“液壓與氣壓傳動”課程改革研究＊

王 徹，張繼東，張振東，王 儒

（安徽信息工程學院機械工程學院，安徽 蕪湖 241100）

“液壓與氣壓傳動”作為機械專業的一門專業核心課程，在學生培養體系中以及學科建設過程中占據了重要的地位[1]，同時，液壓與氣壓傳動技術具有工作平穩、工作反應速度快、調速范圍廣等特點，使得液壓與氣壓傳動技術在自動化生產控制、車輛、船舶、能源開采等諸多大型工程項目領域都有不可替代的應用需求。但在新時期發展中，國家、社會面臨著新的發展機遇和挑戰，人們對于更加高效的經濟發展，更加智能、更有深度的科學技術也提出了新的發展目標。在新的形式下，面對新的問題，對傳統的液壓與氣壓傳動技術也提出了更高的要求，需要液氣壓傳動技術在實際的工作中有著更加精準、高效的傳動控制，需要“液壓與氣壓傳動”與其他的專業課程、其他新的技術有著實質性的深度融合。而目前的“液壓與氣壓傳動”課程的教學授課方式還是“教師理論講述，學生被動學習”方式，所講述的課程知識點相對于時代的發展沒有大的進步，難以滿足社會發展的需求[2]。同時，在2017年，國家教育部根據社會發展需求以及人才培養發展規律，提出了“新工科”的教育教學思路，在新的教學思路指導下，國內各大高校紛紛進行課程教學改革，為中國未來具有創新意識強、工程實踐水平高的新型專業人才的培養添磚加瓦，因此“液壓與氣壓傳動”課程改革迫在眉睫[3]。

由于“液壓與氣壓傳動”既需要有較為深入的理論知識儲備，同時又需要很強的工程實踐的背景，所以對于“液壓與氣壓傳動”的改革還存在著許多的問題，而這些課程問題的處理直接影響到“液壓與氣壓傳動”課程改革乃至整個專業人才培養改革的成效。

1 “液壓與氣壓傳動”課程面臨的問題

1.1 課程內容多而雜，知識點聯系緊密

“液壓與氣壓傳動”課程的知識點雜而多，且晦澀難懂，課程內容前后聯系緊密。液壓元器件的工作原理在實際的課程講述過程中雖然可以通過PPT等進行動態演示，但是相比實際的元器件使用要求，學生掌握程度存在著一定的不足。如在液壓閥的講述過程中，大體上可將液壓閥分成3大類，分別是壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥，但是在每一類閥里面根據實際的液壓系統的工作情況又涉及了多種控制閥，比如在壓力控制閥中包括溢流閥、減壓閥、順序閥等，這些閥的結構和工作原理基本類似，但是用途千差萬別，同時其液壓符號種類繁多，同一類不同的閥的符號表達區別小，在后續的液壓原理圖中學生要能看懂液壓回路，特別是在液壓基本回路的講解過程中基本上就是液壓閥的應用講解，因此學生需要對液壓閥有著較深入的理解，但是由于課程的安排，學生一時之間難以掌握。

同時，學生對于“液壓與氣壓傳動”課程內容知識點的掌握程度與其前期的先修課程的掌握程度有著密切的聯系，這直接關系到學生對知識點的理解情況。如課程中關于液壓流體力學基礎部分的知識與微積分、流體力學、大學物理等工科類基礎課程知識之間，齒輪泵、柱塞泵、液壓缸等元器件的結構分析和工作原理的內容與機械原理、機械設計等課程之間，電磁換向閥的動作分析和機電傳動課程之間都有著緊密的關聯[4-5]。

“液壓與氣壓傳動”課程中所講述的元器件都是液壓系統中比較基礎的元器件，都在實際的生產活動中都有著廣泛的應用。因此，學生對于液壓元器件的工作原理、使用特性，液壓系統中的回路分析、典型液壓與氣壓回路的作用以及液壓與氣壓系統的設計，都需要在一定的工程實踐的背景下進行講解，學生才能理解透徹。如對于多缸同步運動，沒有實際的工程背景，學生很難理解其實際用途，所以也很難真正掌握其工作特性、使用條件與工況。

