OBE理念下液压系统建模与分析课程思政案例探索

王海芳　李亮　张荣闯

摘  要：新时代高等工程教育以立德树人为根本任务，课程思政是其核心举措，针对液压系统建模与分析课程思政存在的问题，构建显性专业知识-隐性思政知识双闭环教学模式，分析基于OBE理念的液压系统建模与分析课程的知识组成及目标导向，构建爱国主义、核心意识、导向教育、初心教育和创新教育五个方面的教学案例，实践表明，实现专业知识与课程思政的有效结合，从而促进学生思想、知识和能力的协调发展。

关键词：课程思政；目标导向教育；液压系统；建模与分析；教学案例

中图分类号：G641      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）18-0179-05

Abstract： Fostering virtue through education is fundamental task in the new higher engineering education era， and curriculum ideology and politics is its core measure. In view of the current problems of ideological and political curriculum of Hydraulic System Modelling and Analysis， a double-closed loop teaching model of explicit professional knowledge and implicit ideological and political knowledge is constructed. The knowledge composition and goal orientation of Hydraulic System Modelling and Analysis based on OBE concept is analyzed， and the teaching case design in five aspects of patriotism， core consciousness， guidance education， initial intention education and innovative education are constructed. The practice shows the combination of professional knowledge and curriculum ideological and political education is realized， thereby， the students' thoughts， knowledge， abilities， and qualities is promoted.

Keywords： course ideological and political education; outcomes based education; hydraulic system; modeling and analysis; teaching cases

习近平总书记在不同场合多次强调，落实立德树人的根本任务，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人[1-2]。《高等学校课程思政建设指导纲要》具体指出，要根据学科、专业和课程的特色和优势，深度挖掘提炼专业知识体系中所蕴含的精神内涵和思想价值，培养全面发展的社会主义建设者和接班人[3]。

新时代高等工程教育核心以立德树人为引领[4]，以工程严谨性、批判性思维与非标准化解决问题，培养跨学科、全球化、创新性的复合型工程人才。国际工程教育认证之《华盛顿协议》以目标导向教育（Outcomes Based Education，OBE）为理念，OBE理念重点强调学习和解决问题能力培养和训练，OBE理念教学下以“学生中心”，持续改进是学生学习成果的保障机制，最终实现全体学生的发展和成长，OBE理念的培养目标与新时代高等工程教育核心含义不谋而合。

课程思政是新时代高等工程教育的必然结果，课程思政以“立德树人”为根本任务，以学生为中心理念，是思政课程在专业课程中的延伸和提高，突破了思政课程的教育局限性，发挥着独特的隐性思政教育效力。液压系统建模与分析课程是从控制方法论的角度，研究液压传动与控制的组成、分析与设计的课程，让学生能够运用控制理论的基本原理和方法去分析液压传动与控制的动态性能。目前，国内部分相关的课程思政建设成果很有特色。

路珍等[5]提出以建设科技强国为教学目标的液压与气压传动课程思政“全链条”教学新模式，运用显性与隐性教育法相结合，融合真善美、知情意、点线面、赛创研的教学理念，达到育人和育才相结合的教育效果。张二亮等[6]围绕历史传承、科学精神、唯物思想和工匠精神等方面，建立了液压与气压传动专业知识与思政的映射关系，形成了思政设计-教学实践-反馈评价的综合教学体系，实现了专业教育和德育教育的有机融合。郁元正等[7]通过讲解液压与气压传动中动力元件、控制元件、执行元件和辅助元件等知识点背后的育人故事，引导学生认识知识与问题背后所蕴含的价值判断和哲学思维，形成了课程思政教学资源建设新路径。

毛海杰等[8]从自动控制原理课程特点与定位、基于课程思政内涵进行了思政元素提炼，以课程中“负反馈控制原理”为例进行了实施路径探索与实践研究。孟范伟等[9]用“智慧树”整合自动控制原理中的专业知识和思政元素，以“故事为主线”讲解枯燥的控制理论，用创新创业和实验体系锤炼学生实践能力，构建了全方位、多维度、全程育人的“德融课程、盐溶于汤”课程思政建设路径。张新荣[10]在工程教育认证理念指导下，从教学目标设计、教学内容整合、教学形式多样化等几个方面将思政元素映射融入进自动控制原理课程教学中，培养爱国情怀，提升学生工程素养和社会责任感。

