留学生液压与气动技术课程实践教学设计

蒋 丹, 赵雯婷, 郭 庆, 付益路, 杨 平

(1.电子科技大学 机械与电气工程学院, 四川 成都 611731;2.电子科技大学 航空航天学院, 四川 成都 611731)

引言

在经济全球化的进程中,留学生教育成为了高等教育国际化发展大计中的重要组成部分,其发展水平成为衡量高等学校国际化水平的一个重要指标[1]。马健云[2]提出在来华留学事业进入提质增效的新阶段,如何制定合理规范的来华留学生教育政策,助推我国高等教育深入迈向国际化,成为高校深化“双一流”建设和国家“一带一路”倡议的重要议题。电子科技大学也积极响应国家“一带一路”倡议,按照“扩大规模、深化培养和规范管理”的工作思路, 确保留学生教学质量逐步提升。

近年来许多高校在液压与气动技术课程教学模式探讨与改革方面做出了许多贡献。上海理工大学等高校[3-6]将课程思政融入液压与气动技术课程教学,实现了学生的思想精神境界和专业技术能力的双向提高。李晶等[7]从改善实验环境、更新实验内容、构建层次化实验教学体系、探索实验教学新模式和方法等方面对液压与气动技术实验教学进行了改革与实践。

液压与气动技术课程是留学生机械设计制造及其自动化专业和电气工程及其自动化专业的专业核心课程。液压与气动技术是与电机驱动相并列的一种驱动方式,该课程理论抽象而实践性很强,仅通过理论讲解不足以使留学生深刻理解抽象的概念和系统设计方法。因此,在本课程的教学过程中,注重理论内容的同时,还注重对留学生实践能力的培养[8-10]。其中实践教学是该课程重要方式之一,它对于提高留学生的综合素质、培养留学生的创新精神与科研素养具有特殊作用[11]。

为了实现液压与气动技术课程成为“高标准、高要求、高含金量”的留学生专业核心课程,对该课程的实践教学内容进行设计和探讨。在元件拆装以及回路设计与搭建实验基础上,增加管路水击实验和参观SMC电子科技大学技术中心实践环节,着力于培养留学生自主学习、独立思考的学习习惯,侧重于锻炼在工程应用中分析问题、解决问题的能力和思维方法,使留学生更好地掌握液压与气动技术的专业知识,激发留学生的学习兴趣[12-14]。

1 教学设计

在留学生液压与气动技术课程实践教学过程中,改变以授课老师单向讲解为主的教学方式,采用师生互动、教学相长的创新性全英文教学模式。以培养留学生的创新能力和科研素养为核心,以创新能力培养、科研素养塑造、工程实践检验为脉络,从液压与气动技术理论教学到实践教学设计贯通培养留学生。针对留学生动手能力强的特点,该课程共32学时,其中课堂理论讲授22学时,实践教学为10学时。

第一阶段,理论教学。通过22学时的理论课教学使留学生掌握液压与气动技术基础知识,包括流体力学基本理论、典型元件的结构特点和工作原理及应用、液压与气动基本回路的组成、典型液压与气压传动系统的工作原理及应用,为实践教学打好基础。

第二阶段,实践教学。按照理论先行、实践并重的原则,留学生液压与气动技术实践课程在电子科技大学国家级工程训练中心的液压与气动实验室进行。在第一次进入实验室做实验时,老师会首先对留学生进行实验室安全教育,要求他们严格遵守实验室各项规章制度和仪器设备操作规范,以树立正确的实验室操作安全意识[15]。该课程2020年秋季学期有37名留学生,2021年秋季学期有11名留学生,2022年秋季学期有7名留学生。同时,课程配备了1名研究生助教,主要负责实践教学的辅导、实验报告和作业的批改等。

第三阶段,成绩评定。课程考核是评价留学生对所学知识掌握程度的重要手段[16],合理评定实验成绩是实践教学的重要环节。为使成绩构成科学合理,液压与气动技术课程采用百分制,平时占25分,实验占25分,期末占50分。平时成绩主要是按照理论教学部分的随堂作业完成情况评定,实验成绩考核主要根据留学生提交的实验报告质量评定,期末成绩以提交的课程报告来评定。由于部分留学生在国外,将雨课堂+腾讯会议的方式对整个实践教学过程进行直播,让身在国外的留学生也能体验实验的全过程。

2 元件拆装实验

2.1 实验目的和装置

液压与气动技术课程的理论教学中对于元件的结构特征和工作原理仅能呈现平面图和抽象的理论知识,当留学生解决实际工程问题时就会暴露出对液压或气动元件和系统的理解不足等问题。

