融合真實與虛擬實驗的液壓傳動實驗教學與實踐

胡波，肖澤亮，李圣雨

（1.長沙理工大學 汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410114；2.衡陽泰豪通信車輛有限公司，湖南 衡陽 421099）

0 引 言

隨著我國教育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，學生的實踐能力越來越受到重視。實驗教學作為學生實踐能力培養(yǎng)過程中十分重要的一環(huán)，是增強學生對專業(yè)基礎知識理解和培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的重要方法。實踐是學校的教學活動中的根本，但受設備陳舊、資金欠缺、實驗安全等硬軟件條件的制約，當前大部分高校的實驗教學設備與方法難以滿足大學生擴招的需求與實踐能力培養(yǎng)的要求。因此，改變傳統(tǒng)的實驗教學方法迫在眉睫。

當前大學學習和社會工作脫軌嚴重，很多同學反映大學期間學的知識無法直接應用。而作為機械類專業(yè)的一門必修課程，“液壓傳動”具有很強的實踐性和應用性，是從事液壓傳動設計工作的必要基礎知識。液壓元器件種類繁多、結構相似、基本回路繁雜，必須結合實驗教學，才能獲得較好的學習效果。但是，液壓元件昂貴、實驗安全隱患、時空限制等，只有較少的學生能真正實操，大多數(shù)學生只能觀摩他人操作，導致實驗教學不充分、效果較差。近年來，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術逐漸應用到課堂教學中，混合式教學在國內外許多高校中蓬勃開展和廣泛應用。利用虛擬仿真技術，構建虛擬的實驗環(huán)境和仿真實驗平臺，可以有效地解決真實實驗教學中存在的問題，使學生的實踐能力得到充分的鍛煉，促進學生液壓傳動基礎理論與實驗能力的協(xié)同發(fā)展。發(fā)達國家研究虛擬實驗室時間較早，如1988年麻省理工學院開發(fā)的Web Lab 遠程虛擬實驗室、牛津大學開發(fā)的Livechem虛擬化學實驗室。而我國高校教師在液壓傳動虛擬實驗方面也作出了較大貢獻。例如，陳敏捷等結合Unity、UG 和3Ds Max 平臺，搭建了一個交互方便的液壓虛擬仿真實驗系統(tǒng)；李美如等以JetBrains Rider 為開發(fā)環(huán)境，結合Unity 3D 平臺，建設了液壓傳動虛擬仿真實驗教學平臺；并利用Inventor 構建了虛擬實驗儀器及實驗場景，彌補了傳統(tǒng)液壓實驗的不足。

盡管虛擬仿真實驗可以避免液壓元件昂貴、實驗安全隱患、實驗場所對液壓傳動實驗教學的限制，但仍存在虛擬液壓元件結構不具象的問題，學生難以通過虛擬仿真實驗了解各類液壓閥之間結構的細微差異。因此，結合真實實驗與虛擬實驗，協(xié)同開展液壓傳動實驗教學，既能避免多數(shù)學生不能實操的問題，又可以使學生現(xiàn)場了解液壓元器件的結構及差異。

1 液壓傳動實驗平臺

1.1 真實實驗平臺

基于液壓傳動課程教學大綱的要求，實驗平臺應當包含薄壁小孔、細長孔與環(huán)形縫隙液阻特性等3 種流體實驗，液壓泵、液壓缸與液壓馬達等3 種動力與執(zhí)行元件性能實驗，溢流閥、減壓閥靜動態(tài)性能等4 種閥類實驗，進口、出口與旁路等3 種節(jié)流調速回路性能實驗。由此可見，液壓傳動課程的實驗種類多，涉及的液壓元件多，若全部搭建實物實驗臺，必須同類實驗臺架搭建多個，供多組學生使用，以避免實驗課時少的限制。這樣的實物實驗臺造價十分昂貴、占地空間巨大，為此建立液壓傳動的虛擬仿真實驗平臺非常必要。

