液压与气压传动一流课程建设探索与实践

施杰 杨琳琳 唐秀英 孙波 张鸿富

*项目来源：云南省一流本科专业建设项目“云南农业大学机械设计制造及其自动化专业”；云南农业大学一流本科课程建设项目“液压与气压传动”“可编程控制器原理及应用”（基金编号：2020YLKC019、2021YLKC045）。

作者简介：施杰、杨琳琳、唐秀英，副教授；孙波，正高级工程师；张鸿富，讲师。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.10.055

摘  要  建设一流课程是建设一流专业、一流学科乃至一流大学的核心工作。在“双一流”建设背景下，针对液压与气压传动课程建设与教学方面存在的问题，从课程教学理念、课程目标、课程内容、课程教学设计、课程管理与评价等方面入手，探索和实践向混合式教学模式转变、引入虚拟仿真软件、引入数字化建模与3D打印技术、加强与相关课程的交叉融合、改进课程教学评价机制等一流课程建设措施。实践表明，上述措施能有效改善课程教学效果，对于其他一流课程建设具有一定的参考和借鉴价值。

关键词  一流课程；液压与气压传动；混合式教学；虚拟仿真；OBE理念；数字化建模；3D打印技术

中图分类号：G642.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）10-0055-04

0  引言

目前，我国高等教育已从大众化进入普及化阶段[1]，同时高等教育也步入改革的深水区。为了建设教育强国，提升高校的国际竞争力，教育部等多部门于2018年8月发布《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》，明确提出“双一流”建设的基础性任务是一流本科教育和一流师资队伍，致力培养拔尖创新人才，提升科研水平，推进成果转化，实现高等教育治理能力现代化，并与国际接轨[2]。2019年10月，发布《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》，进一步强调课程是专业构成的基本单元，课程在人才培养中处于核心地位，课程质量直接决定了人才培养质量[3]。因此，要实现教育强国，建设一流专业、一流学科，加强一流课程建设是基础和关键。

液压与气压传动是机械类专业的一门核心课程，该课程具有较强的综合性、应用性和实践性。课程内容涵盖液压与气压传动基本原理、液气压元件工作原理与基本结构、液气压回路的组成与工作原理、典型液气压系统工作原理、液气压系统分析与设计方法等内容。通过课程学习，要求学生能在理解有关液压、气压元件结构和工作原理基础上，掌握液压、气压系统回路的工作特性和应用场合，培养学生必要的分析和设计能力，具备解决复杂工程问题的能力。

本文在“双一流”与“新工科”建设背景下，针对液压与气压传动在课程建设、教学等方面存在的问题，通过对课程教学理念、课程目标、课程内容、课程教学设计、课程管理与评价等方面进行改革，提出了一些一流课程建设措施，并对此进行实践探索。

1  课程概况与存在的问题

学校的液压与气压传动课程自1998年创办机械设计制造及其自动化专业起开设，历经20多年的发展，教学团队对课程开展持续建设与改革。2000年，“不断改进液压传动课程教学方法提高教学质量”获校级教学成果二等奖；2002年，该课程被列为校级一类建设课程；2005年，“液压传动课程教学建设创新研究与实践”获校级教学成果三等奖；2012、2013年，“液压传动课件”获校级一等奖和省级三等奖；2015年，“液压传动微课程”获校级二等奖；2017年，包含该课程建设的“农业院校机械类专业学生信息技术应用能力的培养研究与实践”获校级教学成果三等奖；2020年，该课程被遴选为校级一流本科课程；2021年，包括该课程建设的“地方农业院校机械类专业智能制造人才培养探索与实践”获校级教学成果一等奖；2021年，该课程被省教育厅推荐申报第二批国家级和省级一流本科课程。

虽然液压与气压传动课程通过持续建设取得一些成绩，但还存在不少问题。例如：课时少而内容多，教师为了完成教学内容，还是采用填鸭式教学，师生之间互动少，导致学生的学习主动性不高；由于实验条件不足，课程实践环节学生学习质量和参与度都不高；教学中重理论轻实践，学生难以学以致用，更难以达到解决复杂工程问题的目标；教师大多没有企业工作经历，缺乏足够的实际工程经验。