以上成果对液压系统建模与分析课程的思政案例设计与实践起到了很好的示范作用，论文针对液压系统建模与分析课程教学存在的问题，构建显性专业知识-隐性思政知识双闭环教学模式，以OBE理念构建液压系统建模与分析课程的知识组成及能力导向，以案例为任务驱动，实现了专业知识与思政元素的有效结合，从而促进学生的思想、知识、能力、素质协调发展。

一  课程思政的问题及双闭环教育模式

液压系统建模与分析课程思政目前存在如下问题。首先，液压系统建模与分析课程集液压与气压传动和自动控制原理的相关内容，课程不仅有较高的液压实践要求，而且有较大的控制理论强度，学生对液压和控制系统理论的结合脉络不清，面对实际系统，无法做到用所学知识去分析解决；其次，传统教学模式下教师更多的是理论专业知识的灌输，教师对专业课程的思政认识不主动和不充分，专业知识和思政知识并行而不交叉，从而造成学生学习过程缺乏自主性，应试目的比较明显，背离了“以学生为中心”和“立德树人”的教学理念；最后，在市场经济和全球化背景多元价值观念冲击之下，尤其随着人工智能、大数据、自媒体等新型智能网络技术的不断发展，各种新型非主流媒体不断涌现，表达出的各种五花八门西方文化思想，对在校学生树立世界观、人生观和价值观有着相当影响。

针对上述问题，基于液压系统建模与分析课程内容，巧妙设计课程思政教学案例，思想政治理论恰当地运用到专业课中，从思想政治理论的角度去重新理解和运用专业课知识。构建如图1所示的显性专业知识-隐性思政知识双闭环教学模式，以思政反馈为内闭环，在专业知识中构建课程思政案例，突出专业知识思政内涵，教师通过“思政知识调节器”调整，激发学生对专业知识、思政知识的探索；以专业知识反馈为外闭环，以课程知识组成及目标导向为输入，教师通过“专业知识调节器”调整，协调学生学习专业知识和思政知识，在确保学生优良的思想品德基础上，更好地学习专业知识，从而实现显性专业教育和隐性思政教育相统一，既帮助学生塑造自主学习的良好习惯、掌握课程专业知识，又培养正确的思维方式，树立正确的判断、分析和执行事物的能力。

二  液压系统建模与分析课程知识组成及目标导向

OBE理念下，课程以学生为中心，强调工程需求导向，由工程需求导向决定培养目标，再由培养目标决定课程知识组成，在教学过程中，以学生学习成果和培养目标达成度进行持续改进评价，从而适应快速变化的工程需求，促成全体学生成功。

液压传动与控制系统在机械工程中主要起高精度和高性能的动力控制作用，因此机械类专业需要液压系统建模与分析课程提供液压传动与控制系统的结构组成和工作原理、液压控制阀、液压马达及液压缸的结构组成、工作原理和特性，机械伺服和电液伺服系统的动、静态特性分析、计算与仿真方法的内容。

按照OBE理念和上述专业需求，课程的知识组成及目标导向如下。

首先，掌握液压传动与控制系统的利用反馈原理构建伺服系统进行自动控制的机制，理解系统输入、比较、放大、执行、反馈元件和控制对象的定义和原理，熟悉稳定性、快速性和稳定性的性能指标，从而培养学生运用自动控制理论的原理去定义液压控制系统特性的能力。

其次，掌握液压圆柱滑阀的结构型式和工作原理、零/正开口四边滑阀和双边滑阀静/动态特性、受力分析和输出功率及设计准则，平板滑阀的结构及静态特性、受力分析，单/双喷嘴挡板阀的静/动态特性和挡板液流力及喷嘴阀的设计准则、射流管阀的工作原理和几何参数及静态特性，从而培养学生运用各种基础知识和方法建立不同液压放大元件数学模型的能力。