1.2 課程實踐不足

目前，在傳統的“液壓與氣壓傳動”課程中課程實踐是不足的，學生對“液壓與氣壓傳動”中的元器件的認識和基本回路的認識如調壓、調速回路都是從課程中所安排的幾個實驗來進行的感性認識[6]，并且“液壓與氣壓傳動”課程中的實驗都是基本的、簡單的且實驗學時較短。比如在進行液壓元器件拆裝試驗中，只安排了2個學時，所需要進行拆卸、觀察的液壓元器件包括了泵、閥、液壓缸等元器件，因此大多數學生只能做到為了拆裝而拆裝，對其中的各個零部件結構并未進行詳細的觀察，對其作用不是很理解，實驗報告撰寫也只是表于形式，很難做到試驗反思。如對于柱塞泵的拆裝，學生對于柱塞泵的工作原理、斜盤是如何決定泵的排量依然很難理解。在實際的課程中，一般的課程安排都是理論課在前，實驗課在后，理論和實踐之間很難有較好的聯系。同時液壓元器件的內部結構和零部件的相對運動也比較復雜，在理論學習的過程中學生很難想明白，而實驗課程又滯后于理論課程很長時間，所以對其工作原理學生不易進行深入的理解。并且目前的課程實驗所涉及的“液壓與氣壓傳動”的知識點的覆蓋面有限，通過實驗課對整個“液壓與氣壓傳動”的知識點的掌握存在較大的難度[7]。

1.3 課程創新性不足，偏于理論

“液壓與氣壓傳動”的課程教學還是針對課本上基礎性的知識點進行講解，偏重于理論，同時目前的課本內容并沒有跟上行業發展的速度，對最新的液壓與氣壓的元器件的發展情況講述得很少，更多的還是針對傳統的元器件工作原理的介紹。并且，課程的考核方式還是比較重視學生的期末考試成績和平時作業成績，而對于學生的液壓與氣壓系統涉及創新能力以及實踐動手能力的考查相對較少，所以在現有的這種考核方式下，學生更多的還是將自己的精力放在課本知識和習題之上，更多的關心理論上的學習[8-9]，并沒有更多的精力和熱情去查找更加先進的液壓元器件進行學習研究。同時，部分的高校專業教師并沒有企業工作的經歷，沒有參加過實際的生產設計工作，所以教師很難有實際的工程經驗運用到課程教學過程中，而在實際的教學過程中也很難跟上行業的發展需求，對實際的工程實例很難做到比較深入的講解，并且教師對于企業的需求和行業的發展趨勢并沒有很好的把握。同時，在課程中，所安排學習的典型液壓回路系統的例子如“采煤機及其液壓牽引系統”“塑料注射機液壓系統”等，這些例子與學生的認識都比較遠，在現實的生活中可能并沒有見過，學生很難明白其液壓與氣壓傳動系統的作用和部分的設計目的，所以很難激發學生對于“液壓與氣壓傳動”課程的學習熱情，所以在這種培養模式下很難培養學生的創新和工程能力[10]。

1.4 課程融合，課時壓縮

對于“液壓與氣壓傳動”課程的學習，“液壓與氣壓傳動”課程不單單是液壓或者氣壓回路的設計，還包括液壓與氣壓傳動控制系統的設計。所以，“液壓與氣壓傳動”課程與其他課程的融合也越來越深入，如液壓氣壓傳動系統與PLC技術的融合、液壓與氣壓傳動與計算機技術的融合、液壓與氣壓傳動與機器人專業融合等。如今單獨的一個課程很難設計出一個獨立的系統，需要不同學科的相互交叉和融合，所以“液壓與氣壓傳動”課程的綜合性也會越來越強，課程中所接觸的新知識也越來越多[11-12]。但是隨著課程改革的深入，學生學習的專業內容也越來越深入，而課程的教學課時量被不斷的壓縮，所以，很難對與“液壓與氣壓傳動”課程相融合交叉的知識點進行展開講解。