盡管液壓實物實驗臺建設費用大，我校仍然建設有液壓泵性能實驗臺，溢流閥靜態(tài)特性實驗臺，節(jié)流調速回路性能實驗臺等，每種實驗臺建有4 組，可將學生分組同時進行實驗，提高實驗效率。其中，液壓泵性能實驗可以通過調節(jié)截止閥和節(jié)流閥實現(xiàn)液壓泵的空載性能測試、流量特性和功率特性測試、效率特性測試；溢流閥靜態(tài)特性實驗臺通過節(jié)流閥和油泵啟閉可以實現(xiàn)溢流閥調壓范圍測量、壓力振擺測量、壓力偏移測量、壓力損失測量、卸荷壓力測量、內泄漏測量、啟閉特性測量；節(jié)流調速回路性能實驗臺可以通過改變節(jié)流閥連接管道，實現(xiàn)進口、出口與旁路節(jié)流調速回路性能測試。

1.2 虛擬實驗平臺

虛擬仿真實驗平臺設計的目的是使學生能夠在模擬的液壓實驗環(huán)境中，了解各種液壓元件在結構與功能上的差異；并隨時隨地搭建虛擬的液壓系統(tǒng)來驗證液壓回路的功能。為此，首先通過UG 建模軟件建立各種液壓元件的三維裝配體模型，并借助3Ds Max 與Photoshop 軟件進行修圖與渲染；隨后，導入Unity 軟件中進行可視化處理，并采用Unity Web Player 進行調試與分布，建立了虛擬仿真實驗平臺。

搭建的虛擬仿真實驗平臺包含了液壓傳動課程教學大綱要求的3 種流體實驗、3 種動力與執(zhí)行元件性能實驗、4 種閥類實驗與3 種節(jié)流調速回路性能實驗。每個實驗都嵌入了實驗目的、實驗要求、實驗步驟、實驗展示及試驗報告撰寫規(guī)范等欄目，如圖1所示，為學生自主線上仿真實驗提供了非常方便的指導，大大提高了學生仿真實驗的積極性。以液壓泵性能仿真實驗為例，根據(jù)實驗原理圖，學生可從動力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件庫選擇對應的液壓元件，組裝液壓傳動實驗系統(tǒng)，并結合實驗目的、要求與步驟，實現(xiàn)液壓泵性能測試，獲取仿真實驗數(shù)據(jù)，計算與繪制液壓泵的性能參數(shù)。

圖1 液壓泵性能仿真實驗臺

2 液壓傳動實驗教學實踐

融合真實與虛擬實驗的液壓傳動實驗教學主要是先通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)，使學生掌握實驗目的、要求與原理，熟悉實驗步驟與操作方法；再通過實物實驗臺，熟悉相關液壓元件的實物結構、調節(jié)與控制方法。多年的實驗教學實踐證明：先通過仿真實驗，再進行實物實驗臺操作，大大提高了實驗效率，能在有限的學時和資金投入內，使每個學生都有操作實物實驗臺的機會。以液壓泵性能測試為例，介紹該實驗教學的方法：

（1）課余時間，學生在仿真實驗系統(tǒng)中，通過嵌入的指導性文件，明確實驗目的：了解液壓泵主要特性（功率特性、效率特性）和測試裝置；掌握液壓泵主要特性測試原理和測試方法。

（2）通過仿真實驗要求文件，了解本實驗的內容和要求：液壓泵的空載性能測試；液壓泵的流量特性和功率特性測試；液壓泵的效率特性（機械效率、容積效率、總效率）測試。

（3）在仿真實驗平臺中，結合內嵌的測試原理圖，如圖2所示，和實驗步驟說明，搭建液壓泵性能測試仿真系統(tǒng)，如圖3所示，執(zhí)行仿真實驗，并得到仿真數(shù)據(jù)。