再次，掌握三/四通阀控液压缸流量连续性方程、液压缸和负载的力平衡方程、不同输入/输出方框图和传递函数、时间/频率响应分析，四通阀控/泵控液压马达流量连续性方程、液压马达和各类负载的力平衡方程、不同输入/输出方框图和传递函数、时间/频率响应分析，动力元件的负载特性、等效负载计算、动力元件的输出特性、负载特性与输出特性的匹配，从而培养学生运用流体、力学等知识建立不同液压动力元件数学模型的能力。

从次，掌握机液位置伺服系统模型构建及其稳定性分析、液压缸与负载系统模型构建及其分析结构柔度对系统稳定性的影响、引入动压反馈装置进行系统校正、带反馈螺母的液压转矩放大器模型构建及其稳定性分析，机械伺服系统综合设计及校正，从而培养学生运用机液伺服系统进行位置控制的能力。

最后，掌握力矩马达的组成，单级滑阀式和直接反馈两极、力反馈电液伺服阀的组成结构和工作原理及其静/动态特性，电液位置、力和速度伺服系统模型构建、稳定性及其误差分析，各类电液伺服系统综合设计及校正，液压能源与负载的匹配，从而培养学生运用电液伺服系统进行位置、力和速度控制的能力。

三  液压系统建模与分析课程思政教学案例设计

按照上述的液压系统建模与分析课程的知识组成及目标导向，主要从以下五个方面挖掘和设计课程思政教学案例。

首先，突出液压传动与控制理论发展过程中的爱国主义教育，在液压传动与控制系统理论与实践发展过程中，我国古代人民在控制实践中有着重要的奉献，现代科学家在理论与技术发展上也作出了突出贡献。具体案例如下：

以上古时期大禹治水为例，讲解大禹从鲧治水经验中反馈，改变了“堵”的模式，对洪水进行“疏”，从控制的角度，治水的过程中由“疏”变“堵”发挥了控制反馈思想，是一个典型的反馈控制过程。

以秦国蜀都太守李冰父子主持修建的都江堰水利工程为例，讲解都江堰工程鱼嘴分水堰主要起水分流作用，飞沙堰主要起排沙作用，宝水瓶主要起稳定调节水量作用，从控制的角度，都江堰工程是一个典型的闭环控制系统。

以我国科学家钱学森创立的工程控制论为例，讲解他研究在工程中实现自动控制与调节的理论以及自动控制与调节系统的结构原理，把各种工程控制系统的技术提炼为一般性的理论，为控制论在工程技术中的应用开辟了新的前景。

以我国科学家路甬祥提出地电液先导比例控制新技术为例，讲解他根据反馈创新性地提出了“流量检测力反馈”和“压力直接检测和反馈”，构建了电液比例控制技术的新体系，应用于阀控与泵控液压系统和马达，拓展了控制在液压中的应用。

以上案例从不同时代强化了我国在液压传动与控制装置及理论发展过程中的贡献，从而给予学生正确的思想引导，激发学生民族自豪感，从而引导学生增强国家认同，凸显爱国主义教育。

其次，突出液压传动与控制系统中的控制核心教育，控制阀是液压传动与控制系统中的核心，决定了系统的基本动态性能。中国共产党的核心地位是近代人民通过历史实践得出的必然结果。具体案例如下：

以平板型滑阀为例，讲解平板型滑阀属于转动类型的换向阀，借助平板阀芯与底盘之间的相对转动改变节流孔的面积以达到对流量或压力进行控制的原理，突出其为旋转式直接驱动伺服阀的主控核心地位，决定了力矩电机的效率及结构大小。

以圆柱型滑阀为例，讲解圆柱型滑阀属于平动类型的换向阀，借助圆柱阀芯与阀套之间的相对平动改变节流孔的面积以达到对液体流量或压力进行控制的原理，突出其作为最常用的单级放大器的核心地位，决定了伺服缸或马达的动态特性。

以喷嘴挡板阀为例，讲解喷嘴挡板阀属于节流式液压放大器，借助喷嘴与挡板间的环形面积构成的可变节流口，用于控制可变节流口的负载压力，随着输入挡板的小位移变化，引发喷嘴阀输出端的大功率变化，在系统中处于核心的放大作用。

