融合真实与虚拟实验的液压传动实验教学与实践

胡波，肖泽亮，李圣雨

（1.长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙 410114；2.衡阳泰豪通信车辆有限公司，湖南 衡阳 421099）

0 引 言

随着我国教育事业的蓬勃发展，学生的实践能力越来越受到重视。实验教学作为学生实践能力培养过程中十分重要的一环，是增强学生对专业基础知识理解和培养学生创造性思维的重要方法。实践是学校的教学活动中的根本，但受设备陈旧、资金欠缺、实验安全等硬软件条件的制约，当前大部分高校的实验教学设备与方法难以满足大学生扩招的需求与实践能力培养的要求。因此，改变传统的实验教学方法迫在眉睫。

当前大学学习和社会工作脱轨严重，很多同学反映大学期间学的知识无法直接应用。而作为机械类专业的一门必修课程，“液压传动”具有很强的实践性和应用性，是从事液压传动设计工作的必要基础知识。液压元器件种类繁多、结构相似、基本回路繁杂，必须结合实验教学，才能获得较好的学习效果。但是，液压元件昂贵、实验安全隐患、时空限制等，只有较少的学生能真正实操，大多数学生只能观摩他人操作，导致实验教学不充分、效果较差。近年来，随着云计算、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术逐渐应用到课堂教学中，混合式教学在国内外许多高校中蓬勃开展和广泛应用。利用虚拟仿真技术，构建虚拟的实验环境和仿真实验平台，可以有效地解决真实实验教学中存在的问题，使学生的实践能力得到充分的锻炼，促进学生液压传动基础理论与实验能力的协同发展。发达国家研究虚拟实验室时间较早，如1988年麻省理工学院开发的Web Lab 远程虚拟实验室、牛津大学开发的Livechem虚拟化学实验室。而我国高校教师在液压传动虚拟实验方面也作出了较大贡献。例如，陈敏捷等结合Unity、UG 和3Ds Max 平台，搭建了一个交互方便的液压虚拟仿真实验系统；李美如等以JetBrains Rider 为开发环境，结合Unity 3D 平台，建设了液压传动虚拟仿真实验教学平台；并利用Inventor 构建了虚拟实验仪器及实验场景，弥补了传统液压实验的不足。

尽管虚拟仿真实验可以避免液压元件昂贵、实验安全隐患、实验场所对液压传动实验教学的限制，但仍存在虚拟液压元件结构不具象的问题，学生难以通过虚拟仿真实验了解各类液压阀之间结构的细微差异。因此，结合真实实验与虚拟实验，协同开展液压传动实验教学，既能避免多数学生不能实操的问题，又可以使学生现场了解液压元器件的结构及差异。

1 液压传动实验平台

1.1 真实实验平台

基于液压传动课程教学大纲的要求，实验平台应当包含薄壁小孔、细长孔与环形缝隙液阻特性等3 种流体实验，液压泵、液压缸与液压马达等3 种动力与执行元件性能实验，溢流阀、减压阀静动态性能等4 种阀类实验，进口、出口与旁路等3 种节流调速回路性能实验。由此可见，液压传动课程的实验种类多，涉及的液压元件多，若全部搭建实物实验台，必须同类实验台架搭建多个，供多组学生使用，以避免实验课时少的限制。这样的实物实验台造价十分昂贵、占地空间巨大，为此建立液压传动的虚拟仿真实验平台非常必要。

尽管液压实物实验台建设费用大，我校仍然建设有液压泵性能实验台，溢流阀静态特性实验台，节流调速回路性能实验台等，每种实验台建有4 组，可将学生分组同时进行实验，提高实验效率。其中，液压泵性能实验可以通过调节截止阀和节流阀实现液压泵的空载性能测试、流量特性和功率特性测试、效率特性测试；溢流阀静态特性实验台通过节流阀和油泵启闭可以实现溢流阀调压范围测量、压力振摆测量、压力偏移测量、压力损失测量、卸荷压力测量、内泄漏测量、启闭特性测量；节流调速回路性能实验台可以通过改变节流阀连接管道，实现进口、出口与旁路节流调速回路性能测试。

1.2 虚拟实验平台

虚拟仿真实验平台设计的目的是使学生能够在模拟的液压实验环境中，了解各种液压元件在结构与功能上的差异；并随时随地搭建虚拟的液压系统来验证液压回路的功能。为此，首先通过UG 建模软件建立各种液压元件的三维装配体模型，并借助3Ds Max 与Photoshop 软件进行修图与渲染；随后，导入Unity 软件中进行可视化处理，并采用Unity Web Player 进行调试与分布，建立了虚拟仿真实验平台。

