面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的液壓傳動項目化教學(xué)

王健

摘要：液壓傳動是一門各高校機械或機電相關(guān)類專業(yè)主修的專業(yè)課程，與工程應(yīng)用聯(lián)系緊密。本文以“應(yīng)用型”人才培養(yǎng)模式為導(dǎo)向，基于工程教育認證的能力培養(yǎng)要求，對液壓傳動課程的教學(xué)改革展開研究，構(gòu)建基于知識點項目化的教學(xué)體系，整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，著重突出知識點的工程應(yīng)用及新技術(shù)成果;搭建液壓傳動課程工程項目化的技能訓(xùn)練情境，培養(yǎng)學(xué)生問題分解和處理的能力;強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，重視工程能力的培養(yǎng)，建立構(gòu)建層級遞進式實驗教學(xué)體系。

關(guān)鍵詞：液壓傳動;應(yīng)用型;人才培養(yǎng);項目化

0 ?引言

在全球智能化快速發(fā)展以及貿(mào)易保護主義抬頭的大環(huán)境下，我國提出了“中國制造2025”的重大發(fā)展戰(zhàn)略，全面推進我國制造業(yè)向工業(yè)4.0智能制造的目標(biāo)前進。液壓傳動技術(shù)在這一過程中扮演著尤為重要的角色[1]，它是一種基于帕斯卡原理建立的傳動技術(shù)，相對于機械傳動功率密度高、運動平穩(wěn)，且能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的無級調(diào)速。從工程機械到農(nóng)業(yè)機械，從汽車制造到航天制造，從民用設(shè)備到國防裝備，90%以上的機械設(shè)備都離不開液壓進行傳動控制[2]。

液壓傳動技術(shù)最早應(yīng)用在艦艇上的炮塔轉(zhuǎn)位器，而后在第二次世界大戰(zhàn)期間迅速的像民用工業(yè)發(fā)展。我國的液壓傳動技術(shù)在20世紀50年代才最初應(yīng)用于機床設(shè)備，目前在核心部件的研發(fā)技術(shù)與加工工藝上仍落后于西方發(fā)達國家[3]。究其原因，主要還是缺乏專業(yè)的高技術(shù)人才[4]。因此，需要更新變革傳統(tǒng)的液壓與氣壓傳動課程教學(xué)模式，提高高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的質(zhì)量，從源頭上儲備人才，進而推動我國液壓傳動技術(shù)的發(fā)展。本文立足應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，對照工程教育認證的能力培養(yǎng)要求，深入探討高校機械類專業(yè)課程液壓傳動的教學(xué)改革模式。

1 ?液壓傳動教學(xué)現(xiàn)狀分析

隨著科技的進步，液壓傳動的教學(xué)手段也在不斷地發(fā)展，從最初單一的書本式授課，到現(xiàn)如今可借助各種多媒體設(shè)備、教學(xué)模型等手段強化教學(xué)效果。然而從根本上來看，授課模式仍大多屬于“一言堂”模式，即以教師為中心，學(xué)生被動接受的教學(xué)方法[5]。但由于液壓傳動是一門理論性與實踐性都較強的課程，且學(xué)生缺乏必要的工業(yè)背景和空間想象能力，面對抽象的流體力學(xué)基礎(chǔ)理論與復(fù)雜的液壓元件結(jié)構(gòu)與工作原理往往興致缺缺，教學(xué)質(zhì)量和效率低下，對于綜合性、實踐性較強的液壓基本回路與典型系統(tǒng)就更加無所適從，以致于在隨后的實驗課程中，學(xué)生往往只是未加思考機械的遵照教師的講解或者按照實驗指導(dǎo)書進行操作，團隊協(xié)作，分析問題與解決問題的能力并未得到有效地鍛煉。

2 ?理論基礎(chǔ)項目化

本課程的理論基礎(chǔ)主要包括液壓傳動基本原理和流體力學(xué)基礎(chǔ)理論兩部分。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，液壓傳動的基本原理往往是通過液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟磉M行講解，對中學(xué)的物理學(xué)知識帕斯卡原理進行復(fù)習(xí)。學(xué)生處在被動接受的“一言堂”教學(xué)環(huán)境中，可能會導(dǎo)致部分基礎(chǔ)較差的學(xué)生在第一節(jié)課就對該課程失去了興趣。為培養(yǎng)學(xué)生的興趣，可在正式授課前設(shè)置一個情境項目調(diào)動學(xué)生的思維：假設(shè)某人能夠施加的最大力是x千克，若想抬起一輛吧y噸重的轎車，該如何設(shè)計液壓千斤頂。該問題不但考察學(xué)生對液壓傳動工作原理的運用，還涉及到機械原理與理論力學(xué)課程的知識，能夠較好的做好知識點的承上啟下。

