工程实践中的液压教学体系及其应用

刘潇潇　杨　晋　苟向锋　王晓荣

摘要:如何以工程实践教学大平台为依托,抓住契机,有机地融合理论教学与实践教学,为学生营造出一个具有工程环境的液压教学氛围,本文从教学体系改革方面提出了方案,并对方案的应用进行了阐述。

关键词:工程实践教学;液压;分层次建设;实践教学

液压传动与控制作为三大动力传动和控制方式之一,在我校机电学院各专业人才培养计划中占有非常重要的位置,是一门实践性非常强的专业基础课。但是传统的液压教学却存在着很多弊端。

教学方法呆板课堂教学基本只使用书本和黑板,不能充分利用动画、视频等多种辅助教学资源,知识展示过于平面化,不够生动;内容局限于教材,不能有效地利用网络、多媒体等先进的教学工具扩展学生知识面;很多液压传动中的回路、元件、阀体等学生从来都没有接触过。因此,学生在面对新知识时显得无所适从,缺乏学习积极性,课后也只能死记硬背书本内容,根本无法奢谈理解基础之上的实际应用。

实验环节落后首先,实验设置缺乏有层次性,只是一些低水平、验证性及演示性的实验,没有引入具有启发性和能够加强学生动手能力的实验手段。其结果,一是学生难以全面掌握这一课程的基本理论知识,并且缺乏动手能力,与本科教育应培养创新型、技能型人才的目标相违背;二是教师难以因材施教,对那些对本课程有兴趣、有能力的学生而言,不能做到有针对性地培养他们大胆构思、设计实验。其次,实验条件不够完善,实验设备匮乏而且过于陈旧,无法做到人人都有动手机会,甚至无法做到人人能清楚观看实验演示。再次,实验内容单一,只针对液压传动一门课程,不能做到在“机电液一体化”的工程环境下展示液压传动系统,使实验教学脱离机电行业的实际。

课程设置缺乏整体性对于“机电液一体化”的体系缺乏全面认识,课程设置没有与其他的相关知识进行有机融合,缺乏相关实践应用环节,导致很多学生不知道液压传动内容是什么、怎么用,反而认为这门课程没有什么用处,学不学并不重要。

液压教学改革方案及应用

针对以上问题,我校机电学院机械制造系成立了液压传动教学改革小组,并借助于机电学院成立机械工程实践中心的大好时机,依托于机械工程实践中心这个实践平台,下大力气重建了液压实验室,从师资力量、课程设置、实验条件等各方面对液压教学进行了改革。

液压传动课堂教学改革首先,成立了液压传动教学改革小组。成员共5人,教授1人,副教授2人,讲师2人,其中有多年从事此课程教学的老教师,也有曾从事液压行业十多年、现场经验丰富的中、青年教师。其次,开发出了一套符合我校机电学院专业特色的液压传动教学课件(如图1所示)。在参考其他同类课件的基础上,小组成员认真学习、分析、讨论,充分发挥主观能动性,以学院本科生培养计划为指导,以学生的学习特点为依据,各抒己见,联合开发出这套课件。课件以Powerpoint为开发软件,其中融入了大量的图片、动画、视频等信息,极大地丰富了教学资源,使得对同一个问题能够从多个角度进行阐述,让学生被课堂内容的精彩所吸引,充分调动学生主动学习的积极性。再次,每个教师在上课过程中充分发挥自己的特色,及时地设置提问,灵活地运用讨论,使得课件在运用上统一却不失个性,以求最完美地将液压传动的知识传达给学生。

液压传动实验教学改革我校机械工程实践中心有效地整合了相关实验室资源,构建了从实验、课程设计、金工实习、认识实习、生产实习、技能培训到毕业设计的系统化的实践教学体系。而液压传动实践作为“综合性、设计型实验和创新实践”模块之一,也投入了大量的资金。

1.实验条件。在学校2号实验楼专门开辟了一间110m2的实验室,投资20万余元购进3台YZ-1型液压PLC控制综合教学实验台,1台YQ-2型智能液压PLC控制综合教学实验台(为了实现智能数据采集和曲线绘制,配备了HP计算机和打印机各1台),2台QDA-1型气动PLC控制综合教学实验台。实验室宽敞明亮,实验设备派专人保养维护,可供本科生课程实验、课程设计、毕业设计及研究生课题使用。

2.管理制度。在管理上,我们充分利用人力资源,采用教师编制的实验室人员管理,即实验室管理人员就是教学改革小组成员,也是液压传动课程任课教师的三位一体的管理形式,大大节省了实验室开支。这种管理形式的另一大优势就是,可以在教学和实验之间建立相辅相成、相互促进的良好关系。因为任课教师是教学改革的主力军,而实验教学又是教学改革中不可缺少的环节,如果任课教师与实验教师分离,一方面,课堂上一些需要加强的部分在实验中得不到加强,实验中遇到的问题在课堂上又不能得到教师的分析讲解,教学环节就会与实验环节脱离;另一方面,任课教师不参与实验,就不能很好地对实验教学环节进行有效改进,那么教学改革就不可能获得全面的成功。在制度上,我们狠抓建章立制,在对原有的规章制度进行梳理的基础上,又补充修订了实验室管理、仪器管理和使用、实验注意事项等制度;同时根据不同的岗位,对实验室全体人员的岗位职责进行了分化,用岗位职责强化实验室人员“权责明确、执行有力、协作有序、富有效率”的理念,以保证液压实验室有效、有序地开展各项实践教学工作。

