多层次液压传动实验教学探讨

陈 晓 陈秀梅

北京信息科技大学机电工程学院 北京 100192

近年来，教育者们越来越关注如何鼓励学生积极融入学习过程中，强调以学生为主体的教育教学，探索各类教学模式，例如翻转课堂、自主学习模式、混合学习、探究式学习模式。运用丰富的教学模式，设计多变的教学组织形式以提高学生学习兴趣、学习参与度、促进其主动学习，从而提升教学效果。强调以激发学生兴趣为切入点，培养学生具备完整的知识结构、全面的工程师素质、较强的工程实践与创新能力、自主学习和终身学习能力，提高工程实践和动手能力、创新意识、团队合作精神[1]。

通过对液压课程实验教学内容进行多层次设计，教学形式分为体验型、验证型、创新型等，内容由易到难；实验内容以小组形式完成；实验成果涵盖实物制作、项目报告与内容讲演；完成实验项目需进行任务分析、方案规划、任务分配、项目实施等多个阶段。旨在促进学生的学习能力、实践动手能力、合作沟通能力和问题解决能力的提高。培养学生的工程实践能力、工程创新能力和灵活运用所学知识分析、解决实际问题的能力。

1 实验教学发展趋势

1.1 强调以学生为中心

由于实验室环境的建设、实验人员的数量等无法满足要求，实践环节的教学通常为学生按照实验指导书要求，模拟实验过程并最终提交实验报告。实验过程中学生思考少，主动性差，未能深入理解实验原理，分析实验构成，学习效果不理想[2]。随着自主学习模式、翻转课堂、探究式学习模式等教学模式的日益融入，从以教师为中心转变为以学生为中心；改变实验环节的教学方式和教学方法，从以学科为导向转化为以学生的能力获得为导向。学生实验之前，以问题引导，通过学习课程内容，查阅相关文献资料获得解决途径，可通过统一或多变的实验过程，获得实验数据或验证实验结果，最后撰写实验报告以描述实验过程与实验结果，并讨论实验过程的合理性。

1.2 增强实验教学比重

近年来，提倡实验教学与理论教学融为一体，进一步密切理论知识传授与实验能力培养之间的联系；加大实验教学的比重，加强理论与实验教学的联系。遵循“学以致用、鼓励实践、由易到难”的原则，开放优质实验教学资源，以项目任务为牵引，激发、调动学生的兴趣和求知欲，引导学生主动实践、自主学习。激励学生实践创新的主观能动性，探索并形成了主动实践、自主管理、角色管理、朋辈学习的自主式学习实践和团队协作机制[1-3]。

2 多层次实践教学模式构建

2.1 体验型实验

随着学时的压缩、课程内容的进一步精简，流体力学内容融入液压课程一并学习，从油液流动到液压系统元器件均为抽象且陌生的学习对象，难以有相应的感性认识，课程距离感顿生。学生学习时容易出现理解困难、理论与实践脱节等问题，常常出现学习流于公式计算、综合运用能力差的状况。

体验型实验项目旨在增强学生对学习内容的感性认识，建立课程内容与生活实践密切相关的亲密感，从而吸引学生融入学习过程。体验型项目趣味性强，让学生感受到在游戏中学习的氛围。

2.1.1 流体力学基础

流体力学基础内容相对抽象，以力学与数学作为学习基础，同时又是液压传动的理论基础。如何能够具象地理解其内容，使得抽象内容形象化、有趣化是吸引学生学习并提高知识点掌握率的重要手段。

如课程中流体力学内容，多数内容为以高等数学为基础的推导过程，一味强调数学推导易减弱学习兴趣。伯努利原理作为流体力学基础重要内容之一，体现了流体的总能量由压力能、位能和动能三者能量守恒且可以相互转换，其原理在现实中应用相当广泛，利于学生动手实践。如反重力乒乓球实验，在准备乒乓球、细线等简单材料的基础上，即可呈现有趣的伯努利效应。当开启水龙头后，与水流相近的乒乓球被快速吸进水流(如图1所示)。原理是当乒乓球一侧有高速水流通过，压力降低，就与乒乓球周围静止的空气之间形成了压力差，乒乓球就被周围的高气压推进水流，呈现了伯努利定律中流体的速度越快，内部压力越小的规律。

流态也是流体力学中的重要内容，爆炸实验室中“时光倒流”实验，准备大小玻璃杯、糖浆、色素和燕尾夹等简单素材，慢慢旋转玻璃杯时，由于糖黏度大且流速很小，糖浆分层流动，无色糖浆与有色糖浆互不混合；当反向旋转时，有色糖浆也回到原位[4]。直观有趣地呈现了流态中层流，学生可感性认识流体分层流动、互不混合的状态(如图2所示)。

图1 水流“吸住”的乒乓球

图2 “时光倒流”实验

案例生活化能够让抽象的理论变得触手可及，液压传动技术并不是只在遥不可及的工程中才有，在日常生活中也有广泛应用，学生只需将所学理论与生活联系即可。通过简单制作的小装置，呈现空洞抽象的理论知识，增强趣味性的同时加深学生对内容的理解。因此，巧妙应用生活中的案例，让学生动手再现抽象的理论，可激发其学习兴趣，加深其对理论知识的理解和运用。

2.1.2 执行元件

作为液压传动执行元件之一，理解液体压力能如何转换为机械能以及液体压力与外负载、液体流速与液压缸伸出速度之间的关系，是该章节的重要内容。通常将升降机、挖掘机伸缩臂或是升降舞台等作为示例说明，虽然生活中常见，但是接触度较低，学生对这些事例了解程度较低，因此，对理解教学内容帮助程度有限。若能动手采用简易设备实践教学内容，无疑更加利于内容理解。

