無非閥控和泵控構型，而采取不同的輸入裝置、反饋裝置和相應的放大元件、校正電子裝置，就會構成各種創新發展的電液伺服機構。

以數控機床工作臺位置伺服系統為例，講解明確設計要求、確定控制方案、繪制原理圖、進行靜態和動態特性分析、校驗系統靜動態特性、確定液壓動力的系統設計流程，同時引入仿真軟件將此流程過程程序化，體現出設計的創新發展。

以液壓能源的選擇為例，講解液壓能源除了壓力、流量、油液清潔度等各方面的基礎要求，同時還要有壓力和流量穩定性的進階要求，更有能源最大功率點應接近負載特性曲線的最大功率點的優化要求，體現了液壓能源不斷創新發展的趨勢。

以上案例從發展角度強化了電液伺服閥與系統的創新描述，突出了電液伺服閥與系統結構緊湊，動態性能更好等創新特點，從發展的角度突出創新教育，從而引導學生認識黨的理論根植于時代發展，持續實現理論和實踐創新。

四? 結束語

液壓系統建模與分析課程思政教學案例已經應用于課程教學實踐中，通過液壓傳動與控制和自動控制原理雙重知識的加持，基于顯性專業知識-隱性思政知識雙閉環教學模式，突出了OBE理念下的課程知識組成及目標導向，從五個方面挖掘和設計了課程思政教學案例，學生普遍反映，不僅收獲了液壓和控制的專業知識，也對黨的思想、國家的發展有了更深入的了解。另外，課程獲得了河北省高等學校教學改革研究與實踐項目、東北大學秦皇島分校課程思政示范項目和東北大學秦皇島分校一流本科課程建設項目資助。實踐表明，OBE理念下液壓系統建模與分析課程思政案例探索比較成功，但課程思政一直在路上，唯有不斷努力，堅持專業和思政同向同行，持續改進，才能為立德樹人更立新功。

參考文獻：

[1] 習近平.把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新局面[N].人民日報，2016-12-9（1）.

[2] 習近平.用新時代中國特色社會主義思想鑄魂育人 貫徹黨的教育方針落實立德樹人根本任務[N].人民日報，2019-03-19（1）.

[3] 教育部關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知[EB/OL].（2020-06-05）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html？eqid=bd988cfd0003ee5500000003642e6a65.

[4] 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[5] 路珍，張青松，葛磊，等.“精準思政”視域下液壓與氣壓傳動課程教學模式探析[J].液壓與氣動，2022，46（4）：181-188.

[6] 張二亮，周洋，劉蘭榮，等.“液壓與氣壓傳動”課程思政設計與實現路徑[J].教育教學論壇，2022（31）：49-52.

[7] 郁元正，張索，王瑞權.課程思政背景下的教學資源建設路徑探索——以“液壓與氣壓傳動”課程為例[J].教育教學論壇，2023（11）：113-116.

[8] 毛海杰，劉微容，李煒，等.“自動控制原理”課程思政研究與實踐[J].電氣電子教學學報，2022，44（5）：67-71.

[9] 孟范偉，石鵬，何朕，等.基于“以思促改，鹽溶于湯”的專業課程思政建設與實踐[J].高教學刊，2023，9（3）：149-153.

[10] 張新榮.工程教育認證背景下自動控制原理課課程思政教學探索與實踐[J].高教學刊，2023，9（14）：189-192.

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）；東北大學秦皇島分校一流本科課程建設項目“液壓氣動技術”（2023YLKC-A04）

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。