工程實踐中的液壓教學體系及其應用

劉瀟瀟　楊　晉　茍向鋒　王曉榮

摘要:如何以工程實踐教學大平臺為依托,抓住契機,有機地融合理論教學與實踐教學,為學生營造出一個具有工程環境的液壓教學氛圍,本文從教學體系改革方面提出了方案,并對方案的應用進行了闡述。

關鍵詞:工程實踐教學;液壓;分層次建設;實踐教學

液壓傳動與控制作為三大動力傳動和控制方式之一,在我校機電學院各專業人才培養計劃中占有非常重要的位置,是一門實踐性非常強的專業基礎課。但是傳統的液壓教學卻存在著很多弊端。

教學方法呆板課堂教學基本只使用書本和黑板,不能充分利用動畫、視頻等多種輔助教學資源,知識展示過于平面化,不夠生動;內容局限于教材,不能有效地利用網絡、多媒體等先進的教學工具擴展學生知識面;很多液壓傳動中的回路、元件、閥體等學生從來都沒有接觸過。因此,學生在面對新知識時顯得無所適從,缺乏學習積極性,課后也只能死記硬背書本內容,根本無法奢談理解基礎之上的實際應用。

實驗環節落后首先,實驗設置缺乏有層次性,只是一些低水平、驗證性及演示性的實驗,沒有引入具有啟發性和能夠加強學生動手能力的實驗手段。其結果,一是學生難以全面掌握這一課程的基本理論知識,并且缺乏動手能力,與本科教育應培養創新型、技能型人才的目標相違背;二是教師難以因材施教,對那些對本課程有興趣、有能力的學生而言,不能做到有針對性地培養他們大膽構思、設計實驗。其次,實驗條件不夠完善,實驗設備匱乏而且過于陳舊,無法做到人人都有動手機會,甚至無法做到人人能清楚觀看實驗演示。再次,實驗內容單一,只針對液壓傳動一門課程,不能做到在“機電液一體化”的工程環境下展示液壓傳動系統,使實驗教學脫離機電行業的實際。

課程設置缺乏整體性對于“機電液一體化”的體系缺乏全面認識,課程設置沒有與其他的相關知識進行有機融合,缺乏相關實踐應用環節,導致很多學生不知道液壓傳動內容是什么、怎么用,反而認為這門課程沒有什么用處,學不學并不重要。

液壓教學改革方案及應用

針對以上問題,我校機電學院機械制造系成立了液壓傳動教學改革小組,并借助于機電學院成立機械工程實踐中心的大好時機,依托于機械工程實踐中心這個實踐平臺,下大力氣重建了液壓實驗室,從師資力量、課程設置、實驗條件等各方面對液壓教學進行了改革。

液壓傳動課堂教學改革首先,成立了液壓傳動教學改革小組。成員共5人,教授1人,副教授2人,講師2人,其中有多年從事此課程教學的老教師,也有曾從事液壓行業十多年、現場經驗豐富的中、青年教師。其次,開發出了一套符合我校機電學院專業特色的液壓傳動教學課件(如圖1所示)。在參考其他同類課件的基礎上,小組成員認真學習、分析、討論,充分發揮主觀能動性,以學院本科生培養計劃為指導,以學生的學習特點為依據,各抒己見,聯合開發出這套課件。課件以Powerpoint為開發軟件,其中融入了大量的圖片、動畫、視頻等信息,極大地豐富了教學資源,使得對同一個問題能夠從多個角度進行闡述,讓學生被課堂內容的精彩所吸引,充分調動學生主動學習的積極性。再次,每個教師在上課過程中充分發揮自己的特色,及時地設置提問,靈活地運用討論,使得課件在運用上統一卻不失個性,以求最完美地將液壓傳動的知識傳達給學生。

液壓傳動實驗教學改革我校機械工程實踐中心有效地整合了相關實驗室資源,構建了從實驗、課程設計、金工實習、認識實習、生產實習、技能培訓到畢業設計的系統化的實踐教學體系。而液壓傳動實踐作為“綜合性、設計型實驗和創新實踐”模塊之一,也投入了大量的資金。

1.實驗條件。在學校2號實驗樓專門開辟了一間110m2的實驗室,投資20萬余元購進3臺YZ-1型液壓PLC控制綜合教學實驗臺,1臺YQ-2型智能液壓PLC控制綜合教學實驗臺(為了實現智能數據采集和曲線繪制,配備了HP計算機和打印機各1臺),2臺QDA-1型氣動PLC控制綜合教學實驗臺。實驗室寬敞明亮,實驗設備派專人保養維護,可供本科生課程實驗、課程設計、畢業設計及研究生課題使用。

2.管理制度。在管理上,我們充分利用人力資源,采用教師編制的實驗室人員管理,即實驗室管理人員就是教學改革小組成員,也是液壓傳動課程任課教師的三位一體的管理形式,大大節省了實驗室開支。這種管理形式的另一大優勢就是,可以在教學和實驗之間建立相輔相成、相互促進的良好關系。因為任課教師是教學改革的主力軍,而實驗教學又是教學改革中不可缺少的環節,如果任課教師與實驗教師分離,一方面,課堂上一些需要加強的部分在實驗中得不到加強,實驗中遇到的問題在課堂上又不能得到教師的分析講解,教學環節就會與實驗環節脫離;另一方面,任課教師不參與實驗,就不能很好地對實驗教學環節進行有效改進,那么教學改革就不可能獲得全面的成功。在制度上,我們狠抓建章立制,在對原有的規章制度進行梳理的基礎上,又補充修訂了實驗室管理、儀器管理和使用、實驗注意事項等制度;同時根據不同的崗位,對實驗室全體人員的崗位職責進行了分化,用崗位職責強化實驗室人員“權責明確、執行有力、協作有序、富有效率”的理念,以保證液壓實驗室有效、有序地開展各項實踐教學工作。

