联想法在液压传动与控制课程教学中的实践

◆周天悦

作者：周天悦，洛阳理工学院机电工程系机械基础教研室副教授，研究方向为流体传动与控制（471023）。

高等学校的专业基础课有许多的抽象概念和原理，在授课过程中，若把其直接按教材的表述讲给学生，效果往往不尽如人意。如何科学而又严密地讲授这些概念和原理，并且有益于学生理解和掌握，提高专业基础课的教学质量，这是教师在教学过程中必须重视的问题。

在当前高校的液压传动与控制课程教学过程中，对于液压阀的结构讲解，传统上教师只是根据阀的结构简图或装配结构图进行原理分析，表述流体的走向、压力的形成等基本原理，但由于流体传动与控制的抽象性，学生对其本质特征并没有深刻理解，不能掌握流体传动的精髓，以至于出现“学完就忘，考完就丢”的局面。本文提出的联想教学法打破传统教学在单一知识体系下照本宣科的讲解方法，是利用液压元件与机电元件在本质特征上的相似性，将其原理及功能先用联想法进行横向比较，再纵向深入，使学生在已有的机电元件知识或生活经验的基础上比较容易地理解和掌握流体元件相关知识的一种教学方法。

1 联想法

联想是由一事物想到另一事物的心理过程。客观事物总是相互联系的，具有各种联系的事物反映在人脑中，就会形成各种不同的联想[1]。

学生在学习新知识时会在时间或空间上产生与所学新知识相近抑或相反的联想，所联想的事物与所学知识不仅有相似性，更主要的是有相关性[1]。

在教学实践活动中，针对不同的学习内容，适时应用联想方法，可以帮助学生打破学科的界限，学会统筹兼顾，促使学生把相关或相反的知识加以联系、延伸、比较、补充，从而丰富和扩大，拓宽知识面，从更高层次上把握所学知识体系。这样对学习新知识、开阔自己的知识视野都有较好的效果，对学生能力的培养具有极其重要的作用。

2 联想法在液压传动课程教学中的实践

在大学课程中，机械和电气系统的相关知识要先于液压传动知识被讲授，并且机电系统要比液压系统更直观，更接近于常识，更容易被理解，因而将液压传动系统联想为机电系统会使学生更好地理解所学的知识。以下是笔者在课堂教学及课后辅导过程中对液压传动与系统一些难以理解的知识点进行联想教学的实例。

1）单向阀与二极管、棘轮机构的联想。图1（a）为液压传动系统中的单向阀，流体只能从B端向A端流动，而不能相反。在教学中，可以启发学生联想到他们已经学过的电路系统中的二极管，如图1（b）所示，相似之处是电流只能从D端流向C端而不能相反，这时单向阀的B端就可对应二极管的D端，从图形符号上也近相似。从传动角来看，单向阀与二极管又与机械系统中的棘轮相类似，棘轮有单向传递能量的特性，结合棘轮在自行车上的普遍应用，学生很容易通过棘轮或二极管掌握液压系统中单向阀的功能[2-5]。

2）液控单向阀与晶闸管的联想。液压传动系统中的液控单向阀，如图2（a）所示，在授课中可提示学生与电路中的图2（b）所示晶闸管相联想，因为它们都是开关性质的，又都有控制点，用来逆向开启，液控单向阀的控制口K就相当于晶闸管的门极G。另外，液控单向阀的开启需要一定的压力，其大小反映油液的作功能力；晶闸管的开启同样需要电压，它反映了电荷作功能力的大小[2-4]。

图1

图2

3）换向阀与三级管的联想。液压系统中的换向阀可与电路系统中的三极管相联想。学生在此前都学过了电子学，了解三极管的放大作用，而换向阀在液压传动过程中，改变流体流动方向外也就有放大功能，即通过小能量去控制大能量，这一点与三极管完全相同。图3（a）中液压换向阀中的K就相当于三极管中的基极B，换向阀的出口A则对应三极管中的发射极，而三极管中接放大电源的集电极C就相似于换向阀的进口P，因为换向阀的进口P也是要外接能源（液压泵）的[2-4]。

4）比例环节的机电液系统联想。图4（a）为液压控制系统中的比例环节，输入为流量Q，输出为速度v，活塞腔有效面积为A，此比例环节可联想至机械系统的齿轮及所示的电器系统的纯电阻电路。图4（b）为齿轮传动机械系统，n1、n2为输入输出转速，z1、z2为主被动齿轮的齿数；图4（c）为纯电阻电气系统，u为电阻R两端的电压，i为流过电阻R的电流，它们具有统一的传递函数表达式[2-4]：

G(s)=H

它们的传递函数表达式分别为：

图3

5）积分环节的机电液系统联想。图5（a）为液压控制系统中的积分环节，输入为流量Q，输出为位移x，活塞腔有效面积为A，此积分环节可联想至机械系统的齿轮齿条传动以及电器系统的存电容电路。图5（b）为齿轮齿条传动机械系统，n为齿轮的输入转速，x为齿条的位移；图5（c）为纯电容电路系统，u为电容C两端的电压，i为流过电容C的电流。它们的传递函数具有统一的表达式[2-4]：

图4

6）振荡环节的机电液系统联想。图6（a）为液压控制系统中的振荡环节，输入为流量Q，输出为位移x，活塞腔有效面积为A，有效容积为V，质量为m，阻尼为B，此模型可联想到质量—弹簧—阻尼机械振动系统以及RLC振动电路。其中，图6（b）中的机械振动系统的输入为力F，输出为位移x，弹簧刚度为K，阻尼为B；图6（c）中的电气LRC振荡回路输入为电压u，输出为电流i，电容为C，电感为L，电阻为R；它们的传递函数具有统一的表达式[2-4]：

图5

图6

3 结束语

许多知识体系在认知结构上是相通的。液压元件对于学生而言是新知识，机械、电气元件为旧知识，新知识往往是若干旧知识的重组或是旧知识的引申或拓展。但由于学生在掌握知识的深度和广度上的不足，不易获得新旧知识之间的联系。这就需要教师在授课过程中承担起引导学生联想的责任。教师在教学中如果能适当地为学生提供认识多种知识体系相似性和可比性的机会，指导他们运用联想推理，找出新旧知识体系之间的相关性，并培养学生掌握联想的思维方法，不仅能使学生很快地摆脱对新知识的陌生感和距离感，更加容易理解新知识，而且可使学生很轻松地建立起新的概念系统，并加强学科渗透，巩固旧知识，激发学生的发散思维，扩展学生的知识面。这样对学生理解和掌握基本概念将会取得举一反三的教学效果。教师应重视挖掘，并抓住适当的时机将联想的思想和方法渗透给学生，使学生掌握联想法的内涵和精髓，积极主动去探寻事物的本质和规律，这对他们以后的独立学习和研究创新是非常有益的。

应用联想法的魅力不仅在于它可把新知识纳入到已有的知识系统中来，化繁为简、化难为易、化抽象为形象，同时又可激发学生的发散性思维，起到启发思路、触类旁通的作用。它是一种促进学生的知识“迁移和融合”、打破学生的思维定式、拓展学生的思考空间的有效方法。

[1]减科夫,等.记忆注意与联想[M].北京:科学出版社,1956.

[2]雷天觉.液压工程手册[M].北京:机械工业出版社,1992.

[3]陈奎生.液压与气压传动[M].武汉:武汉理工大学出版社,2001.

[4]魏之罄.电子技术[M].北京:机械工业出版社,1990.

[5]吴宗泽.机械设计师手册[M].北京:机械工业出版社,2002.