《水液压传动技术》课程教学方法研究

纪辉，聂松林，尹方龙，马仲海

（北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京）

一 引言

“新工科”是基于国家发展需求提出的我国工程教育的改革新方向，旨在培养出多元化、创新型卓越工程人才[1]。《水液压传动技术》是北京工业大学机电学院在“新工科”背景下面向机械工程专业本科生开设的一门专业限选课，是基于流体力学、机械设计、高等数学等基础课增设的一门面向工程实际的应用型课程。传统的液压技术多以液压油作为工作介质，存在污染、易燃、易爆、成本高等问题，而水液压技术以纯水作为工作介质，具有安全、环保、经济性好、机动灵活等突出优势，克服了传统液压技术的不足。随着我国海洋发展战略的实施以及“一带一路”倡议的推进，海洋科技取得了长足的发展，但目前我国自主创新引领力度不强，特别是深海技术装备仍远落后于欧美、日本等发达国家。为了提高我国的深海作业技术水平，迫切需要培养一批具有水液压技术背景的应用型人才。

《水液压传动技术》课程总体上包含水液压关键技术、典型水液压元件和典型水液压系统三部分内容。从原理上来看，水液压传动技术与传统液压传动技术十分相似，但一旦将液压油介质替换为水后，就会涉及到润滑、密封、腐蚀、气蚀等多种科学问题。就目前来看，《水液压传动技术》这门课程在国内高校的设立还十分罕见，发展还不成熟，因而没有现成可借鉴的教学方法。但与《液压与气压传动》课程类似，《水液压传动技术》也是一门兼具综合性与实践性的课程，且二者课程体系也十分相似，因而《水液压传动技术》课程现阶段所用教学方法可以借鉴传统《液压与气压传动》课程。

《液压与气压传动》是一门经典的机械类本科生必修课程，其教学方法相对来说已经很成熟，且国内有众多学者探索了多种新型教学方法。如蔡汉跃[2]针对工程认证背景下《液压与气压传动》课程面临课时压缩造成的“教的累、学的苦”现象，从教学内容、教学方式、学生主动学习、实验课及企业元素等五方面提出了改革方向。郭文静等[3]开展了多项综合性开放实验教学研究，激发了学生的学习主动性和实验兴趣。符林芳[4]提出了混合式教学方法，并在机电、模具专业学生中进行了实践，取得了良好效果。马少春等[5]探讨了《液压与气压传动》案例教学法在工程教育背景下农业院校的应用。马勇杰等[6]将科研创新成果应用于《传统液压与气压传动》课程的教学中，探讨了典型案例的基本设计思路，实现了专业知识、科研成果与思政理念的有机结合。

《水液压传动技术》课程的教学目的是使学生通过学习，能够了解水液压传动的基础知识，熟悉和掌握典型水液压元件的基本工作原理，并掌握具有特定功能水液压系统的设计方法。《水液压传动技术》课程的教学方法虽然可以参考传统《液压与气压传动》课程，但在“新工科”建设背景下还需探索出一种适于新型专业人才培养的课程讲授方法。

二 教学现状与存在问题

《水液压传动技术》属于机械类本科生的专业限选课，共32 学时，分16 周授课，平均每周2 课时，开课时间定在大四第一学期。在第一轮授课中仍然按照传统《液压与气压传动》课程的教学思路，即严格按照先理论后实验的教学思路，前26 学时主要以理论讲授为主，后6 学时设置课程实验。理论讲授按“水液压关键技术-水液压元件-水液压系统”的思路循序渐进。水液压关键技术即在设计水液压元件过程中需解决的关键技术问题，典型水液压元件主要包括水液压泵、水液压马达、水液压缸、水液压阀等，在此基础上以典型水液压系统为例，使学生了解水液压系统的基本构成，并具备构建完整水液压系统的能力，同时还可以根据水液压系统所具备的不同功能进一步熟识各典型水液压元件的功用。课程的最后设置了实验教学，通过典型水液压元件的拆装及其性能实验使学生将理论知识与实践相结合，对水液压元件和水液压系统具备直观了解，以期培养学生的动手能力和解决实际问题的能力。但由于该门课程的教学模式正处于探索阶段，经过一轮教学后发现存在一些问题。