2 “液壓與氣壓傳動”改革趨勢

2.1 項目化教學，對知識點進行整合

增加課程的實踐環節，采用項目化教學的方式，將課程中的知識進行整合。將學生所需要掌握的知識點融入課程項目中，使學生通過實際的項目來學習課程知識，這樣既可以提升學生的理論知識，又可以提升學生實際操作的水平，初步可以做到理論和實踐相結合。在進行項目化教學的過程中，需要授課教師對課程項目進行精心的設計和管理，對目前的考核方式進行修改，加強對創新和實踐能力的考核，否則這些項目很難達到預期的目標，容易流于形式。所以，需要根據培養計劃和大綱，對項目進行設計，這些項目需要體現課程基礎知識的學習和強化，有一定的綜合性、對特定知識的針對性，同時，項目需要多樣化和不同階段的層次性。

比如在學習液壓泵的時候，根據課程目標將液壓泵的講述分成3個不同層次階段：①對學生進行分組，下發任務書和液壓泵實物，向學生初步講解液壓泵的作用和工作原理，根據實物讓學生對液壓泵有一個感官的認識；②在初步了解的基礎上，學生開始拆解液壓泵，每一組的液壓泵的類型都不一樣，在拆解的過程中分析液壓泵的結構，了解液壓泵的裝配、密封腔的容積變化、運動關系和注意事項，通過查閱資料分析各種液壓泵的工作原理和優缺點[13]；③利用三維軟件建立液壓泵的三維模型，進行運動仿真，最終完成項目書，進行歸納總結，使學生深入地了解液壓泵工作原理和裝配關系以及特點。

根據課程內容學習的不斷深入，項目的難度和挑戰也要不斷的提升，要通過一步步地完成一個個小項目，樹立學生可以學好本門課程的信心。同時，做好不同專業的融合情況，將不同的專業技術融合到項目中，根據“液壓與氣壓傳動”的不同章節的知識提出不同的挑戰項目，依托現有教學條件，提出合理的設計方案，這些具有針對性的項目，對學生的創新性具有一定的促進作用[14-15]。

2.2 線上教學

由于新技術的不斷發展，學生所要學習、了解、掌握的知識也越來越多，專業課程的深度不斷加強，而落實到每一門課程上的學時又在不斷地壓縮。知識量增多，課時量減小，這是一個非?，F實的問題，目前很多的專業、課程都亟需解決這個問題。隨著互聯網技術的發展，互聯網技術為解決知識點多和課時量不足的問題提供了有效的途徑，即可以將部分知識點轉移到學習平臺上，利用網絡的共享資源進行線上教學。

根據教學大綱對于課程知識點的掌握要求，可以將部分簡單通俗易懂且需要在課堂上進行講解的知識點轉移到網絡學習平臺上進行線上學習，同時結合互聯網的優勢，可以建立更加豐富有趣的資源庫如視頻、動畫等供學生下載觀看，用一種形象直觀的方式對知識點進行講解。線上教其優勢十分顯著，但是其問題也顯而易見。因為線上教學中，教師與學生以及學生與學生之間很難形成面對面的交流，同時教師也很難在網絡平臺上了解學生的學習狀態和情況。所以在進行“液壓與氣壓傳動”課程線上教學的時候首要的問題就選擇合適的學習平臺。目前有許多使用成熟的學習平臺，如雨課堂、訊飛愛課堂等。這些平臺有著良好的互動性，可以進行線上簽到、課程資源發布、課程討論、課程問題點答、成績管理等。在新的“液壓與氣壓傳動”知識學習前，可以將學生納入學習平臺，提前在平臺上發布學習任務、學習目標和學習視頻，讓學生提前學習，對一些基本的知識點有所了解，比如“液壓系統的基本組成”“各個部分的代表元器件有哪些”等。當課前線上學習結束后，結合課程知識建立相應的課后題庫，讓學生進行及時練習鞏固。在線下課堂中，根據發布知識以及線上課后習題的練習情況與學生面對面地學習交流，了解學生對學習內容的掌握情況，根據學生的反饋，進行有針對性和專業深度的講解。當線下課程完成以后，可以再在平臺上發布一些與本節內容相關的液壓與氣壓傳動新的技術和設備等資料，如企業最新的液壓與氣壓的元器件、在高精端技術中液壓與氣壓傳動技術的應用等，擴大學生的視野，使學生了解目前行業的發展狀態[16]。

