以能力为导向的流体传动技术课程群建设探索及实践

王海芳 陈利强 吕超

摘    要：针对国家创新工程人才的培养需求和流体传动技术课程群的内容，东北大学秦皇岛分校基于OBE（成果导向教育）理念，以能力需求为导向，开展流体传动技术课程群建设及实践。文章通过分析流体传动技术课程群的能力导向，提出了双层式课程群协同教学体系，以项目教学法为核心，辅以相应的工程仿真软件支撑，使学生实现了“学”与“做”的有效结合。教学改革中采用了项目组和教师组“双向”评价方法，实现组内评价和过程性评價相结合。实践表明，课程群教学改革更好地提升了学生分析问题、解决问题的能力。

关键词：课程群;流体传动;能力导向教育;项目教学;教学改革

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2023）10-0049-04

一、引言

德国于2013年公布的《德国工业4.0战略计划实施

建议》和我国于2015年公布的《中国制造2025》都旨在推进工业的智能制造，这就要求我国高等工程教育要培养出智能制造所需要的具有创新思维和综合理论及技能的复合工程技术人才。成果导向教育（Outcome based educa-tion，简称OBE）是一种面向市场需求的、重点强调学生能力培养和能力训练的教育理念，强调学生学习的主动性及“学”与“做”的有机结合，实践表明，OBE理念有助于实现复合工程技术人才的培养[1]。

流体传动是与机械传动、电气传动并行的能量传输方式，流体传动不受严格的空间位置限制，利用管道连接，布局灵活，易于实现直线运动、无级变速和自动控制。流体传动元件属于机械工业基础件，标准化和通用化程度较高，有利于缩短设计制造周期和降低制造成本。因此，流体传动技术在各个行业中得到了广泛应用。流体传动技术是机械类专业的基础知识，流体传动技术类课程既包含流体力学、控制技术等抽象数学理论知识，又包含流体元件及系统的实际模型知识，还有课程实验及设计的实践环节，内容比较繁杂。目前，流体传动技术类课程之间相互割裂，内容整合衔接不好，缺乏连贯性，存在内容重复、知识重叠等问题。

在传统教学过程中，通常是先理论后实验，以理论为主，以实验为辅，此类教学模式简单可行，能满足初步的被动式教学需求，但存在很多不足。第一，此类教学模式以教师为主体，以理论知识传授为教学目标，教学设计往往自上而下进行，本质上背离了“以学生为中心”的教学理念，学生缺乏自主学习的积极性[2]。第二，课程群中的“工程流体力学理论”及“控制技术”课程主要讲授流体的基本特性，流体的静、动平衡和运动规律，自动控制系统在液压系统中的应用，其内容大多以基本概念和理论公式推导为主，是分析元件与系统的“流体力学”“控制技术”的理论和计算方法支撑，理论难度大，学生理解起来比较难。第三，由于流体传动的特殊性，元件和回路大多是在密封的条件下工作，尽管有元件和系统动画的支持，但是元件内部的细节无法展示给学生，教学的直观性相对较差，学生掌握元件与回路的原理及构成比较困难。第四，“液压气动课程设计”目前多以常规的单执行元件为基础进行课程设计，设计的多样性、创新性、挑战度相对不足，在设计过程中，应用仿真软件环节缺失，无法及时体现设计过程参数对结果的影响。综上所述，目前，流体传动技术课程群的教学与实践改革应基于能力导向，强化工程背景，加强学生在复杂工程实践中的训练和提升解决复杂工程问题的能力。

流体传动技术课程群基于工程教育认证的课程毕业标准构建课程群能力导向，以“工程流体力学”课程作为课程群理论前序，以“液压气动元件与系统”和“液压控制系统”课程作为课程群元件与系统拓展，以“液压气动课程设计”课程作为课程群实践环节，通过整合、更新和充实上述课程及实践的教学内容，实现内容的有机集成。采用课程群项目制教学方法，师生通过项目参与教学全过程，构建“双向”评价方式，实现过程评价，从而促进学生的知识、能力、素质协调发展。

