基于CDIO的液壓與氣動技術課程教學改革

謝 群，崔廣臣，王 健，閆家超，申靖宇

（沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽110159）

裝備人才培養

基于CDIO的液壓與氣動技術課程教學改革

謝 群，崔廣臣，王 健，閆家超，申靖宇

（沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽110159）

為了提高學生的實踐能力、創新能力和協作精神，根據CDIO工程教育模式大綱和實施標準對液壓與氣動技術課程進行改革，建立了CDIO模式下的液壓與氣動技術課程教學體系，提出了理論教學、實驗教學和課程設計的具體實施方法。

CDIO；工程教育；液壓與氣動技術

傳統的工程教育偏重于專業知識的傳授，忽視了學生實踐能力、協作能力和創新精神的培養，因此培養出來的工程師難以適應現代化的新產品、新系統的開發與研究。國際工程教育的新成果CDIO工程教育模式就是為了解決上述問題而產生的，CDIO工程教育模式是根據產品的構思（conceive）、設計（design）、實施（implement）和運作（operate）的全過程建立課程體系，使學生能夠以主動的、實踐的方式學習。CDIO所提出的系統能力培養教學大綱，體現了工程師所具備的知識、能力和素質，CDIO提出了全面的實施指引及實施檢驗的十二條標準指導工程教育改革，具有很強的可操作性，近年來在我國各高校普遍引入了這一工程教育理念[1-2]。

液壓與氣動技術在制造業、交通運輸、國防工業等各個領域應用非常廣泛，是科學技術現代化中不可替代的一項重要專業技術，也是當代工程師應該掌握的重要技術之一。液壓與氣動技術課程具有理論性、綜合性、實踐性強的特點，在教學中不僅應注重培養學生牢固掌握理論知識的基礎上綜合運用所學知識解決問題的能力，更應注重學生創新能力、動手實踐能力和團隊協作能力的培養，以適應現代社會發展對高素質的液壓與氣動技術人才的需求。因此，在本門課程教學中引入CDIO工程教育理念，根據CDIO大綱和標準進行相應的教學改革，建立了項目驅動的理論教學、綜合實驗、課程設計一體化的課程教學體系，提出了CDIO模式的理論教學、實驗教學和課程設計的具體實施方法[3-4]。

1 課程教學改革的總體思路

CDIO標準提出，技術知識和能力的教學實踐應以產品、過程或系統的構思、設計、實施和運行作為工程教育的背景（標準1），以工程師所應具備的基本個人能力、人際能力和對產品、過程和系統的構建能力作為學習目標（標準2），并從綜合性的學習經驗（標準7）和主動的學習方法（標準8）幫助學生取得這些能力，并進行學生的學習評估（標準11）。

根據以上CDIO實施標準，指導CDIO模式下的“液壓與氣動技術”課程改革的總體思路如下：

（1）調整理論教學內容，注重理論知識在工程實際中的應用；改革傳統的教學方法，采用啟發式、案例式、問題探討、項目驅動等教學方式；改進教學手段，利用多媒體課件，生動形象地體現課程的知識點，使學生變被動學習為主動學習。

（2）設置綜合性實驗，注重提高學生運用綜合知識解決實際問題的能力，通過分組形式設計實驗回路、實際動手操作運行回路的實踐過程培養學生的實踐能力、創新能力和團隊協作精神。

（3）將項目驅動貫穿課程教學體系的始終。在理論教學中，講解基礎知識的同時引入項目，討論基礎知識在項目系統構建中的作用；在實驗教學中，針對項目構建學習相關知識點，進行項目構思；在課程設計中，運用綜合知識，分組討論項目設計、實施和運作，實現學生綜合能力的提高。

2 課程教學改革的實施方法

傳統的教學一直存在著重視理論教學忽視實踐操作，重視學生個人知識與能力的提高忽視團隊合作精神，重視學習知識忽視創新精神的培養等問題，采用CDIO工程教育模式，改革傳統的教學方法，針對液壓與氣動技術課程建立了理論教學、綜合實驗、課程設計一體化課程教學體系，并給出了教學改革具體的實施方法。