流體力學(xué)基礎(chǔ)理論部分包含流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)、孔口與縫隙流動等內(nèi)容，概念抽象、公式繁多，且與后續(xù)課程內(nèi)容關(guān)聯(lián)度不強，學(xué)生易遺忘。因此，可設(shè)置工程項目強化記憶，例如液壓泵揚程為x，必需汽蝕余量為y，若需保證為液壓滑臺系統(tǒng)提供多大的輸入壓力不低于a，沿程損失？駐h，液壓泵允許的最大安裝高度是多少。該問題將課本中的真空度、空穴現(xiàn)象等知識點擴展到液壓泵的汽蝕余量概念，更貼近實際工程問題，同時有利于學(xué)生后期液壓泵的學(xué)習(xí)和理解。

通過這些項目的設(shè)置，將枯燥乏味的抽象理論基礎(chǔ)知識具象化，鍛煉學(xué)生發(fā)散思維的能力，一方面將所學(xué)的機械專業(yè)知識前后串聯(lián)，另一方面跳出課本拓展知識，開闊學(xué)生的工程視野。

3 ?液壓元件項目化

液壓系統(tǒng)的組成元件種類較多，主要介紹液壓泵、液壓馬達、液壓缸和液壓控制閥。各元件原理工作原理和特性不同，知識點較為瑣碎，因而在教學(xué)過程中易陷入照本宣科的狀態(tài)，使得課堂氛圍沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下。針對這一問題，同樣可以設(shè)置若干項目調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。例如在液壓泵與液壓馬達的教學(xué)過程中，簡化排量和效率等公式的推導(dǎo)，結(jié)合工程實踐案列，著重強調(diào)不同要求和環(huán)境下產(chǎn)品選型、流量控制、多泵聯(lián)接方式、適用油型號等內(nèi)容。

液壓控制閥部分總體包含換向閥、溢流閥、減壓閥、順序閥、節(jié)流閥和調(diào)速閥等，結(jié)構(gòu)大致包含閥體與閥芯，通過閥芯與閥口的開度關(guān)系控制系統(tǒng)內(nèi)的油液流動。在實際應(yīng)用中，當(dāng)閥芯與閥口的結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷時，易發(fā)生空穴現(xiàn)象，圖1所示為采用高速相機拍攝到的球閥內(nèi)空化流動[5]，圖2為某型號控制閥的組件實物圖及內(nèi)部抗空穴裝置[6]。如何根據(jù)流體力學(xué)基礎(chǔ)理論部分對該現(xiàn)象解釋、會造成什么后果、如何通過系統(tǒng)的設(shè)計或結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來避免空化的發(fā)生。通過這一系列項目問題的設(shè)置，不僅能夠?qū)⑶拔恼n程所學(xué)知識進行復(fù)習(xí)，同時可鍛煉學(xué)生的工程思維能力。最后介紹目前國內(nèi)外先進的抗空穴閥門技術(shù)的研究現(xiàn)狀，了解液壓行業(yè)內(nèi)的最新技術(shù)進展。

4 ?實踐訓(xùn)練項目化

液壓傳動的系統(tǒng)回路部分本課程最重要的內(nèi)容之一，綜合性較強且與工程實踐關(guān)聯(lián)密切，學(xué)生需要在了解液壓元件的基礎(chǔ)上掌握液壓系統(tǒng)原理圖分析與設(shè)計的能力。在傳統(tǒng)教學(xué)中大多先根據(jù)課本內(nèi)容逐一講解換向控制回路、壓力控制回路、速度控制回路等，然后進入實驗室開展驗證性、演示性的實驗進行強化。由于液壓回路涉及面廣，既考察學(xué)生的讀圖與識圖能力，同時也鍛煉學(xué)生的綜合思維能力，因此這種教學(xué)模式容易造成理論與實踐的脫節(jié)。

