虛實融合的《液壓傳動及控制技術(shù)》多層次混合式實踐教學(xué)模式研究

商執(zhí)億，劉冰，陳珊，張改萍

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安)

一 引言

學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的提升往往能使教學(xué)過程達(dá)到事半功倍的效果，要想提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，就需要不斷改進(jìn)教學(xué)模式，探索更加合適的教學(xué)方法。教育部印發(fā)的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》中也提出：“以學(xué)生發(fā)展為中心，通過教學(xué)改革促進(jìn)學(xué)習(xí)革命，積極推廣小班化教學(xué)、混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂，大力推進(jìn)智慧教室建設(shè)，構(gòu)建線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式。因課制宜選擇課堂教學(xué)方式方法，科學(xué)設(shè)計課程考核內(nèi)容和方式，不斷提高課堂教學(xué)質(zhì)量。積極引導(dǎo)學(xué)生自我管理、主動學(xué)習(xí)，激發(fā)求知欲望，提高學(xué)習(xí)效率，提升自主學(xué)習(xí)能力。”由此可見，形式多樣且合適的教學(xué)方法對提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的重要性[1-3]。

《液壓傳動及控制技術(shù)》是一門機(jī)械類專業(yè)的核心課，該課程實踐性高、受眾面廣，目前該課程在本校的機(jī)械設(shè)計制造及自動化、機(jī)械電子工程、機(jī)械工程和智能制造專業(yè)都有開設(shè)。從多年開展的實踐教學(xué)效果來看，仍然存在如下問題：

1.該課程實驗教學(xué)內(nèi)容多為基本的液壓回路性能實驗，與工程實踐相差較遠(yuǎn)，創(chuàng)新性低，學(xué)生不了解所學(xué)知識如何在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用，不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，需在實驗內(nèi)容中加入與工程實踐緊密相關(guān)的內(nèi)容。但同時因?qū)嶒炘O(shè)備有限，部分液壓綜合性系統(tǒng)需借助虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)。

2.液壓閥類元件種類較多，結(jié)構(gòu)和功能各有不同，閥體都采用了封閉式的結(jié)構(gòu)，學(xué)生無法直觀地了解閥體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。實驗教學(xué)枯燥，不能夠讓學(xué)生全面深刻了解液壓系統(tǒng)工作原理，導(dǎo)致教學(xué)過程中部分學(xué)生的積極性不高。

3.液壓實驗設(shè)備購置已有十二年，部分閥體漸漸出現(xiàn)了損壞和漏油的情況，能投入實驗教學(xué)的設(shè)備臺套數(shù)逐漸減少，同時因設(shè)備價格過高，更新?lián)Q代需要一個周期，導(dǎo)致目前實驗教學(xué)開展困難變大。

4.實驗教學(xué)方法單一，無法滿足特殊情況下的教學(xué)需求（如：疫情防控期間）。需開發(fā)形式多樣的實驗教學(xué)方法，滿足線上線下教學(xué)的需求。

因此，有必要改進(jìn)實踐教學(xué)的模式，創(chuàng)新實踐教學(xué)的內(nèi)容，開發(fā)更具創(chuàng)新性、綜合性、開放性的實踐教學(xué)內(nèi)容[4-5]。

二 虛實融合的實踐教學(xué)改革研究思路

液壓傳動仿真可以輔助解決實踐教學(xué)中的一些問題，滿足實際實驗無法實現(xiàn)的需求[6-7]。目前市面上有很多液壓傳動仿真軟件，功能多樣且軟件操作大多比較簡單，容易上手。液壓傳動仿真技術(shù)的引入不僅可以使學(xué)生能更加直觀地了解液壓元器件的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，而且可以更加有效地參與到液壓回路的設(shè)計、仿真、檢驗中。對教師而言，可以依托液壓仿真軟件，豐富實踐教學(xué)內(nèi)容，探索更加合理的實踐教學(xué)方法。本文擬采用比較成熟的FluidSim 軟件。

液壓傳動虛擬現(xiàn)實仿真作為另一種的仿真技術(shù)，有其獨特的優(yōu)點。將該技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)中，可以使學(xué)生身臨其境地參與到學(xué)習(xí)過程中，帶給學(xué)生不一樣的學(xué)習(xí)體驗，大大增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[8]。本校的虛擬仿真實驗室建于2018 年，并依托該實驗平臺開發(fā)了液壓傳動虛擬仿真實驗系統(tǒng)，本項目擬將該系統(tǒng)應(yīng)用到液壓傳動實踐教學(xué)中。

本項目擬將液壓傳動仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中。探索虛實融合的《液壓傳動及控制技術(shù)》多層次、混合式實踐教學(xué)方法。以提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力為目標(biāo)，具體完成虛實融合的液壓傳動及控制實踐教學(xué)體系的構(gòu)建、液壓傳動及控制實踐教學(xué)方法的探索及實踐內(nèi)容的設(shè)計、實踐考核方式及教學(xué)反饋環(huán)節(jié)的探索、液壓傳動虛擬仿真系統(tǒng)及實踐項目的開發(fā)及完善、多層次液壓傳動及控制實踐教學(xué)活動的開展，如圖1 所示。

圖1 液壓傳動及控制實踐體系架構(gòu)