3.實驗內容。首先,對于液壓傳動的課程實驗,分層次設立了認知型、驗證型、綜合型等內容。比如,在認知型實驗中,先使用小型透明液壓教具進行演示性實驗,讓學生對液壓傳動系統有一個整體的初步了解,然后提供壓力、流量、方向三大類液壓閥進行元件拆裝實驗,在一拆一裝的過程中讓學生清楚認識閥體結構,能夠動手繪制各種閥的結構簡圖,并進一步在熟悉結構的基礎上去理解每種液壓元件的工作原理;在驗證型實驗中,我們有已經設計好的各種回路,讓學生自己動手采集相關數據,進行數據處理和分析,得出實驗曲線,驗證諸如“泵的性能”、“溢流閥的靜態特性”等一系列理論,對課堂和書本的知識通過實驗的方式加強理解和記憶;在綜合型實驗中,我們讓學生在學習基本回路的基礎上,自己設計一些簡單回路,并在實驗室進行安裝、調試,將所學知識進行綜合設計應用。為了避免學生多教師指導不過來的情況,實驗分小組進行,每小組12人,每3人使用一臺液壓實驗臺,以保證每個學生都能夠有動手機會。除此之外,教改小組還將這些重點的代表性實驗項目編寫出詳細的實驗指導書和實驗報告冊,其目的是使學生通過閱讀指導書,能夠正確完成元件選用、回路的設計、安裝、運行控制,并最終在實驗報告冊中體現實驗結果分析。其次,對于液壓傳動實驗臺本身,可以允許一些學有余力的學生進行二次開發。比如,在兩年的實驗臺使用中,教師帶領學生就實驗中出現的如電磁換向閥動作失控、高頻率使用下泵的散熱不佳、行程開關接頭損壞等實際問題,現場進行故障排除和儀器維修,在培養學生實戰經驗的同時,還為實驗設備的維護節省了經費。再如,鑒于實驗臺的控制部分采用的是PLC,一些學生就利用畢業設計在實驗臺上最大限度地開發出PLC控制液壓或氣壓傳動回路系統,以滿足開發更多實驗教學項目的需要。再次,液壓實驗室作為機械工程實踐中心的一個模塊,是一個開放的實驗環境,除了面向機電學院各個專業,還可面向全校機類、非機類的各專業的本科生、研究生提供相關的實驗資源。比如,我校參加“CCTV杯全國大學生機器人大賽”的學生,在機器人里用到了氣動裝置,就是先利用液壓實驗室的氣動實驗臺對不同構想進行了驗證與分析,找到最優方案后再應用于參賽機器人。參加“全國大學生機械創新大賽”的學生也同樣可以在液壓實驗室里進行一些相關的液壓與氣動回路的設計工作。如此開放的實驗環境,可以有效地利用實驗室資源,不至于出現大價錢購買的實驗設備就只為每年做幾個計劃內的課程實驗,其余時間束之高閣,造成大量的儀器閑置浪費的現象。

液壓傳動課程設置改革液壓傳動課程除了現有的課堂教學和實驗教學環節外,作為“機電液一體化”中必不可少的部分,在課程設置上也加入了后續的實踐應用環節。比如,大四第一學期,在學生開始學習如何將知識應用于實際設計時,我們設置了兩周的液壓傳動課程設計。由任課教師給學生提出設計要求,或者學生依據個人興趣和能力自行提出設計題目,結合機械工程實踐中心的硬件條件,使用Festo公司的FluidSim系列的液壓傳動模擬軟件,針對專業特色,在計算機上實現某個具體機械產品的液壓傳動實驗系統的設計、原理檢驗和最終的運行控制與結果演示,學生的合理設計可以在液壓實驗室驗證其設計結果。大四第二學期,我們將新型液壓傳動回路的設計、新型液壓元件的設計等作為畢業設計題目,要求學生對現有機械設備的液壓傳動系統進行改造,或自行設計液壓傳動系統,并使用軟件對設計結果進行仿真和優化,甚至可以在機械工程實踐中心的大工程環境下,將自己的設計結果應用于實際,變成真正的產品。優秀的畢業設計可以推薦校優秀論文答辯,也可以申請大學生創新項目課題。經過一系列后續的實踐應用學習,不但使學生深刻體會了液壓傳動的重要性,還讓學生在動手的過程中親身感受了“機電液一體化”的含義,較之教師空洞的說教更具有現實意義。目前,液壓實驗室在機械工程實踐中心的支持下,正初步構思在現有基礎上增加設備、調配師資,建立“機電液一體化工程師”的認證系統,為學生就業拓展更廣闊的道路。我們相信在不久的將來,液壓傳動教學將會在機械工程實踐中心的良好氛圍中獲得更好的發展。

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作者簡介:

劉瀟瀟(1980—),女,甘肅西峰人,碩士,蘭州交通大學講師,研究方向為液壓教學研究、機器人技術。

(本文責任編輯:尚傳梅)