2.1 主動的理論學習

（1）調整理論教學內容

理論教學內容不僅要注重基本理論，更應該突出工程應用。項目驅動的理論教學內容及其在項目構建中的應用如圖1所示。在流體力學部分減少復雜的公式推導和理論分析，重點講授三大方程的物理意義和所能夠解決的實際問題，例如：利用伯努利方程解決泵的吸油高度問題、管路的壓力損失問題；利用動量方程解決閥芯運動的液動力問題等。由于實際液壓系統故障的產生70%都是由于油液污染造成，因此，增加液壓工作介質的性質、選用和污染控制內容。在液壓元件和液壓基本回路的教學中重點介紹實際應用和新的液壓技術成果。對于氣壓傳動來說，因為與液壓傳動的基本工作原理相同，學生可以自學，只在教學中引導學生從兩種傳動方式工作介質性質的不同了解液壓與氣壓傳動的不同應用[5]。

圖1 課程內容之間的關系及在項目構建中的作用

（2）改革傳統教學方法

傳統的理論教學以教師為主體，注重知識的傳授，CDIO理念下的理論教學方法要求教師以學生為主體，采用案例式、問題探究式、項目驅動式等教學方法，同時把科研課題與教學融合，激發學生的興趣，提高學生學習的主動性。例如緒論課先例舉學生們熟悉的和感興趣的液壓與氣動設備，如液壓電梯、挖掘機、公園大型游戲機、萬噸水壓機、地鐵盾構機、汽車生產線等，激發他們繼續探索的欲望。案例教學也是提高學生學習主動性的有效方式，不僅可以在液壓元件和基本回路工作原理講解中結合具體工程實際案例也可以利用案例計算使學生整體地把握知識的應用。例如，在講授動力元件與執行元件的性能參數時，為了將抽象的參數與工程實際聯系起來，使學生了解參數的實際意義和參數計算所能夠解決的工程問題，因此在教學時將教師的科研實例轉化成例題。下面是以盾構機推進液壓系統為例的計算。主泵的最大排量V =75 cm3/r；轉速n=1 475 r/min；工作壓力p=35 MPa；泵的容積效率ηvp=0.95；機械效率ηmp=0.98，液壓缸活塞直徑D=260 mm；液壓缸的容積效率ηvg=0.92；機械效率ηmg=0.94.求：所需電機的功率、液壓缸的驅動力和最大推進速度（20個缸；不計管路損失）。解：泵的最大輸出流量q=Vnηvp=75×10-6×1 475×0.95/60=1.75×10-3（m3/s）；所需電機的功率P=pq（ηvpηmp）=35×106×1.75×10-3/（0.95 ×0.98）=66×103W＝66 kW.液壓缸的驅動力F =20pAηmg=20×35×106×3.14×0.262×0.94/4=35 ×106N.液壓缸的最大推進速度v=qηvp/A=1.75 ×10-3×0.92×4/（20×3.14×0.262）=1.5×10-3m/s＝91 mm/min.通過參數計算，使學生充分了解到參數計算不僅反映系統的工作能力，同時也是實際系統設計的必由之路。

（3）改進教學手段

液壓和氣動元件結構比較復雜，基本回路組成和原理不好理解，利用書中的圖片很難使學生在有限的學時內掌握，因此，通過開發配套的多媒體教學課件，提高教學效果。在課件中將元件的結構用三維爆炸圖顯示，將元件的原理制成二維動畫形式，把元件結構和原理直觀地體現出來。對于基本回路，同樣通過動畫的方式，將回路工作時油液流動情況以及回路中元件的工作情況顯示出來，例如，如圖2所示為壓力控制順序動作回路的動畫，通過這種多媒體課件形式，使學生能夠很容易地理解元件和基本回路的復雜結構、工作原理、性能特點以及實際應用。