元件拆装实验目的:

(1) 通过对液压与气动元件的拆装,熟练掌握齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、气缸、换向阀和溢流阀的组成、结构特征及工作原理。

(2) 通过这一环节可以帮助留学生对各种元件建立感性认识,并且可以从结构、工艺等方面深入理解液压与气动元件的工作原理及安装维护问题[17]。

元件拆装实验装置包括齿轮泵、双作用叶片泵、轴向柱塞泵、气缸、换向阀、溢流阀、内六角扳手等拆装工具,课件设计如图1所示。

图1 元件拆装实验课件设计Fig.1 Design of courseware for component disassembly experiment

在撰写元件拆装实验报告时,要求留学生们通过相关文献检索与分析,结合理论教学和实践教学中典型元件的组成、结构特点和工作原理,查找目前液压与气动技术领域的新元件、新结构及其工作原理。

2.2 实验内容

液压与气动元件的拆装实验作为第一个实践教学环节, 要求留学生在2个学时里使用拆装工具完成6个元件的拆装实验,包括齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、气缸、换向阀和溢流阀。

齿轮泵(型号CBN-E/F304)主要由一对相同的齿轮、传动轴、滚针轴承、前后泵盖及泵体组成。其拆卸后的齿轮泵如图2所示。首先引导留学生观察齿轮泵外形和读铭牌标记,确定齿轮泵型号、最大工作压力、排量等参数;通过两个油口的大小来判断吸油口(直径大)和压油口(直径小);观察齿轮啮合过程中密闭空间容积变化,确定主动轴转动方向。

图2 齿轮泵的组成Fig.2 Composition of gear pump

双作用叶片泵(型号YB1-2.5)主要由定子、转子、叶片和配流盘组成。其拆卸后的叶片泵如图3所示。

图3 叶片泵的组成Fig.3 Composition of vane pump

通过引导留学生对定子形状(类似椭圆)的判断,进而确定该叶片泵是单作用叶片泵还是双作用叶片泵。通过提问的方式,包括转子中叶片的个数、配流盘的作用、O型密封圈的作用、传动轴与孔的配合关系、入出口位置等,增加留学生对叶片泵工作原理的掌握。

轴向柱塞泵(型号2.5MCY14-1B)由配流盘、柱塞与滑靴、柱塞孔、斜盘、中泵体、前泵体、中心定位钢球等组成。其拆卸后的轴向柱塞泵如图4所示。通过对轴向柱塞泵工作过程的实物演示,引导留学生思考柱塞泵的输出压力比齿轮泵和叶片泵高的原因。

图4 柱塞泵的组成Fig.4 Composition of piston pump

气缸(型号MDBB32-250)由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成。其拆卸后的气缸如图5所示。通过引导留学生认识气缸型号中数字的含义,来确定气缸的缸径和行程; 引导他们找到气缸的缓冲装置的具体位置,同时采用内六角扳手调整缓冲阀。

图5 气缸的组成Fig.5 Composition of cylinder

手动换向阀(型号34SM-L10H-T)主要零件包括推杆、对中弹簧、阀芯、阀体等。其拆卸后的换向阀如图6所示。重点引导留学生观察和思考换向阀阀芯的形状和作用、阀体上油口的位置和作用以及弹簧的数量和作用。

图6 换向阀的组成Fig.6 Composition of directional control valve (DCV)

直动式溢流阀(型号P-B10B)主要由阀芯、阀体、调压弹簧、阀盖、调节杆和调节螺母组成。其拆卸后的溢流阀如图7所示。在取出阀芯时,引导留学生观察溢流阀进油口和出油口是否相通,进而深刻理解溢流阀的工作原理。

图7 溢流阀的组成Fig.7 Composition of relief valve

2.3 元件拆装实验实施过程和效果

留学生共分为6组参与拆装实验,完成了齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、气缸、换向阀和溢流阀6个元件的拆装,如图8所示。由于部分留学生在国外,在小班教室多媒体设备上安装有摄像头,通过雨课堂+腾讯会议的在线直播,国外的留学生可以通过在线视频观看拆装实验的全过程。留学生一边拆装一边与老师讨论,结合课堂理论讲授的元器件的知识,与实物一一对照。

图8 留学生参加元件拆装实验过程图片Fig.8 Photos of foreign students participating in component disassembly and assembly experiments

为了进一步加深对元件结构的理解,留学生分组提交了元件拆装实验报告, 如图9所示。通过元件拆装实验,提高了留学生团队协作能力和理论结合实际的能力,夯实了液压与气压传动理论基础。通过对元件的拆装,熟练掌握了元件的结构特征及工作原理,让所授的理论课中的专业知识能够在实践课程中得到验证,同时留学生能够利用理论知识来解释实践课程中遇到的问题。