以上问题都是在进行一流课程建设过程中需要着力解决的重点和难点。

2  一流课程建设探索与实践

根据教育部《关于一流本科课程建设的实施意见》对一流课程的遴选标准及一流课程应具有高阶性、创新性和挑战度的“两性一度”特点[4]，在液压与气压传动一流课程建设过程中，教学团队从转变教学模式、引入虚拟仿真软件、引入数字化建模与3D打印技术、加强与相关课程的交叉融合、持续改进课程教学评价机制等几个方面开展探索与实践。

2.1  由传统教学模式向混合式教学模式转变

随着“互联网+”、人工智能等技术的发展，传统以教师讲授为主的教学模式已经不能满足现代化教育教学的要求。而“以学生为中心”的混合式教学模式[5]能够充分发挥传统课堂和线上教学两者优势，取得较好的教学效果。液压与气压传动课程的混合式教学包括线上自主学习和线下理论教学两个部分，分为课前、课中和课后三个教学环节。首先，开展混合式教学的关键是要建设高质量的网络教学平台，因此，教学团队应用智慧树平台搭建液压与气压传动网络教学平台。在该网络平台上建设多媒体课件、微课视频、课程思政案例库、液压与气压工作原理动画库、习题库等模块，提供给学生进行自主学习。其次，对教学内容、教学方法、教学手段进行改革，将知识点碎片化，增加实际工程案例，并把课程思政案例与教学内容进行有机融合。通过在课前发布预习内容和问题讨论，收集学生学情与反馈；课中讲解重点和难点；课后发布课程作业和讨论，了解学生的学习情况，查漏补缺。最后，利用雨课堂、QQ群等工具完善师生间的互动沟通。将混合式教学引入液压与气压传动课程后，充分发挥信息技术的优势，师生能利用手机、智慧树、雨课堂等信息工具将线上与线下、自主学习与理论教学有机结合。有效调动学生的主动性、积极性，发挥教师在教学过程中的引导、启发和监控

作用。

2.2  将虚拟仿真软件引入理论和实践教学

液压与气压传动课程中的各类系统回路工作过程抽象难以理解、实践性强。同时，液压与气压传动实验室建设存在设备投入大、占用空间大和使用频率低等问题，从而导致实验室建设水平不高，难以满足理论和实践教学的要求[6]。针对这些问题，教学团队在教学过程中引入了Festo公司的FluidSIM仿真软件，该软件由用于仿真液压传动的FluidSIM-H和仿真气压传动的FluidSIM-P组成，图库中包含丰富的液压、气压和电气元件，可进行液压传动、气压传动、电气控制等回路的设计、测试和仿真。FluidSIM虚拟仿真将抽象的液气压回路工作原理直观显示为实际的运动形式，更易于学生加快对教学内容的理解。

节流调速回路由定量泵、溢流阀、节流阀和执行元件（液压缸或液压马达）组成，按照节流阀在油路中不同的安装位置，构成三种不同的回路形式：进口节流调速回路、出口节流调速回路和旁路节流调速回路。在教学中需要分别介绍回路的机械特性、功率特性和调速特性，存在理论枯燥难以理解的问题。可以通过对节流调速回路进行FluidSIM建模仿真的方式，在溢流阀和节流阀的出口处各接一个流量计，用以观测二者输出的流量；将节流阀改为单向节流阀，使执行元件回油从单向阀通过；并在执行元件上增设一个行程开关，行程到位后执行元件自动返回。在回路的仿真过程中，可以实时显示和控制回路的工作状态，观测到液压缸的位移、运动速度、输出力、节流阀开度、油口压力等状态量的变化情况。将虚拟仿真软件FluidSIM应用于教学，使得抽象、难以理解的液压与气压传动理论知识能够具体化、直观化地让学生接受，降低课程的教学难度；也有利于学生了解液压与气压传动系统的设计过程，观察系统工作过程中的状态变化，达到自主验证和设计液气压系统的目的。

2.3  将数字化建模与3D打印技术引入实践教学

3D打印是快速成型技术之一，也是一种增材制造技术[7]，是在数字化模型的基础上，将可粘合材料进行逐层打印，最终堆叠出物理实体。由于液气压元件的结构复杂，工作原理难以理解，在授课过程中让学生对元件结构进行3D建模和3D打印，能使学生更形象地了解液气压元件。3D打印的基础是建立液气压元件数字化模型，因此，在实践教学中需组织学生通过SolidWorks等建模工具对液气压元件进行测绘、三维建模、虚拟装配和干涉分析，再对数字化模型进行打印。以齿轮泵的3D打印实践教学内容为例，首先让学生在实验室中对齿轮泵进行拆装和测绘，深入理解其结构和工作原理；其次采用SolidWorks建立齿轮泵的三维数字化模型，并进行模型的虚拟装配与公差配合的检查；最后将三维模型转化为3D打印机可以识别的文件格式，导入打印软件进行切片处理和打印。