以射流管阀为例，讲解射流管阀属于非节流式液压放大器，恒压/恒流液体经过射流管喷嘴向接收器喷射，液体动能转换为压力能，突出其紊态流动特性，抗污染能力，在小功率伺服系统中是核心的放大前置元件。

以上案例从不同结构角度强化了液压控制阀在系统中的核心功能描述，突出了液压阀在系统中的核心作用，进而从历史的角度，突出核心意识教育，从而引导学生坚决维护习近平总书记党中央的核心领导地位。

再次，突出液压传动与控制系统中动力元件的目标导向引领，动力元件是控制元件和执行元件集合体，决定了系统的方向、速度，形成了系统的目标导向。课程思政要坚持导向教育，突出专业知识和思政知识的目标导向教育。具体案例如下：

以阀控液压缸/马达为例，讲解根据流量连续性方程和负载力/力矩平衡方程，建立其传递函数，构建速度放大系数、液压固有频率、液压相对阻尼系数以及刚度的各类导向指标，从数学角度上定量描述阀控液压缸/马达的导向功能。

以泵控液压马达为例，讲解应用阀控液压缸/马达同样方法，在数学角度上定性定量地描述了泵控马达的导向功能，区别在于泵控液压马达为容积调速而阀控液压缸/马达为节流调速，目前泵控马达的导向性能更容易预测。

以阀-泵联控液压缸/马达为例，讲解随着工程需求的不断发展，简单的阀控和泵控动力机构稳定性、快速性和准确性不足以满足性能要求，因此出现了阀-泵联控液压缸/马达，大大拓展了动力元件的性能极限，突出了工程问题和发展导向。

以动力元件与负载匹配为例，讲解动力元件要拖动负载运动，需要计算惯性负载、弹性负载、摩擦负载和重力负载等形成的等效负载，使动力元件的输出功率能够包围负载功率轨迹，从而完成问题导向式的负载最佳动力元件参数设计。

以上案例从不同结构角度强化了液压动力元件在系统中的导向功能描述，突出了液压动力元件在系统中的指挥作用，进而从方法论的角度，突出导向教育，从而引导学生坚持问题导向、政治导向、发展导向、实干导向。

从次，突出机液伺服系统的初心教育，由机械反馈装置和动力元件组成的机液伺服系统，主要进行机械位置和速度控制，是最基础的伺服系统。我们党根植于人民，为人民服务，任何时候都要坚持不忘初心。具体案例如下：

以机液位置伺服系统为例，讲解系统由基础四边滑阀和液压缸组成，反馈利用杠杆实现，基于力平衡建立系统方框图和液压缸活塞输出位移模型，分析系统稳定性，以流量增益为基础进行稳定性调节，突出了结构和数学模型的基础地位。

以系统结构柔度对稳定性的分析为例，讲解由固定执行元件和联接机构等组成的系统柔度，与负载质量和液压谐振耦合，形成机械-液压综合谐振系统，其综合谐振频率限制了系统的带宽，突出了质量和压力-流量系数的基础调节稳定性地位。

以动压反馈装置为例，讲解欠阻尼的液压伺服系统通过增加旁路泄露或正开口滑阀增加了系统阻尼，但增加了系统泄露，而通过增加有层流液阻和空气蓄能器组成的动压反馈装置，有效增加了系统阻尼比，提高了系统的基础稳定性。

以液压转矩放大器为例，讲解由四边滑阀、液压马达、螺杆和螺母反馈机构组成的转矩放大器，马达的输出力矩完全跟随阀芯输入转动角度而转动，马达通过反馈机构放大了输出转矩，突出了系统的基础放大驱动功能。

以上案例从结构发展角度强化了机械伺服系统的基础功能描述，突出了机液伺服系统结构简单，工作可靠的基础特点，进而从发展的角度突出初心教育，从而引导学生从历史发展的角度正确分析党过去为什么能成功，未来更能成功的初心基础。

最后，突出电液伺服阀与系统的创新教育，由电子、电气元件组成的反馈装置和放大变换元件组成的电液伺服系统，是液压伺服系统的创新发展。习近平新时代中国特色社会主义思想亦是当代马克思主义中国化的具体创新发展，具体案例如下：