圖2 液壓泵性能測試原理圖

圖3 液壓泵性能測試仿真實驗臺

（4）根據(jù)仿真實驗平臺中的實驗報告模板，整理實驗數(shù)據(jù)，并計算與繪制液壓泵空載排量與性能參數(shù)，如圖4所示。通過仿真平臺的成績統(tǒng)計，當每個學生都能掌握本實驗的要領后，可以開始進入實物實驗教學環(huán)節(jié)。

圖4 液壓泵性能仿真實驗數(shù)據(jù)

（5）通過仿真實驗，熟練掌握了本實驗的目的、測試原理、實驗步驟和數(shù)據(jù)分析后，學生在實驗教學課時內，進入實物實驗室，開始操作真實的液壓泵性能測試臺；熟悉真實液壓元件的結構，練習液壓元件的調節(jié)與控制。

由于前期通過仿真實驗熟練掌握了本實驗的測試原理與步驟，在實物操作時，每個學生花費的時間大幅度減少。在有限的實踐教學時間內，幾乎能實現(xiàn)每個學生都能進行實物實驗臺的操作。在融合真實與虛擬實驗的液壓傳動實驗教學模式下，學生的動手能力得到了更好地培養(yǎng)，理論教學與實踐教學結合更加緊密，取得了較好的實踐教學效果。

以本校2019 級汽車服務工程專業(yè)某班級為例：該班學生共32 人，前期在仿真實驗平臺中，通過系統(tǒng)嵌入的指導性文件，明確了實驗目的、內容和要求，熟悉了測試原理，并模擬了實驗步驟和數(shù)據(jù)整理。進入實物實驗教學環(huán)節(jié)時，本班級共分為4 組，每組5 ～6 人（該班1 人沒有參加實操），分布在4 個實物操作臺上進行實驗教學。經(jīng)過前期的理論學習和模擬實驗，實物操作前對各液壓元器件講解時，學生能很快地回想起該液壓元件的功能和優(yōu)缺點，掌握其結構特點、液壓管道連接、調節(jié)與控制。這樣的實驗環(huán)境下，每個學生基本能在6 分鐘左右完成液壓泵的性能測試，在一個學時內實現(xiàn)了每個學生的實操，這是以往純實物實驗教學難以達到的。

該教學班的實驗成績分布如圖5所示，平均分達到了81 分，僅1 人因沒參加實操定為不及格；成績良好及以上的學生共23 人，占比達72%，成績中等以下的僅為6%。在融合真實與虛擬實驗的液壓傳動實驗教學模式下，學生不僅在真實實驗環(huán)節(jié)中操作順暢，后續(xù)對實驗數(shù)據(jù)的整理和參數(shù)計算也理解深刻，實驗成績整體情況也有明顯提高。這種教學模式使有限學時內的液壓傳動實驗教學更加充分，取得了良好的教學成效。

圖5 液壓傳動實驗成績分布與占比

3 結 論

針對高校液壓傳動實踐教學環(huán)節(jié)中普遍存在的真實實驗臺架匱乏問題，文章探討了融合真實與虛擬實驗的液壓傳動實驗教學的設計與方法。通過虛擬仿真實驗平臺，學生可以反復練習液壓仿真實驗，熟練掌握測試原理及實驗步驟，繼而再開展實物實驗教學。避免了傳統(tǒng)真實實驗教學僅少數(shù)學生能實操，導致實驗教學不充分、效果較差的問題，獲得了較好的教學效果，具體如下：

（1）液壓傳動仿真實驗平臺的建設打破了液壓傳動實物實驗臺時空的限制，大幅度降低了液壓傳動實驗課程資源建設的資金投入。

（2）液壓傳動仿真實驗系統(tǒng)可以讓每個學生反復練習，使學生實實在在的熟練掌握實驗測試的目的、原理及步驟，為后續(xù)實物實驗臺的操作效率奠定了堅實的基礎。

（3）融合真實與虛擬實驗的液壓傳動實驗教學，彌補了實踐教學課時少的缺陷，避免了大部分學生走馬觀花式的實物實驗，提高了實踐教學質量。