三 虛實融合的實踐教學(xué)模式研究

(一) 建立柔性化、多層次、虛實融合的液壓傳動及控制實踐教學(xué)體系

課程實驗是綜合創(chuàng)新實踐的基礎(chǔ)，綜合創(chuàng)新實踐是課程實驗的延續(xù)和補充。針對目前液壓課程實驗教學(xué)中存在的教學(xué)內(nèi)容與工程實際聯(lián)系少，教學(xué)方法單一的不足，建立柔性化、多層次、虛實結(jié)合的液壓傳動及控制實踐教學(xué)體系，擬建立三個層次：①液壓傳動課程基礎(chǔ)實驗；②液壓傳動綜合實驗；③電液控制開放創(chuàng)新實踐。如圖2 所示。

(二) 探索虛實融合的液壓傳動及控制實踐教學(xué)方法，設(shè)計教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)實踐教學(xué)體系不同的分層，探索不同的實踐教學(xué)方法，設(shè)計改進(jìn)不同的實踐內(nèi)容。

1.液壓傳動課程基礎(chǔ)實驗

目前的液壓傳動課程基礎(chǔ)實驗缺少液壓回路設(shè)計部分，同時實際閥體的結(jié)構(gòu)及工作原理無法直觀演示，因此采用虛擬仿真技術(shù)對實驗內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，可以使學(xué)生直觀地了解液壓元件的工作原理和結(jié)構(gòu)，液壓系統(tǒng)回路的工作原理，構(gòu)建從液壓系統(tǒng)設(shè)計、仿真、回路搭建測試系統(tǒng)性的實驗過程。讓學(xué)生動手參與回路設(shè)計，檢測回路設(shè)計的合理性，將理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.液壓傳動綜合實驗

圖2 液壓傳動及控制實踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)

依托專業(yè)綜合實驗環(huán)節(jié)，開發(fā)與工程實際緊密相關(guān)的綜合性實驗，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。因?qū)嶒炘O(shè)備有限，液壓元件不夠齊全，需借助虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行液壓傳動回路的設(shè)計。實踐教學(xué)模式采用虛實融合、理論與實踐相結(jié)合的混合方式。教學(xué)過程以學(xué)生為主體，鼓勵其獨立思考、獨立操作，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。

3.電液控制開放創(chuàng)新實踐

設(shè)計教學(xué)計劃之外的電液控制開放創(chuàng)新實踐項目，實驗過程中以學(xué)生為中心，虛擬仿真操作與理論講解相結(jié)合，對尚不具備實操條件的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，建立虛擬仿真實驗平臺，使學(xué)生能夠直觀形象地學(xué)習(xí)液壓傳動知識，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手技能，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

(三) 探索實踐考核形式和實踐教學(xué)反饋方法

針對液壓傳動課程基礎(chǔ)實驗，將學(xué)生的考勤、實踐動手能力、團(tuán)隊協(xié)作能力等納入考核體系中，考核方式采用預(yù)習(xí)（20%）+課堂表現(xiàn)（20%）+實際操作（30%）+ 實驗報告（30%）。針對液壓傳動綜合實驗，考核方式采用液壓系統(tǒng)設(shè)計（30%）+系統(tǒng)搭建（30%）+團(tuán)隊協(xié)作（20%）+實驗報告（20%）。

針對電液控制開放創(chuàng)新實踐，采用開放式的教學(xué)模式，學(xué)生自行組隊，選擇已有的實踐項目或開發(fā)設(shè)計新的液壓傳動實踐項目，教師參與指導(dǎo)。考法方式采用項目過程管理模式。

教學(xué)效果的反饋可以及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的問題，不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和方法，進(jìn)一步完善教學(xué)體系。液壓實踐教學(xué)反饋主要從學(xué)生和教師兩方面的反饋來實施。學(xué)生的反饋通過小組討論會方式進(jìn)行，教師的反饋通過聽課和討論會的方式進(jìn)行。

(四) 開發(fā)并完善液壓傳動及控制虛擬仿真系統(tǒng)及實踐項目

開發(fā)并完善液壓傳動虛擬仿真實踐系統(tǒng)，為虛實融合混合式教學(xué)實踐過程提供軟件平臺。目前液壓傳動仿真部分在成熟的FluidSim 液壓仿真軟件基礎(chǔ)上開發(fā)實踐項目，液壓傳動虛擬現(xiàn)實仿真部分已依托虛擬仿真平臺開發(fā)了實踐教學(xué)場景的設(shè)計和液壓常用元件及部分基本回路的設(shè)計，依托本項目繼續(xù)開發(fā)完善綜合創(chuàng)新型液壓傳動虛擬仿真系統(tǒng)，為綜合實驗和開放實踐提供支持。

四 結(jié)語

在根據(jù)液壓傳動課程特色和需求，將虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)加入實踐教學(xué)中，構(gòu)建多層次液壓傳動及控制實踐教學(xué)體系，探索虛實融合的混合式教學(xué)模式。虛擬仿真技術(shù)的引入，可以讓學(xué)生們在身臨其境的場景中學(xué)習(xí)，理解更透徹，記憶更深刻，既極大地節(jié)省了成本，又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了整體的實踐教學(xué)質(zhì)量。