以电液伺服阀为例，讲解其由力矩马达、液压放大器、反馈装置组成，通过创新发展的力矩马达实现了电信号转化为力矩，通过反馈装置驱动液压放大器实现了流量、压力控制，电液伺服阀是一个典型的机械、电气创新发展的新型液压元件。

以自整角机伺服系统为例，讲解电液伺服系统的模型构建，伺服系统的动力机构无非阀控和泵控构型，而采取不同的输入装置、反馈装置和相应的放大元件、校正电子装置，就会构成各种创新发展的电液伺服机构。

以数控机床工作台位置伺服系统为例，讲解明确设计要求、确定控制方案、绘制原理图、进行静态和动态特性分析、校验系统静动态特性、确定液压动力的系统设计流程，同时引入仿真软件将此流程过程程序化，体现出设计的创新发展。

以液压能源的选择为例，讲解液压能源除了压力、流量、油液清洁度等各方面的基础要求，同时还要有压力和流量稳定性的进阶要求，更有能源最大功率点应接近负载特性曲线的最大功率点的优化要求，体现了液压能源不断创新发展的趋势。

以上案例从发展角度强化了电液伺服阀与系统的创新描述，突出了电液伺服阀与系统结构紧凑，动态性能更好等创新特点，从发展的角度突出创新教育，从而引导学生认识党的理论根植于时代发展，持续实现理论和实践创新。

四  结束语

液压系统建模与分析课程思政教学案例已经应用于课程教学实践中，通过液压传动与控制和自动控制原理双重知识的加持，基于显性专业知识-隐性思政知识双闭环教学模式，突出了OBE理念下的课程知识组成及目标导向，从五个方面挖掘和设计了课程思政教学案例，学生普遍反映，不仅收获了液压和控制的专业知识，也对党的思想、国家的发展有了更深入的了解。另外，课程获得了河北省高等学校教学改革研究与实践项目、东北大学秦皇岛分校课程思政示范项目和东北大学秦皇岛分校一流本科课程建设项目资助。实践表明，OBE理念下液压系统建模与分析课程思政案例探索比较成功，但课程思政一直在路上，唯有不断努力，坚持专业和思政同向同行，持续改进，才能为立德树人更立新功。

参考文献：

[1] 习近平.把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面[N].人民日报，2016-12-9（1）.

[2] 习近平.用新时代中国特色社会主义思想铸魂育人 贯彻党的教育方针落实立德树人根本任务[N].人民日报，2019-03-19（1）.

[3] 教育部关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知[EB/OL].（2020-06-05）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html？eqid=bd988cfd0003ee5500000003642e6a65.

[4] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[5] 路珍，张青松，葛磊，等.“精准思政”视域下液压与气压传动课程教学模式探析[J].液压与气动，2022，46（4）：181-188.

[6] 张二亮，周洋，刘兰荣，等.“液压与气压传动”课程思政设计与实现路径[J].教育教学论坛，2022（31）：49-52.

[7] 郁元正，张索，王瑞权.课程思政背景下的教学资源建设路径探索——以“液压与气压传动”课程为例[J].教育教学论坛，2023（11）：113-116.

[8] 毛海杰，刘微容，李炜，等.“自动控制原理”课程思政研究与实践[J].电气电子教学学报，2022，44（5）：67-71.

[9] 孟范伟，石鹏，何朕，等.基于“以思促改，盐溶于汤”的专业课程思政建设与实践[J].高教学刊，2023，9（3）：149-153.

[10] 张新荣.工程教育认证背景下自动控制原理课课程思政教学探索与实践[J].高教学刊，2023，9（14）：189-192.

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一流本科专业建设项目“机械工程”（2021YLZY-04）；东北大学秦皇岛分校课程思政示范项目“液压气动技术”（2022KCSZ-B21）；东北大学秦皇岛分校一流本科课程建设项目“液压气动技术”（2023YLKC-A04）

第一作者简介：王海芳（1976-），男，汉族，山西高平人，博士，副教授，系主任，硕士研究生导师。研究方向为流体伺服控制及其元件可靠性，机器人技术。