二、流体传动技术课程群的能力导向

按照工程教育认证的课程毕业标准，流体传动技术课程群的能力导向如下[3]。

1.掌握流体传动静力学、动力学、管路流动及其阻力、孔口和管嘴流动及其损失、相似原理与量纲分析等知识及常用工程数值分析方法。培养学生运用流体力学知识分析和解决工程问题的能力，为学生学习流体传动技术后续课程打下坚实的流体力学基础。

2.掌握流体传动动力、执行、控制、辅助元件和基本回路的工作原理、典型结构、工作特性、参数计算和适用场合等。培养学生流体元件和基本回路的选型、计算和分析能力，为流体传动系统搭建打下坚实的元件和回路基础。

3.熟悉流体伺服放大、动力和伺服元件的工作原理和特性，流体伺服系统的动、静态特性分析，计算与仿真方法。培养学生流体伺服元件和系统的分析、计算和仿真能力，为流体伺服系统构建打下坚实的元件和系统的原理及特性基础。

4.综合课程群先修课程的知识内容，针对实际的流体传动工程问题，学生运用前序知识合理地构建满足设计要求的流体传动系统。培养学生合理选用各种流体传动元件，同时能对系统进行初步计算和仿真，从而完善流体传动系统的设计的能力。

三、流体传动技术课程群的构建

流体传动技术课程群以培养学生流体传动技术能力为目的，整合流体传动技术主题相通、内容关联的课程，由追求单门课程内容的严密、完整转换为课程群内部的衔接、完善，课程群之间既相对独立又上下贯通，完成了流体传动技术课程群“大课程”的布局。

流体传动技术课程群以“工程流体力学”“液压气动元件与系统”和“液压控制系统”课程知识为理论基础模块，以“液压气动元件与系统”“液压控制系统”和“液压气动课程设计”课程的实验与实践部分为实验及实践模块，各门课程间相互联系、相互支撑、交叉综合，删减了大量重复知识，构建了一个完整的流体传动技术课程群（图1）。课程群整合流体传动技术方面的相关课程，理顺了课程内容的关系，促进了课程结构的优化，形成课程建设的超集合专业建设的子集。

“工程流体力学”课程主要讲授流体平衡和运动规律，建立描述各类流体运动的基本方程，确定流体经过各种通道及绕流不同物体时的速度、压力的分布情况，探求能量转换及各种阻力损失的计算方法，并解决流体与限制其流动的固体壁之间的相互作用问题，其提供了流体传动的基础流体理论和计算方法支撑。

“液压气动元件与系统”课程主要讲授液压泵、液压马达与液压缸、液压控制阀、液压辅件、液压基本回路、典型液压系统和液压系统设计计算、气源装置及气动元件、氣动回路、气动逻辑和气压传动系统设计计算，其提供了流体传动的元件和系统的原理、构造和基础设计的理论计算支撑。

“液压控制系统”课程主要讲授液压伺服控制的基本组成和原理，液压放大、动力和控制元件的组成和原理，机液和电液系统的动、静态特性分析与设计，其提供了流体控制的元件和系统的原理、构造和基础设计的理论计算支撑。

“液压气动课程设计”课程结合理论知识，以典型液压气动系统为实例，阐述了液压气动传动系统的具体设计计算、缸的结构设计、油箱、气路及泵站结构设计、各类元件的集成组合，并进行液压气动常用元件的实际计算和选型，其提供了流体传动的元件和系统设计计算的实践支撑。

四、基于项目制教学方法的课程群建设

流体传动技术课程群以项目制为教学方法，突出学生的能力培养，构建顶层课程群内容优化设计—底层课程项目制教学设计的双层式课程群协同教学体系（图2）。顶层课程群内容优化设计根据机械工程专业培养目标和知识体系，实现基于OBE理念的课程群结构和教学内容整合优化，包括调整教学大纲、优化教学内容和编写合适的讲义等。底层课程项目制教学设计根据具体的课程内容，将传统学科体系中的知识内容转化为若干个教学项目，同时辅以相应的工程仿真软件支撑，围绕项目开展教学，学生自主学习，直接参与教学全过程，实现了“学”与“做”的有效结合[3]。