搭建的虚拟仿真实验平台包含了液压传动课程教学大纲要求的3 种流体实验、3 种动力与执行元件性能实验、4 种阀类实验与3 种节流调速回路性能实验。每个实验都嵌入了实验目的、实验要求、实验步骤、实验展示及试验报告撰写规范等栏目，如图1所示，为学生自主线上仿真实验提供了非常方便的指导，大大提高了学生仿真实验的积极性。以液压泵性能仿真实验为例，根据实验原理图，学生可从动力元件、控制元件、执行元件和辅助元件库选择对应的液压元件，组装液压传动实验系统，并结合实验目的、要求与步骤，实现液压泵性能测试，获取仿真实验数据，计算与绘制液压泵的性能参数。

图1 液压泵性能仿真实验台

2 液压传动实验教学实践

融合真实与虚拟实验的液压传动实验教学主要是先通过虚拟仿真实验系统，使学生掌握实验目的、要求与原理，熟悉实验步骤与操作方法；再通过实物实验台，熟悉相关液压元件的实物结构、调节与控制方法。多年的实验教学实践证明：先通过仿真实验，再进行实物实验台操作，大大提高了实验效率，能在有限的学时和资金投入内，使每个学生都有操作实物实验台的机会。以液压泵性能测试为例，介绍该实验教学的方法：

（1）课余时间，学生在仿真实验系统中，通过嵌入的指导性文件，明确实验目的：了解液压泵主要特性（功率特性、效率特性）和测试装置；掌握液压泵主要特性测试原理和测试方法。

（2）通过仿真实验要求文件，了解本实验的内容和要求：液压泵的空载性能测试；液压泵的流量特性和功率特性测试；液压泵的效率特性（机械效率、容积效率、总效率）测试。

（3）在仿真实验平台中，结合内嵌的测试原理图，如图2所示，和实验步骤说明，搭建液压泵性能测试仿真系统，如图3所示，执行仿真实验，并得到仿真数据。

图2 液压泵性能测试原理图

图3 液压泵性能测试仿真实验台

（4）根据仿真实验平台中的实验报告模板，整理实验数据，并计算与绘制液压泵空载排量与性能参数，如图4所示。通过仿真平台的成绩统计，当每个学生都能掌握本实验的要领后，可以开始进入实物实验教学环节。

图4 液压泵性能仿真实验数据

（5）通过仿真实验，熟练掌握了本实验的目的、测试原理、实验步骤和数据分析后，学生在实验教学课时内，进入实物实验室，开始操作真实的液压泵性能测试台；熟悉真实液压元件的结构，练习液压元件的调节与控制。

由于前期通过仿真实验熟练掌握了本实验的测试原理与步骤，在实物操作时，每个学生花费的时间大幅度减少。在有限的实践教学时间内，几乎能实现每个学生都能进行实物实验台的操作。在融合真实与虚拟实验的液压传动实验教学模式下，学生的动手能力得到了更好地培养，理论教学与实践教学结合更加紧密，取得了较好的实践教学效果。

以本校2019 级汽车服务工程专业某班级为例：该班学生共32 人，前期在仿真实验平台中，通过系统嵌入的指导性文件，明确了实验目的、内容和要求，熟悉了测试原理，并模拟了实验步骤和数据整理。进入实物实验教学环节时，本班级共分为4 组，每组5 ～6 人（该班1 人没有参加实操），分布在4 个实物操作台上进行实验教学。经过前期的理论学习和模拟实验，实物操作前对各液压元器件讲解时，学生能很快地回想起该液压元件的功能和优缺点，掌握其结构特点、液压管道连接、调节与控制。这样的实验环境下，每个学生基本能在6 分钟左右完成液压泵的性能测试，在一个学时内实现了每个学生的实操，这是以往纯实物实验教学难以达到的。

该教学班的实验成绩分布如图5所示，平均分达到了81 分，仅1 人因没参加实操定为不及格；成绩良好及以上的学生共23 人，占比达72%，成绩中等以下的仅为6%。在融合真实与虚拟实验的液压传动实验教学模式下，学生不仅在真实实验环节中操作顺畅，后续对实验数据的整理和参数计算也理解深刻，实验成绩整体情况也有明显提高。这种教学模式使有限学时内的液压传动实验教学更加充分，取得了良好的教学成效。

图5 液压传动实验成绩分布与占比

3 结 论

针对高校液压传动实践教学环节中普遍存在的真实实验台架匮乏问题，文章探讨了融合真实与虚拟实验的液压传动实验教学的设计与方法。通过虚拟仿真实验平台，学生可以反复练习液压仿真实验，熟练掌握测试原理及实验步骤，继而再开展实物实验教学。避免了传统真实实验教学仅少数学生能实操，导致实验教学不充分、效果较差的问题，获得了较好的教学效果，具体如下：

（1）液压传动仿真实验平台的建设打破了液压传动实物实验台时空的限制，大幅度降低了液压传动实验课程资源建设的资金投入。

（2）液压传动仿真实验系统可以让每个学生反复练习，使学生实实在在的熟练掌握实验测试的目的、原理及步骤，为后续实物实验台的操作效率奠定了坚实的基础。

（3）融合真实与虚拟实验的液压传动实验教学，弥补了实践教学课时少的缺陷，避免了大部分学生走马观花式的实物实验，提高了实践教学质量。