图9 留学生提交的元件拆装实验报告Fig.9 Component disassembly and assembly experimental report submitted by foreign students

3 液压与气动回路设计与搭建实验

3.1 实验目的和装置

回路设计与搭建实验目的:

(1) 了解JDY-A型机电液气综合实验台的组成结构、特点及基本操作,通过学生自己动手操作,熟悉其实验平台;

(2) 综合应用所学理论知识分析和解决实际问题[18],自行完成液压与气动回路的设计与搭建。

液压与气动回路设计与搭建实验基于昆山巨林公司的JDY-A型机电液气综合实验平台(如图10所示),由实验操作平台、电气控制平台、电脑、数据采集系统等组成。实验操作平台包括液压泵站、空压机、常用液压与气动元件等。电气控制平台包括直流电源、继电器、按钮、开关等。

图10 机电液气综合实验台(JDY-A型)Fig.10 Mechanical, electrical, hydraulic and pneumatic test setup (JDY-A Type)

3.2 实验内容

JDY-A型机电液气综合实验平台不但可以帮助留学生完成基本液压与气动相关基础性实验,还可帮助留学生完成液压与气压传动的设计创新综合性实验[19]。根据回路系统原理图选择相应的元件、电气模块及导线连接控制线路,在实验平台上搭建回路,连接完成后开机验证回路工作情况。为了建设“高标准、高要求、高含金量”的留学生专业核心课程,鼓励留学生自行设计液压回路、气动回路以及相应的电气回路。

回路设计与搭建实验内容和步骤:

(1) 检查、熟悉实验台上的所有实验器材和设备的性能、用法;

(2) 留学生根据液压与气动回路设计与搭建实验指导书(如图11所示),并利用实验室提供的液压与气动元件平台,搭建不同的液压和气动回路(如表1所列),完成不同的回路功能测试[20];

表1 回路设计与搭建实验内容Tab.1 Experimental content of circuit design and construction

图11 液压与气动回路设计与搭建实验指导Fig.11 Experimental guidance for hydraulic and pneumatic circuit design and construction

(3) 实验完成后,拆除器件,将元件放回原处。

3.3 回路设计与搭建实验实施过程和效果

首先让留学生了解JDY-A型机电液气综合实验台的组成结构、特点及基本操作。通过提问的方式让留学生回答各种典型元器件的名称和作用,以验证课堂理论教学的效果。

熟悉其实验平台之后,留学生可基于实验平台选用行程阀、换向阀、节流阀、调速阀、继电器、接近开关等液压和气动元件。通过熟悉实验原理,再检验元器件性能是否正常,最后完成回路的搭建与调试。

留学生在检查所搭建的气动回路、液压回路、电气回路无误后,将气动三联件的调压旋钮或液压溢流阀旋松,通电开启气泵或油泵,待泵工作正常后,按要求调压。留学生做实验过程如图12所示。

图12 留学生参加回路设计与搭建实验过程图片Fig.12 Photos of foreign students participating in circuit design and construction experiments

留学生分组提交了回路设计与搭建的实验报告,如图13所示,包括实验过程视频和实验报告。通过液压与气动回路自主设计,不仅考察留学生对理论知识的掌握程度,更对留学生利用掌握的理论知识解决实际问题的能力提出了更高的要求。自主设计液压与气动回路是锻炼留学生创新能力最直接、最有效的方法。

图13 留学生提交的回路设计与搭建实验报告Fig.13 Circuit design and construction experimental report submitted by foreign students

4 管路水击实验

在留学生液压与气动技术实践教学环节中,将教学与科研密切结合,强调科学研究和工程实践并重,将先进的工程技术理念带入到实践教学课堂中,以实现“高含金量”的留学生专业核心课程。作者有幸在2012年获得国家自然科学基金青年基金项目支助,搭建了纯水管路水击过程实验平台。目前,该平台系统对本科生和研究生同时开放。

4.1 实验目的和装置

管路水击实验目的:

(1) 通过实验,增加对管路水击现象的认识,学习管路水击实验台组成、工作原理、基本操作, 巩固和加深课堂所学知识;