在“工程流体力学”课程理论知识讲解过程中，设置4大类项目，具体如下。流体静力学和动力学类项目，内容包含连续性方程、伯努利方程的应用、总水头线和测压管水头线、动量方程的应用;流动阻力和能量损失类项目，内容包括层流运动和紊流运动、计算各类流体能量损失的方法;孔口管嘴管路流动类项目，内容包括管路的串联和并联的计算规律、管路的计算基础和方法;气体动力学类项目，内容包括气体流动基本方程、气体的气流参数与通道面积的关系、气体管道中的流动。课程引入有限元流体仿真软件[4]，通过数值方法求解流体运动的整个过程，得出流场中力、速度等参数的定性和定量分析。将抽象的流体力学知识通过仿真软件直观地表现出来，从而激发学生的学习兴趣。

在“液压气动元件与系统”课程理论、实验知识讲解过程中，设置4大类项目，具体如下。动力元件类项目，内容包含柱塞泵、叶片泵、齿轮泵、螺杆泵、气源部分的原理、基本组成和计算;执行元件类项目，内容包含齿轮马达、柱塞马达、叶片马达、液压缸和气缸的原理、基本组成和计算;控制和辅助元件类项目，内容包含方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀、气动检测元件、气动逻辑元件和辅助元件的原理、基本组成和计算;常用基本回路和典型设备回路类项目，内容包含压力控制回路、速度控制回路、方向控制回路、多执行元件回路、动力滑台、压力机液压系统和气动机械手的原理、基本组成和计算。课程中以元件和系统为对象，应用三维建模软件[5]，将元件复杂的内部结构、工作原理进行动画仿真和视频实物讲解，使学生可以直观地了解结构原理。

在“液压控制系统”课程理论、实验知识讲解过程中，设置4大类项目，具体如下。液压放大元件类项目，内容包括滑阀的结构、静态特性、受力分析、输出功率及设计、喷嘴挡板阀和射流管阀的原理;动力元件类项目，内容包括三通阀控液压缸、四通阀控液压缸和液压马达、泵控液压马达、液压动力元件与负载的匹配;机液伺服类项目，内容包括位置伺服系统、结构柔度对系统稳定性的影响、动压反馈装置和液压转矩放大器的组成;电液伺服阀及其系统类项目，内容包括电液伺服阀的原理、组成、分类和特性，电液位置、速度和力控制系统的动、静态特性分析、设计和校正。课程理论抽象，数学性较强，因此引入MATLAB软件[6]，用软件程序实现理论的仿真，学生可直接参与程序的构建、调试及运行，教学直观生动，教学效果得到改善。

在“液压气动课程设计”课程实践环节，设置3大类项目，具体如下。少执行元件传动类项目，执行元件1或2个，主要内容包括一般液压气动系统设计计算，强调对回路的理解和元件的基础选取，满足一般的系统要求;多执行元件传动类项目，执行元件3个以上，除了基本设计计算外，还需要考虑多执行元件之间的联系，满足复杂系统的联动要求;伺服控制类项目，除了满足常规的压力、流量设计要求，还需要考虑控制系统的静态、动态特性的指标，满足较高的伺服系统要求。在设计计算过程中，引入AMESim仿真软件[7]，让学生对设计的系统进行仿真演算，验证设计的可行性，提高设计效果。