3.实验内容。首先,对于液压传动的课程实验,分层次设立了认知型、验证型、综合型等内容。比如,在认知型实验中,先使用小型透明液压教具进行演示性实验,让学生对液压传动系统有一个整体的初步了解,然后提供压力、流量、方向三大类液压阀进行元件拆装实验,在一拆一装的过程中让学生清楚认识阀体结构,能够动手绘制各种阀的结构简图,并进一步在熟悉结构的基础上去理解每种液压元件的工作原理;在验证型实验中,我们有已经设计好的各种回路,让学生自己动手采集相关数据,进行数据处理和分析,得出实验曲线,验证诸如“泵的性能”、“溢流阀的静态特性”等一系列理论,对课堂和书本的知识通过实验的方式加强理解和记忆;在综合型实验中,我们让学生在学习基本回路的基础上,自己设计一些简单回路,并在实验室进行安装、调试,将所学知识进行综合设计应用。为了避免学生多教师指导不过来的情况,实验分小组进行,每小组12人,每3人使用一台液压实验台,以保证每个学生都能够有动手机会。除此之外,教改小组还将这些重点的代表性实验项目编写出详细的实验指导书和实验报告册,其目的是使学生通过阅读指导书,能够正确完成元件选用、回路的设计、安装、运行控制,并最终在实验报告册中体现实验结果分析。其次,对于液压传动实验台本身,可以允许一些学有余力的学生进行二次开发。比如,在两年的实验台使用中,教师带领学生就实验中出现的如电磁换向阀动作失控、高频率使用下泵的散热不佳、行程开关接头损坏等实际问题,现场进行故障排除和仪器维修,在培养学生实战经验的同时,还为实验设备的维护节省了经费。再如,鉴于实验台的控制部分采用的是PLC,一些学生就利用毕业设计在实验台上最大限度地开发出PLC控制液压或气压传动回路系统,以满足开发更多实验教学项目的需要。再次,液压实验室作为机械工程实践中心的一个模块,是一个开放的实验环境,除了面向机电学院各个专业,还可面向全校机类、非机类的各专业的本科生、研究生提供相关的实验资源。比如,我校参加“CCTV杯全国大学生机器人大赛”的学生,在机器人里用到了气动装置,就是先利用液压实验室的气动实验台对不同构想进行了验证与分析,找到最优方案后再应用于参赛机器人。参加“全国大学生机械创新大赛”的学生也同样可以在液压实验室里进行一些相关的液压与气动回路的设计工作。如此开放的实验环境,可以有效地利用实验室资源,不至于出现大价钱购买的实验设备就只为每年做几个计划内的课程实验,其余时间束之高阁,造成大量的仪器闲置浪费的现象。

液压传动课程设置改革液压传动课程除了现有的课堂教学和实验教学环节外,作为“机电液一体化”中必不可少的部分,在课程设置上也加入了后续的实践应用环节。比如,大四第一学期,在学生开始学习如何将知识应用于实际设计时,我们设置了两周的液压传动课程设计。由任课教师给学生提出设计要求,或者学生依据个人兴趣和能力自行提出设计题目,结合机械工程实践中心的硬件条件,使用Festo公司的FluidSim系列的液压传动模拟软件,针对专业特色,在计算机上实现某个具体机械产品的液压传动实验系统的设计、原理检验和最终的运行控制与结果演示,学生的合理设计可以在液压实验室验证其设计结果。大四第二学期,我们将新型液压传动回路的设计、新型液压元件的设计等作为毕业设计题目,要求学生对现有机械设备的液压传动系统进行改造,或自行设计液压传动系统,并使用软件对设计结果进行仿真和优化,甚至可以在机械工程实践中心的大工程环境下,将自己的设计结果应用于实际,变成真正的产品。优秀的毕业设计可以推荐校优秀论文答辩,也可以申请大学生创新项目课题。经过一系列后续的实践应用学习,不但使学生深刻体会了液压传动的重要性,还让学生在动手的过程中亲身感受了“机电液一体化”的含义,较之教师空洞的说教更具有现实意义。目前,液压实验室在机械工程实践中心的支持下,正初步构思在现有基础上增加设备、调配师资,建立“机电液一体化工程师”的认证系统,为学生就业拓展更广阔的道路。我们相信在不久的将来,液压传动教学将会在机械工程实践中心的良好氛围中获得更好的发展。

参考文献:

[1]傅维利,陈静静.国外高校学生实践能力培养模式研究[J].科学教育,2005,(1).

[2]唐德栋,孔祥冰.Fluid SIM在液压与气动教学中的应用[J].机械设计与制造,2005,(4).

[3]杨晋,王小荣,刘潇潇,等.工科院校工程实践教学体系的探索与实践[J].实验技术与管理,2008,25(7).

[4]柴京富,杨卫平,李尧忠.多功能液压教学实验台CAD及CAI课件设计[J].液压与气动,2008,(6).

作者简介:

刘潇潇(1980—),女,甘肃西峰人,硕士,兰州交通大学讲师,研究方向为液压教学研究、机器人技术。

(本文责任编辑:尚传梅)