同时，液气压传动技术的发展也与先进制造技术密不可分。通常液气压元件内部结构较为复杂，特别是新型元件的流道、阀芯和阀体的结构更加复杂，传统制造方法已很难满足液气压元件的制造要求，而作为先进制造技术的3D打印为液气压元件的加工制造提供了很好的解决方案。所以将数字化建模和3D打印技术引入本课程，不但能满足实践教学的要求，还能扩展学生的综合技能，为今后工作打下良好基础。

2.4  加强与相关课程的交叉融合

液压传动技术与自动控制技术密不可分[8-9]，液压传动是实现机械运动和动力传递的手段，而控制技术是通过控制压力、流量、方向和速度来控制工作机构的运动达到所需的动作要求，只有两者配合使用才能实现对机械装备的控制要求。同时，在液压传动和控制系统中也涉及大量的油路和控制元件，需要相应的传感器、执行元件以及传感器信号处理器来实现精确地控制，从而实现系统安全、高效和可靠的运行。因此，将液压与气压传动、控制工程原理、可编程控制器原理及应用、传感与检测技术等课程进行交叉融合，才能让学生学以致用，凸显课程的应用性与趣味性。

教学团队在液压与气压传动课程教学设计中，就充分考虑了与可编程逻辑控制器（Pro-grammable Logic Controller，PLC）原理及应用课程的融合，将液气压传动系统的控制过程通过PLC来实现。PLC接收传感器检测到的液气压系统的流量、压力等参数，再通过对PLC的编程实现相关参数的调节，从而实现液气压系统的自动化控制。从制定教案、设计实验、组织学生参加液压传动和PLC技术竞赛等教学环节，将这两个领域的课程融合，既能够提高学生的机械、液气压传动理论水平，又能够培养学生编程、自动化控制的能力。

2.5  持续改进课程教学评价机制

基于专业认证的教学评价过程必须遵循持续改进这一核心理念[10]。因为，传统教学评价注重评价的评定性与选拔性功能，没有诊断性与改进性功能，是一种终结性评价。而基于专业认证的教学评价过程具有动态性和整体性，它的评估过程系统地贯穿课程教学、学习整个生命周期，是一种形成性评价。这种形成性评价既可以总结上一阶段学习效果并发现问题，又能对下一阶段教学进行改进。

OBE（Outcomes-based Education）是专业认证中的另一核心理念，它以培养学生核心能力为中心来构建培训体系，对人才培养模式进行重大变革。在高校专业教学模式中引入OBE理念，能对人才培养质量的提高起到积极作用[11]。教学团队按照持续改进与OBE理念的要求，将课程目标与学生毕业要求达成作为考核内容和考核方式设计的依据，采用过程评价与期末考核相结合的方式，综合评定课程学习成绩。课程总评成绩由平时成绩（课外自主学习、章节练习和实验操作）、3D建模与3D打印训练、FluidSIM仿真和期末考试（理论知识测试、案例分析等）组成，以综合评价学生分析问题和解决问题的能力。同时，加强探究式、项目式、论文式、报告答辩式作业评价方式，建立形成性动态评价过程，通过综合性和非标准化评价来保障人才培养质量。

3  结束语

打造“金课”、建设一流课程是一流专业建设的基础，更是提高人才培养质量的有效手段。本文针对液压与气压传动课程在教学、人才培养、一流课程建设方面存在的问题，从课程教学理念、课程目标、课程内容、课程教学设计、课程管理与评价等方面入手，研究由传统教学模式向混合式教学模式转变、将虚拟仿真软件引入理论和实践教学、将数字化建模与3D打印技术引入实践教学、持续改进课程教学评价机制等一流课程建设途径，并且对上述措施进行实践。

实践表明，上述措施能有效调动学生学习的主动性和积极性，课程教学效果得到改善。同时，这一研究成果对于机械类专业其他一流课程建设有一定的参考和借鉴价值。教学团队也认识到在今后工作中还需进一步确定清晰、准确的课程建设目标，将各类软硬件资源进行整合，通过优化课程内容、强化综合实践训练等措施，方能培养出知识、能力、素养等方面协同发展，具有较强工程实践能力和创新能力的复合型工程技术人才。

4  参考文献

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