(2) 培养留学生能够将流体力学、工程基础和专业知识相结合,用于解决液压与气动技术领域的复杂工程问题。

管路水击实验平台如图14所示,包括压阻式压力传感器、离心水泵、水平直管路、快关阀门、流量计、直流电源、计算机和数据采集系统。水击实验工作介质为去离子水。

图14 管路水击实验平台Fig.14 Test platform of water hammer in pipeline

4.2 实验内容

管路水击现象是在液压系统中,当电机突然断电或者阀门关闭太快时,由于液流的惯性,产生水流冲击波,形成很高的压力峰值,从而破坏管路或其他液压元件[21]。

由于实现阀门快速关闭的方法很多,在该实践教学环节,鼓励留学生课后通过查找文献资料,对比不同的阀门快速关闭的方法和效果。

该实验平台通过从水箱释放的小球撞击阀座来模拟阀的突然关闭,以产生管路水击现象。留学生自行操作水击实验装置,利用数据采集系统记录管路水击实验数据。通过改变电机运行频率,调整管路初始流速,进而得到不同初始流速下管路水击压力脉动曲线。

4.3 管路水击实验实施过程和效果

让留学生了解水击实验平台的组成,由助教指导留学生完成压力传感器的供电与输出信号的线路连接、数据采集板的连接。开始实验时,首先检查阀门开闭情况及水箱初始水位,启动离心水泵并快速关闭阀门,同时进行压力数据的采集和记录,如图15所示。

图15 留学生参加管路水击实验过程图片Fig.15 Photos of foreign students participating in pipeline water hammer experiment

通过管路水击实验,留学生增加了对水击现象的直观了解,使抽象的理论知识具体化。留学生课后完成水击实验报告,如图16所示,从完成情况可以看出留学生通过课后查找资料、整理实验数据,进一步加深了对课堂中所学理论知识的理解,培养了留学生的实验探索能力、创新能力和科研素养。

图16 留学生提交的管路水击实验报告Fig.16 Water hammer experimental report submitted by foreign students

5 参观气动技术中心实践环节

作为第四个实践教学环节,为了建设“高含金量”的留学生专业核心课程,将SMC电子科技大学技术中心对留学生开放。日本SMC株式会社是全球知名气动元件供应商和气动技术研究的领先者,是世界级的气动元件研发、制造、销售商,SMC电子科技大学技术中心是电子科技大学与日本SMC株式会社合作建立的技术中心。该技术中心自2014年成立以来,承接了日本SMC株式会社筑波技术中心委托的气动技术国际合作项目,面向气动技术和电子技术领域进行了基础和应用研究,推进了气动技术和电子技术的创新和发展,培养了一批高素质的科学技术人才。

在留学生参观SMC电子科技大学技术中心时,老师为留学生讲解技术中心发展历史、SMC气动元件展示平台、SMC气动拾取演示装置的组成、工作原理、特点等,使留学生对本课程在生产实际中的应用有了更深入的了解,如图17所示。

图17 参观SMC电子科技大学技术中心Fig.17 Visiting technology center of SMC university of electronic science and technology of china

SMC气动元件展示平台包括标准型气缸、复合型气缸、摆动型气缸、气爪、真空元件、气动辅助元件、 电磁阀、传感器等部分。通过提问的方式让留学生回答气动元件的名称、功能及其相应的结构特点,包括入口、出口的位置、元件安装注意事项等。通过各种气动元件的展示,引导留学生思考液压元件与气动元件的区别,包括外形尺寸、元件重量、流体介质、工作原理、结构特征、功能等。

SMC气动拾取演示装置由日本SMC株式会社捐赠,主要用于本科生教学。该装置集成了气动、电动和真空搬运系统,通过多工位模拟演示工业生产中的工件搬运、多点位精确停止、抓取、真空吸附、工件翻转、测工件长度及显示等功能,如表2所列,其中工件形状为圆柱体。演示装置包括七个工位和一个中心旋转摆台,不同的工位采用不同的气动执行元件和电动执行元件完成相关功能演示。同时,引导留学生对比气动系统与电动系统的区别和各自的优缺点。

表2 演示装置各工位的功能Tab.2 Functions of each station of demonstration device

留学生能够通过观摩气动拾取演示装置的工作过程,直观认识气动元件与电动元件的无缝结合以及气动系统在工业生产流水线上的应用,培养留学生在工程应用中发现问题、分析问题和解决问题的能力。

6 结论

通过留学生液压与气动技术课程实践教学的设计,同时将科研案例与教学密切有机结合,能够使留学生将流体力学和液压与气动技术中的抽象概念具体化,促进了留学生对流体传动与控制专业知识的深度理解,扩展了留学生的学术视野,增强了留学生的工程应用能力。只有在实践教学设计中不断创新,才能引发和加深留学生参与课程实践的兴趣,提高实践教学水平。