五、课程群“双向”评价方法及效果

结合课程群项目制教学方法改革，每门课程的考核方式由传统的“平时成绩+实验成绩+考试成绩”改为

“项目成绩+实验成绩（课程设计无）+考试成绩（课程设计无）”。将平时成绩纳入项目成绩中，提高项目教学考核比例，项目成绩实行项目组和教师组“双向”评价方法（图3）。项目组评价，针对项目的参与度、分工度和贡献度进行组内评价，引入同行竞争机制，有效避免组内学生之间的“打酱油”现象，充分发挥每个学生的主观能动性;教师组评价，针对项目的过程、汇报和答辩进行多位教师评价，注重项目执行的过程性评价，多位教师多元考核，客观公正，及时探究项目中的各种问题，从而发现学生的长处和不足，提高学生的能力。

以机械工程专业学生为依托，实施以能力为导向的流体传动技术课程群建设及实践教学改革，教学改革前后的课程成绩和科技竞赛获得奖励的数量统计对比如表1所示，参加课程群教学改革的学生获得奖励数量同比相应的改革前课程最终成绩总体提高了8.2%，说明学生对液压传动技术专业知识的理解普遍增强。参加课程群教学改革的学生在全国大学生机械创新设计大赛、全国三维数字化创新设计大赛、全国大学生机械工程创新创意大赛和全国大学生工程训练综合能力竞赛中多次应用流体传动知识和相应的工程软件，获得国家级奖励数量增加了50%，说明学生对流体传动知识及软件的应用能力得到了加强，学生的分析和解决实际工程问题的能力得到了提升。

六、结束语

针对国家创新型工程人才的培养需求，东北大学秦皇岛分校按照《工程教育认证标准》，分析了流体传动技术类课程群的能力导向，提出了以能力为导向的流体传动技术双层式课程群协同教学体系，实现了基于OBE理念的课程群结构构建和教学内容整合优化，通过基于项目制教学方法的实施，辅以相应的工程仿真软件支撑，使学生更加自主融入教学全过程，实现了“学”与“做”的有效结合。同时，增加了项目组和教师组“双向”的评价方法，更好地进行课程交流反馈。教学改革后的课程成绩及竞赛成绩表明，学生对流体传动技术专业知识的理解普遍增强，学生应用流体传动知识和工程软件解决实际问题的能力得到了提升。

参考文献：

[1]  姚静，王佩.基于OBE教学理念的项目驱动式专业课程教学设计：以“液压与气压传动”为例[J].教学研究，2017，40（3）：87.

[2]  孟爽，李德溥，卜迟武.翻转课堂在“液压与气压传动”实践教学中的应用研究[J].黑龙江教育（理论与实践），2020，74（4）：72.

[3]  曹阳，马军，都金光，等.系统工程视角下OBE理念导引的机械专业人才培养模式探析[J].大学教育，2022（10）：244.

[4]  杨杰，刘建英，刘盛余，等.工程流体力学理论与数值计算相结合的教学改革[J].广东化工，2021，48 （13）：263.

[5]  倪君輝，詹白勺，余伟平.基于项目教学的液压与气压传动课程综合改革[J].实验室研究与探索，2017，36（11）：182.

[6]  陈新元，傅连东，蒋林.机电系统动态仿真：基于MATLAB/Simulink[M].北京：机械工业出版社，2019：197.

[7]  张袁元，颛孙随意，辛江慧，等.以能力达成为导向的“流体力学与液压传动”课程设计的教学探索与设计[J]. 科技风，2021（1）：20.

收稿日期：2022-12-20                                                          修回日期：2023-02-15

作者简介：王海芳（1976—），男，山西高平人，东北大学秦皇岛分校控制工程学院副教授，博士，研究方向为流体伺服控制及其元件可靠性、机器人技术。

基金项目：河北省高等学校教学改革研究与实践项目“‘机械控制工程课程思政教学案例库设计与实践”（2021GJJG428）;东北大学秦皇岛分校重点教改项目“基于学习产出模式的‘液压气压技术课程项目教学探讨”（2020JG-A01）、一流本科课程建设项目“液压气动技术”（2023YLKC-A04）、课程思政示范项目“液压气动技术”（2022KCSZ-B21）、一流本科专业建设项目“机械工程”（2021YLZY-04）