教案改革在《液氣壓傳動》教學中的應用研究

鄭莉芳 周曉敏 陳新華 鞏憲鋒 馮 明

（北京科技大學 北京 100083）

《液氣壓傳動》課程是機械工程及自動化專業一門重要的專業基礎課。為提高學生的學習興趣和實踐認知能力，實現在師生之間、生生之間對教學內容的多向互動、平等對話和積極研討，培養和發展學生主動參與課堂討論，提高學生的實踐能力，改革教案結構形式并對教案進行科學設計就顯得至關重要。經過教學實踐，筆者認為，對于液氣壓傳動這一實踐性和應用性較強的課程，對教案的科學設計有利于實現理論與實踐之間的應用連接，有利于提高教學質量，提高學生實踐動手能力和科研素質，因此，對教案改革是十分必要的。本文以《液氣壓傳動》中“容積式液壓泵工作原理”為例，進行一系列教學環節的設計，使學生切身感受到工程類課程的魅力。

教學目標

教學目標可以分為知識目標、能力目標和素質目標。知識目標為能夠用自己的話說出容積式液壓泵的工作原理，總結出容積式液壓泵的工作三要素；能夠講述外嚙合齒輪泵的工作原理；能夠根據外嚙合齒輪泵中齒輪的運動方向判斷吸油口和壓油口。能力目標為培養學生對工程問題的分析能力，敢于設想、思考和修改，嘗試提出解決方法。素質目標為通過依次對容積式液壓泵和外嚙合齒輪泵工作原理的介紹，引導學生樹立工程技術服務于工程應用的意識，培養學生分析問題、解決問題和綜合應用的能力；在授課過程中，通過多次展示圖片和動畫，以提高學生的學習興趣，激發學生對液氣壓傳動技術的運用熱情。

實施過程

（一）引入

通過問題的形式，將本節課的內容引入課堂。液壓泵是液壓傳動系統中的動力裝置，它把輸入的機械能轉換為壓力能，再輸出到系統中去。簡言之，液壓泵是能量轉換元件。那么，液壓泵是如何將機械能轉換成液壓能的呢？本環節的教案設計中，采用提出問題的方法，讓學生感知泵作為動力元件為液壓系統提供液壓能，領略到本節課學習的意義，引導學生進入課程學習。

（二）內容講授

利用多媒體設備，以課件形式呈現講授內容，添加小標題，化繁為簡，使講授內容形成清晰的脈絡，以提高教學效果。

對容積式液壓泵工作原理的講授 對容積式液壓泵工作原理的講授可分為以下幾步進行。首先，結合投影出的容積式液壓泵的工作原理圖 （如圖1所示），對其中的各個零部件進行逐一介紹，為其工作原理的講授奠定基礎。其次，講授容積式液壓泵的工作原理。圖中柱塞2裝在缸體4中形成一個密封容積a，柱塞在彈簧3的作用下始終壓緊在偏心輪1上。原動機驅動偏心輪1旋轉使柱塞2作往復運動，使密封容積a的大小發生周期性的交替變化。當a由小變大時就形成部分真空，使油箱中油液在大氣壓作用下，經吸油管頂開單向閥6進入密封容腔a而實現吸油；反之，當a由大變小時，密封容腔中吸滿的油液將頂開單向閥5流向系統而實現壓油。這樣容積式液壓泵就將原動機輸入的機械能轉換為液體的壓力能。原動機驅動偏心輪不斷旋轉，容積式液壓泵就不斷地吸油和壓油，為系統送去壓力油。最后，采取設問的形式向學生提出問題，根據容積式液壓泵工作原理的講解，讓學生總結容積式液壓泵工作的三個要素：可靠的工作密封容腔；密封工作容腔的容積能周期性變化；有配油裝置，吸油時與吸油口相通，壓油時與壓油口相通，吸壓油口永不相通。再次結合容積式液壓泵的工作原理圖，在圖中依次找到工作三要素，以加深學生對容積式液壓泵工作原理的理解和掌握。給學生留一道思考題，引導學生進一步思考：圖中的兩個單向閥5和6，如果改變其安裝方向，容積式液壓泵還能正常工作嗎？為什么？在本環節的教案設計中，向學生展示了彩色動畫圖，使枯燥的講授內容變得生動形象，激發了學生的學習熱情；在工作原理講授完之后，引導學生總結出容積式液壓泵工作三要素，以培養學生的分析總結能力；之后給學生留一道思考題，旨在培養學生思考問題的好習慣，使學生分析問題、解決問題的能力得到提高。