為了解決這一問題，本文構(gòu)建了“基礎(chǔ)-綜合-工程-創(chuàng)新”層級遞進式實驗教學(xué)體系。基礎(chǔ)訓(xùn)練模塊主要通過調(diào)整傳統(tǒng)的授課模式，將部分液壓回路的教學(xué)任務(wù)設(shè)置在實驗室進行，與驗證性、演示性實驗有機結(jié)合起來形成基礎(chǔ)訓(xùn)練項目模塊，使學(xué)生了解實驗設(shè)備并掌握基本操作流程。例如利用透明液壓元件、三維造型軟件及拆裝實驗細致解剖液壓閥門的流道結(jié)構(gòu)和工作方式，如圖3所示為透明先導(dǎo)式減壓閥。

綜合訓(xùn)練模塊增設(shè)綜合性、設(shè)計性實驗項目，在課本教授的基本回路基礎(chǔ)上進行改進，以小組為單位自行設(shè)計搭建并陳述設(shè)計思路，鍛煉學(xué)生的團隊合作與表達能力，然后利用液壓仿真軟件如FluidSIM模擬系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如改變溢流閥的開啟壓力和額定流量，液壓泵的輸出流量等，對執(zhí)行元件的工作速度和工作壓力進行調(diào)整，從液壓系統(tǒng)回路的定性分析深化至定量分析。圖4為FluidSIM軟件仿真圖。

工程訓(xùn)練項目模塊將企業(yè)實際問題納入實驗教學(xué)體系，構(gòu)建“現(xiàn)場”讓學(xué)生身臨其境體驗工程問題的解決方法，通過“市場調(diào)研-產(chǎn)品設(shè)計-生產(chǎn)試驗-性能測試”的實際工程項目開發(fā)流程開展課程設(shè)計[7]，全方位培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，將工程認證標(biāo)準(zhǔn)的培養(yǎng)要求落到實處。比如對某全自動軋鋼沖壓系統(tǒng)設(shè)計液壓閥塊，學(xué)生需通過調(diào)研確定閥塊的大小以及相關(guān)元件的分配，然后設(shè)計油路、確定圖紙并生成三維圖形，接著利用3D打印技術(shù)進行加工制造，最后在閉式循環(huán)試驗臺上測試性能。

創(chuàng)新訓(xùn)練模塊則是在第二課堂、大學(xué)生科研訓(xùn)練等課程的基礎(chǔ)上，以科研論文、科技競賽、專利的形式加以體現(xiàn)，強化創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，從源頭上儲備我國液壓傳動技術(shù)發(fā)展的高尖人才。該模塊主要面向?qū)W有余力的學(xué)生，結(jié)合相關(guān)課程進行系統(tǒng)的訓(xùn)練。如設(shè)計一套全自動軋鋼沖壓的模擬控制系統(tǒng)，要求能夠?qū)崿F(xiàn)物料的料倉具有定位功能，當(dāng)推料氣缸推出底層第一塊物料時，上層第二塊物料應(yīng)防止自由下落;以最短的時間內(nèi)完成1塊物料的傳送，并記錄傳送用時，傳送要安全、經(jīng)濟、平穩(wěn);在主站PLC系統(tǒng)監(jiān)控界面中，實現(xiàn)“馬達傳送用時”、“滾扎液壓缸行程”的實時參數(shù)顯示;系統(tǒng)應(yīng)具有碼垛完成提示。通過該項目的練習(xí)，學(xué)生能夠切實感受機械自動化的全過程，培養(yǎng)系統(tǒng)構(gòu)造的邏輯思維能力，進而將鍛煉成果轉(zhuǎn)化為科研成果或科技競賽。

5 ?結(jié)束語

液壓傳動課程的教學(xué)改革有助于推動液壓傳動技術(shù)的進步，進而推動我國傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造工業(yè)的發(fā)展。本文基于“應(yīng)用型”工程人才培養(yǎng)目標(biāo)，從課程內(nèi)容著手優(yōu)化，提出理論基礎(chǔ)項目化和液壓元件項目化的教學(xué)方法，突出學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，開拓工程視野;構(gòu)建了以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為最高目標(biāo)的“基礎(chǔ)-綜合-工程-創(chuàng)新”層級遞進式實驗教學(xué)體系，探索解決理論與實踐脫節(jié)的教學(xué)模式。

參考文獻：

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