2.3 虛擬仿真技術的使用

虛擬仿真技術的發展為工程技術的創新提供的新的渠道，這極大地加快了工程的進度和降低了工程成本。而在液壓與氣壓傳動技術的課程中，使用虛擬仿真技術可以將復雜的液氣壓傳動情況進行形象的展示，并且可以對液壓元器件的內部工作情況進行詳細的描述，同時由于液壓實驗設備結構和控制都比較復雜，液壓油容易泄漏污染環境，高壓液壓油壓力大具有較大的危險性，所以在剛剛開始的液壓回路搭建的實驗中，學生使用一些液壓設備的過程中危險系數會很高，因此教師對會實驗回路進行搭建和操作演示，而學生則是對實驗進行觀摩，記錄實驗過程中的數據，學生對自己搭建的實驗回路無法進行實際的操作和驗證，這在一定程度上影響了學生的創造性和創新性，而采用虛擬仿真技術就可以有效地降低學生操作液壓設備的危險性。學生可以先利用仿真軟件對所設計的液壓回路實施運動虛擬仿真，根據仿真結果對所設計的液壓回路中不合適的地方進行改進，然后再進行調試，最后在虛擬仿真中沒有出現問題的條件下，再進行實驗驗證。同時，由于液壓與氣壓傳動的元器件種類繁多，比如“方向控制閥”，一般的學校實驗室難將市場上所有的液壓或者氣壓元器件買全，而這些客觀條件的限制也制約了學生對實驗所要求達到預期目標功能的液壓與氣壓回路的設計和分析，而虛擬仿真可以有效地彌補這一不足，因為虛擬仿真軟件有著較大的元器件資源庫，給學生探究性的研究提供了很多的可能。

在實際的學習過程中，常用的液壓虛擬仿真軟件主要包括AMEsim、FluidSIM等。其中FluidSIM軟件安裝、操作都十分簡單，同時會對執行機構如“液壓缸”輸出的力和速度進行直觀的展示，十分適合教師課堂教學。通過采用該軟件進行仿真模擬，可以對比較復雜的液氣壓回路進行快速的計算與分析，通過動畫、圖像等形式可以形象地對液壓與氣壓回路中的液體或者氣壓在液壓或氣壓元器件中的流動進行詳細的展示，可以極大地激發學生的學習熱情。同時對于液壓與氣壓傳動相關的控制技術也可以進行拓展，比如在控制電磁換向閥或者壓力繼電器進行運動控制時，就需要設計電控圖或者是編寫合適的PLC控制程序，這樣在這個軟件中就很好地融合其他專業的知識，對學生所學習的知識也是一個綜合的考察，并且該仿真軟件具有良好的設計性能，可以進行不同回路的搭建并進行仿真調試，然后在一下液壓實訓平臺上進行搭建驗證，通過這種理論和實踐相結合的方式，可以真正地鍛煉學生的設計能力和動手能力，極大地提升學生的創造性和創新性[17-18]。

3 結語

“液壓與氣壓傳動”作為機械、車輛等工程類專業的核心課程，隨著國家科學技術的不斷發展以及社會對符合時代發展的高素質專業型人才的需求越發旺盛，對“液壓與氣壓傳動”課程的改革刻不容緩。由于液壓與氣壓傳動技術本身的復雜性、綜合性以及使用的多樣性，注定“液壓與氣壓傳動”課程的改革難度之大、任務之艱巨，需要更多的同行持續不斷地進行改革。而在未來項目化教學的持續推進、網絡平臺資源的不斷豐富、虛擬仿真軟件在教學活動中不斷深化使用，“液壓與氣壓傳動”的課程改革必然會有著較大程度的突破，對培養專業知識廣、工程實踐能力強、創新能力好的現代化專業人才有著重要的意義。