（一）理论内容繁杂，理解困难

水液压传动技术涉及机械、电子、自动控制、传感器等多种技术，涵盖知识面较广、学科交叉性较强、课程本身包含内容也十分繁杂。如水液压系统中最常见的水液压控制阀包括压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀三类，而每一类又涵盖多种不同结构和型式的水液压控制阀，其他水液压元件亦是如此，若要在26 个课时内完成所有理论授课，每节课的授课容量还是十分可观的，这导致许多学生由于课程安排过于紧凑而不得要领。此外，这门课程需要学生具备一定的流体力学、机械设计、自动控制等基础知识，一些学生由于基础不牢固或间隔时间较长致使对讲授内容理解有难度。这一点通过布置课堂作业可以发现，有部分同学对水液压元件的工作原理理解存在偏差，更有甚者难以理解课上所授内容。

（二）学生的互动性与参与感不强

由于该课程设置在大四第一学期，学生面临着毕业、就业、考研等压力，极易导致学生重视度不足，仅为拿到学分而“混课”。此外，该课程讲授过程中穿插着大量水液压元件结构图或抽象的水液压元件职能符号，学生的基础又参差不齐，经过一轮的授课发现很多学生难以在短短的26 课时内接受如此大量理论知识的输入，有些学生在理解失败后甚至自我放弃。还有一些学生妄图利用上课时间复习考研，但最终却很难兼顾二者。虽然课程设置了6 学时的实验课，但由于学生人数较多，实验室现有设备较少，无法满足人手一件的需求，因而实验过程大部分时间是教师演示、学生观摩的形式，且学生主动意识不强烈，不能很好完成“通过实践提高学生的动手能力，加深对课程教学知识的理解”的实验目标。整体来看，目前这种单向的知识输入教学手段很难引发学生的学习兴趣，导致学生的自我参与感不强、学习效率不高、技能掌握欠缺。

（三）成绩评价方式难以体现创新思维

第一轮教学时，课程成绩仍然按照传统成绩的评价模式，即采用平时成绩与期末考试成绩的加权对学生的学习效果进行评价。传统成绩评价主要以基础理论知识和方法的掌握程度作为评价，对学生创新能力的考虑较少[7]。在教学过程中发现课堂“抬头率”不高，一部分学生不注重平时课堂教学，企图按照以往应对应试教育的方法，即采用期末临时突击的方式应对考试。而且这部分同学的学习态度往往会对其他积极参与课堂活动的学生产生一定程度的影响。此外，由于期末考试多为客观题，题型比较固定，一些课上活跃且具备一定创新想法学生可能并不善于应试，最后考试成绩可能与平时不积极参与课堂活动学生的成绩相差无几甚至出现不如他们的情况，结果给这部分积极参与课堂活动的学生心理造成一定的冲击。由此可见，目前的成绩评价方式只能体现学生对课本知识的复刻层面，而对学生的创新思维和解决实际问题的能力不能很好体现。

三 教学方法改进

《水液压传动技术》课程并不是一门应试教育类型的课程，其开设的初衷是开拓学生的视野，通过接触流体传动与控制领域的前沿方向来培养学生的创新意识、工程意识和工程思维，属于一种开放性的课程。为了提高学生学习的主动意识，针对目前《水液压传动技术》课程教学中存在的不足之处，提出了以下解决思路（如图1 所示）。