通过运用针筒、塑料管、纸板等简单素材，构建可运动机械臂装置(如图3所示)，实现若干个自由度的运动，不仅助于理解液体压力能与机械能的转换关系、液压缸的原理等内容，更能激发学习兴趣[5]。可进一步将其量化，如设定机械臂完成目标为定量重物的定距离移动，以装置完成目标的精确度和速度为标量，考核项目完成度，形成趣味项目竞赛，激发学生学习主动性与创新性以及提高项目完成度[6]。类似制作难度相对低的简易液压装置还有千斤顶等，均可设定特定目标，如以抬升重物重量与速度作为标量考核项目完成度。

2.2 验证型实验

目前教学中常见的大多为验证型实验，FESTO、博世力士乐等均研发了液压与气动的教学实验台，可用于完成种类丰富的液压泵性能测试、溢流阀的应用、调速回路实验等诸多验证型实验。液压实验台大多为回路实验所设计，涉及元件多、可搭建回路丰富，若学生均参与操作，需要实验台套数多，购置金额相应增大，实验占地面积相应增大，大多难以满足要求；若分组实验，多人同时操作实验台，或是演示实验，学生无法实际操作，又弱化了学生参与性。此外，目前远程教育、在线教育诸多，如何满足线上线下学习要求，虚拟仿真实验台将是较好的选择。相对于实体实验台，其对硬件依赖程度较低，随着VR与AR的发展，其越来越接近真实元件与现实操作。如图4液压泵性能测试虚拟实验，基本完全模拟实际操作平台中的所有操作流程，如开关液压泵、调整节流阀、记录性能参数等几乎与实际操作无异[7]。

虚拟仿真实验不限于设备和场地，不限时间，可获得最佳的学习体验，能够同时满足线上线下教育的实验需求，完全模拟实体实验台操作流程，学生能够自由选择实验时间，并且能够给出更多的实验选择。给予学生更多消化实验内容的时间以及思考实验过程中出现的问题等。相对于实验台硬件设备的更新，虚拟仿真系统更新速度较快、难度较低。如本课程的液压虚拟仿真实验系统涵盖了13个实验项目，内容相对丰富，可将实验内容设定为多个选项，如节流调速回路实验，学生可从进油、回油与旁路中任选一个或多个进行操作，增加其参与度。仿真实验多为验证型实验，设计感较弱，因此加入仿真实验非常必要。

图3 液动机械手模型

图4 液压泵性能测试虚拟实验

2.3 综合型实验

液压传动学习主要目的之一在于能够在流体传动领域设计针对复杂工程问题的解决方案，设计系统和其核心部件的气路或传动系统，满足设计要求。因此应用相关仿真软件设计回路能够解决课程知识的融会贯通与综合应用，避免学习停留于背诵概念、公式、求解计算；还能从一定程度上回答学生对课程应用的疑问。MatLab与FLUIDSIM等软件均有液压传动回路仿真功能，能够协助学生设计液压回路。例如通过实现两个以上动作设计回路并运用仿真验证回路设计合理性，有助于课程知识的融会贯通。在回路设计分析中，需要注意定量分析的问题，以帮助学生弄懂并深入理解理论知识。

3 多层次实验教学的作用

多层次实验教学遵循知识认知循序渐进的原则，从简单到复杂，从单一到综合，各层次难度层层递进。项目内容不仅涉及了基础概念理解与理论，而且涉及综合应用；不仅可以加深学生对内容的理解与掌握，而且能够培养学生分析问题、解决问题的能力；不仅适合课堂面对面教学，而且能够用于远程教育，不受硬件设备限制。作为提高学生理解课程内容的方式是较好的选择。

3.1 丰富教学模式

构建了一个以学生为中心、自动、柔性的学习环境，将趣味元素应用于教学过程，践行游戏化学习理念，从而鼓励学生融入学习过程并最终达成学习目标。游戏化学习理念能够为学生构建一个以学习者为中心的学习环境，从而获得更高的参与度、长期学习以及知识掌握。因此，游戏化是解决学生参与度的方式之一。

体验型实验是游戏化学习理念在教学中的应用方式之一，将远在工程实践中的液压与气压传动技术拉近到可制作的趣味装置中，将课程中抽象的理论变得触手可及，从而激发学生的学习兴趣，增强课程亲和力，培养学生发现问题和解决问题的能力。体验性项目中的定量化设计，不仅为项目竞赛化提供依据，提高了项目趣味性和完成度，而且有助于学生深入理解理论知识，培养系统设计能力。

3.2 激发学习兴趣

项目以小组形式完成，培养学生具有团队合作环境中发挥作用的能力。项目内容在课程之初予以介绍，不局限于先行教授相关课程内容后再安排实验项目。引导学生积极参阅资料、设计方案并进行方案分析，促进学生主动学习理论知识，并最终应用于实践，形成主动学习和创造性学习的模式。此类教学模式利于提高学生的学习积极性，提高其实践能力；增强学生自学能力，培养良好的思维习惯，提高分析问题、解决问题的能力。

4 结语

为了提升液压课程教学效果，构建多层次实验教学模式，从融入游戏化学习理念的体验型实验到采用能满足在线学习需求的虚拟仿真实验台完成验证性实验以及旨在解决复杂工程问题的综合型实验，各层次难度层层递进，实验项目之间内容互补。多层次实验教学激发学生的学习主动性，培养学生的工程实践、创新能力以及学生的团队合作精神，培养学生工程意识和项目管理能力。