圖1 容積式液壓泵工作原理圖

對外嚙合齒輪泵工作原理的講授 對外嚙合齒輪泵工作原理的講授，可分為以下幾步進行。直接投影出外嚙合齒輪的結構解剖圖（如圖2所示），介紹其基本組成為一對外嚙合齒輪、泵體、前泵蓋、后泵蓋、傳動軸。此處將外嚙合齒輪結構的解剖圖直觀展示在學生面前，使學生對其結構能夠快速理解，為其工作原理的講授做好準備。然后，以設問的形式向學生提問：作為典型的容積式液壓泵，外嚙合齒輪泵是如何實現吸油和排油的呢？這時，將動畫式外嚙合齒輪泵的工作原理圖投影出來，同時，復述容積式液壓泵的工作三要素，采取循序漸進的方法，引導學生從容積式液壓泵工作三要素的角度來分析外嚙合齒輪泵的工作原理，為下面的教學內容奠定基礎。這種提示方法使學生感知到自己已經掌握了分析外嚙合齒輪泵工作原理的理論知識，從而產生較為強烈的學習動機。從容積式液壓泵的工作三要素的角度來分析外嚙合齒輪泵的工作原理。首先分析外嚙合齒輪泵的密封容腔是如何形成的。如圖3所示，泵體的內曲面、兩個齒輪的齒頂、還有前后端蓋就構成了密封容腔，同時，嚙合輪齒的嚙合線，將齒輪泵的密封容腔一分為二，左右各一個密封容腔。接著，分析密封容腔的體積是如何進行周期性變化的。結合投影出的動畫圖，引導學生來觀察，當齒輪在傳動軸的帶動下按圖中方向旋轉時，左側輪齒退出嚙合，右側輪齒進入嚙合。退出嚙合的一側，輪齒從齒間退出，使左側密封容積變大，形成局部真空，壓力降低，油箱中的油液在外界大氣壓的作用下，經吸油管路和吸油口進入齒間，實現了泵的吸油過程，相應地，就左邊的密封容腔為吸油腔。隨著齒輪的旋轉，吸入齒間的油液被旋轉的齒輪帶到右側，右側的齒輪進入嚙合，也就是輪齒進入齒間，使密封容積減小，壓力升高，齒間的部分油液在高壓下被擠出，從壓油口排出送往系統，這就實現了泵的壓油過程。同樣，右邊的密封容腔稱之為壓油腔。當齒輪泵的主動齒輪在電動機的帶動下不斷旋轉時，就實現了齒輪泵左側吸油腔的不斷吸油和右側壓油腔的不斷壓油，源源不斷地向系統供油。外側的輪齒進入嚙合狀態，相對應的油口就是—壓油口，內側的輪齒必然是退出嚙合狀態的，相對應的油口就是—吸油口。最后，筆者將分析外嚙合齒輪泵的配油裝置。外嚙合齒輪泵在吸油和壓油過程中，其一對嚙合輪齒的嚙合線將吸油口和壓油口隔開，使二者永不相通，起到了配油作用。在教案設計時，此處采用了圖片展示、動畫展示、講述等多種方式結合的方法，使教學內容變的更加直觀，變抽象教學為形象教學，使學生透徹理解教學內容，有利于下一步教學內容的進行。同時，在講述過程中，與容積式液壓泵的工作三要素相呼應，引導學生去尋找外嚙合齒輪泵的工作三要素，使學生清晰地理解和掌握外嚙合齒輪泵的工作原理。投影出一張立體動畫圖（如圖4所示），讓學生根據圖中外嚙合齒輪主動輪的運動方向，判斷哪個是泵的吸油口，哪個是壓油口。在學生回答問題的過程中順次投影出 “吸油”和吸油箭頭、壓油和壓油箭頭。在此教案設計中，通過提問的方式與學生進行互動，活躍課堂氣氛；鼓勵學生大膽想象，讓學生正確應用所學知識，使學生體驗成功的喜悅，點燃進一步學習的激情，培養學生根據所學理論知識進行工程應用的信心。

圖2 外嚙合齒輪結構解剖圖

圖3 外嚙合齒輪泵工作原理圖

圖4 外嚙合齒輪泵工作原理圖

對講授內容進行歸納總結 課程內容講授完畢后，將所講授內容以課件形式進行重復播放，播放時簡要復述本節主要內容，課件被“重復”利用，增強了教學效果。同時，要求學生閱讀教材，對容積式液壓泵工作原理和外嚙合齒輪泵工作原理進行強化理解。最后，需給學生留一些問題。任何機器都不是完美的，外嚙合齒輪泵也毫不例外，齒輪泵的結構和工作原理決定了它在運轉過程中存在一些哪樣的問題？針對這些問題該采取什么措施進行控制呢？這將是下一節的講授內容。對學生提出了這些問題，旨在留給學生一個想象的空間，激勵學生在課后對下一節課的內容進行預習。

結語

作為機械工程及自動化專業的一門重要的專業基礎課，需要對《液氣壓傳動》的教學形式進行精心設計和分析，以達到滿意的教學效果。在課件準備時，針對教學內容，應盡量使用教材中的資料以保證教學內容的嚴謹性，同時要大量收集和制作資料并進行反復修改，以實現教學內容的生動性和趣味性，提高學生的學習熱情。在課程講授過程中，多次采用提問的講授方式，既能給學生留下思考的余地，也讓學生體會到答出問題的喜悅，培養了學生分析問題、解決問題的能力，同時利用多媒體將生動多彩的動畫和圖片引入課堂，學生在課堂上便能將課本講授內容與實物對應起來，使課堂內容變得更加生動形象，極大地激發了學生的學習興趣，提高了學生的實踐認知能力，有助于學生對教學內容的理解和掌握。通過對“液壓泵的工作原理”教案的設計、分析和實施，在教學過程中體現三位目標的有機整合，取得了良好的教學效果。

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