图1 教学方法的改进方向

（一）改变传统课堂讲授方法

将面面俱到的理论授课方式转变为突出典型案例的授课方式。由于传统的单向输入效果并不理想，利用当代大学生学习能力强、喜欢探索未知事物的特点，今后可以适当增加课堂讨论环节。教师根据课堂讲授的典型工程案例提出问题，将学生分成若干小组，小组成员以分工合作形式，课下通过查阅相关文献资料提出解决方案，在课堂上以PPT 展示的形式汇报成果，教师在展示过程中提出疑问，小组成员进行解答，最后根据各组汇报质量进行成绩评判，对创新性较好的小组进行加分奖励。例如在介绍水液压泵的工作原理时可以以斜盘式轴向柱塞泵为例介绍水液压泵的基本工作原理及其关键技术，引导学生查阅资料介绍其他结构型式的水液压泵，或提出新型结构的水液压泵，其他液压元件或系统的讲解过程亦如此思路。这种提出问题、引导学生寻求解决思路的方式能够提高学生的主动性、创造性和积极性，进而提高学生的课程参与感。这种教学方法一方面避免了由于课时紧凑实施填鸭式教育引发的学生疲怠和知识掌握不牢现象；另一方面通过反转，使学生成为了课堂的主人，学生之间通过沟通交流不同的解决方案，实现了更多知识的解锁，提高了学生的学习兴趣和学习效率。

（二）增强课程的工程性和实操性

当代大学生一般对能够通过自学获得的基础知识兴趣不高，因而要适当改变现有授课内容，将水液压技术在工程中应用的实例最大限度融入课堂能够令学生更加清晰认识到水液压技术在国民经济各部门的重要地位。如可以以深海采样或水下作业涉及到的水下机器人为例介绍典型水液压系统的构成，并在讲授中配置一定的视频和图像，增强学生的直观印象。此外，还可以通过引入平时在科研工作中完成的实际工程项目介绍水液压元件和系统的设计准则，在详细介绍项目的实施过程中引导学生如何解决工程实际问题。在实验课上，改变原有的教师演示、学生观摩模式，精心挑选适于团队合作的实验内容，将学生分成小组，首先为学生讲解实验目的和实验方法，随后请小组成员分工合作完成实验，力争每位同学都能参与到实验中来。如在进行水液压泵的性能实验时，可令一名小组成员负责加载、一名小组成员负责观察仪器仪表读数，另一名负责记录，实验完成后小组成员共同进行数据处理和分析，由于存在误差，每组实验数据理论上各不相同，不仅避免了不同组间的互相抄袭现象，还能通过实验中的互相配合培养学生的团队协作能力。此外，还可以建立专门的虚拟仿真实验平台，打破原有传统实验平台回路搭接的局限[8]，令学生通过仿真软件完成更多种类水液压系统回路的搭建，拓宽学生的视野，进一步提高学生利用所学理论知识进行系统分析和系统设计的能力。

（三）改变现有成绩评价方式

由于本门课程的侧重点在于培养学生的系统设计和分析能力，因而本课程的考核并不仅仅是针对理论知识的考察，更多的是对学生综合能力的考核。在未来的课程考核中应改变以往的平时成绩加期末考试的考核方式，可以将对硬性理论知识的检测转移到平时课后作业上，同时将前述提及的课堂讨论PPT展示、实验报告等作为课程考核成绩的一部分，将上述三部分整体按照40%的比例作为平时成绩。另外60%改为开放式的课程报告，教师为学生提供3～5 个关于水液压传动技术的热点题目，学生任选其一作为课程的最终考核报告，教师根据报告所体现的学生对水液压传动技术的掌握程度和创新程度进行成绩的综合评定。通过上述方式，可以进一步提高学生对每堂课的参与感，避免了学生不注重平时课堂教学、考试临阵磨枪的现象，最终实现对学生个人综合能力的评定。

四 结语

本文主要对《水液压传动技术》课程的现有教学方法及存在的不足进行了分析，并据此从课堂教授方法、课程的工程性与实操性、课程成绩评价方式等三方面提出了《水液压传动技术》课程教学方法的未来改进方向，旨在最大限度提高学生的课程参与感和积极性，提高学生的动手能力和解决实际问题的能力，最终探索出一种适于“新工科”背景的《水液压传动技术》课程教学方法，并培养出具有牢靠水液压专业理论知识和良好实践能力的应用型人才。