圖2 壓力控制順序動作回路動畫原理圖

2.2 綜合化的實驗教學

課程實驗環節的設置，是學生鞏固液壓與氣動技術理論知識、提高實踐能力的關鍵教學部分。傳統的液壓與氣動技術實驗多是驗證性實驗，不利于學生綜合能力的培養。基于CDIO理論的實驗設置必須從培養學生的創新能力、實踐能力和協作能力著手，因此，將驗證實驗改成設計綜合實驗。在實驗中，學生分組討論，運用本課程多個知識點或運用液壓知識與其他知識相結合自行設計并動手實踐。例如，所設計的綜合實驗中夾緊裝置液壓控制系統、進給裝置液壓控制系統、包裹提升機液壓控制系統三個實驗均為電液綜合實驗，要求學生在實驗中首先根據提出的問題設計液壓系統，并進行相應的PLC控制回路設計，然后在實驗臺上進行實際液壓回路和電氣回路的連接，調試好后運行系統。

2.3 綜合性、實踐性的課程設計

課程設計是學生利用所學基礎知識解決實際問題的創新性工程實踐。傳統的課程設計缺少綜合運用知識的環節和實踐環節，而且基本是一人一題獨立完成。CDIO模式下的課程設計采用項目驅動，利用具有綜合性、實踐性的實際項目，培養學生的綜合能力。貫穿整個課程教學體系的項目要在最后的課程設計環節完成。學生選擇的項目主要分為兩大類：液壓機液壓系統和機床液壓系統。在理論教學中，介紹CDIO模式項目驅動下的液壓與氣動技術教學的課程體系，引入項目和實施計劃，使學生帶有目的學習與實踐。理論課和實驗課結束后，先將學生分為兩組就兩類項目進行調研，課程設計開始后，再將每組學生分成三人一小組，每組題目的工況條件和參數不同，要求三人討論合作完成項目。

學生首先綜合運用所學知識設計項目，包括液壓系統原理設計、繼電器控制電氣回路設計、液壓缸結構設計，然后利用Fluid-sim軟件在計算機上仿真運行，驗證所設計液壓系統的合理性。最后通過答辯的方式驗收，教師根據學生的演示運行情況、回答問題情況，結合設計圖紙以及設計說明書內容的完整性和正確性綜合給出成績。

3 結束語

CDIO模式下的液壓與氣動技術課程教學改革，提出了項目驅動的理論教學、實驗教學、課程設計一體化的課程教學體系和具體實施方法。通過教學實踐證明，學生學習興趣增加，真正成為了學習的主體，他們的基礎知識掌握牢固，綜合運用知識解決問題的能力增強，勇于實踐敢于創新，團結協作意識提高，教學質量顯著提高。

[1]顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（上）[J].高等工程教育研究，2012，（3）：24-40.

[2]顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（下）[J].高等工程教育研究，2012，（5）：34-45.

[3]李笑，肖體兵，楊雪榮，等.液壓與氣壓傳動課程體系的改革與實踐[J].中國現代教育裝備，2012，（7）：55-57.

[4]孔祥東，權凌霄，姜萬錄，等.“液壓伺服與比例控制系統”課程體系建設與改革[J].中國大學教育，2011，（3）：67-69.

[5]謝群，崔廣臣，王健.液壓與氣壓傳動[M].2版.北京：國防工業出版社，2015.

Teaching Reform of Hydraulic and Pneumatic Technology Curriculum based on CDIO

XIE Qun，CUI Guang-chen，WANG Jian，YAN Jia-chao，SHEN Jing-yu
（School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110159，China）

In order to improve the students’practical ability，innovation ability and cooperation spirit，this paper elaborates the teaching reform of hydraulic and pneumatic technology curriculum according to the outline and implementing standard of the CDIO engineering education mode.Hydraulic and pneumatic technology course teaching system of the CDIO mode was established，and the concrete implementation method of the theoretical teaching，experimental teaching and course design was put forward.

CDIO；engineering education；hydraulic and pneumatic technology

G420

B

1672-545X（2016）11-0209-03

2016-08-03

遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目（UPRP20140440）；沈陽理工大學教學改革項目，“液壓與氣動技術”研究型課程教學模式改革與實踐。

謝群（1965-），女，遼寧沈陽人，教授，碩士，主要從事流體傳動與控制方面的科研與教學工作。