基于虛擬仿真技術的液壓與氣動應用技術課程教學改革探索

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.052

摘 要 在教育教學與信息化技術逐漸融合的背景下，傳統的教學方式很難激發學生的學習興趣，難以實現教育教學效果的最優化。為了獲得更理想的教學效果，需要在教學過程中融入信息化教學手段。通過借助虛擬仿真軟件，讓液壓氣壓元件、液壓氣動系統回路做到流動起來，以直觀的視覺效應吸引學生的注意力，加深他們對液壓與氣動傳動系統的理解。

關鍵詞 高職院校；虛擬仿真技術；液壓與氣動應用技術；教學改革；任務驅動教學；實訓室

中圖分類號：G712 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）05-0052-03

0 引言

在新形勢下，高等職業教育應當根據學生的特點，調整理論課程和實操課程比例，更加注重學生實踐能力的培養[1]。結合目前液壓與氣動應用技術課程教學存在的諸多弊端，需要找出有效的改革措施，提高教學質量。以虛擬仿真技術為媒介，對液壓與氣動應用技術課程實施教學改革探索，主要利用中望3D、Flash、AMESim仿真軟件引入虛擬仿真技術，對液壓氣壓元件的工作原理、功能特性以及液壓氣動系統基本回路進行虛擬仿真演示，構建新的教學模式，增強課程教學效果[2]。

1 液壓與氣動應用技術課程教學問題分析

液壓與氣動應用技術課程傳統教學模式主要為教師課堂講解，所學內容幾乎全部由教師講授，學生只是一味機械式地聽講[3]。這一教學模式單一、缺乏活力，沒有考慮高職院校學生基礎知識薄弱、理論知識接受能力差的特點[4]。此外，液壓與氣動應用技術課程的教學實踐操作與理論教學的比例往往難以平衡，液壓與氣動實訓室的實訓設備也很難滿足所有學生一起實訓的需求。課中學生動手實操時間有限，并且在進行液壓系統或氣動系統實操的過程中，只是照著教師的演示進行模仿，很少帶著問題去思考。實踐課時與理論課時安排不合理、實訓設備缺少等因素，嚴重影響了液壓與氣動應用技術課程的教學效果[5]。

2 液壓與氣動應用技術課程教學改革方向

任務驅動教學以任務為引線，學生圍繞任務進行小組討論、課上答疑、實操演練、成果展示等教學環節，落實課堂上以學生為主、學生為本的教學理念，通過任務驅動使學生更加直接地進入液壓系統的應用和實踐?？紤]到液壓與氣動應用技術課程具有內容抽象、元件示意圖復雜、系統實踐性強等特點，以任務為引線，學生可以清晰地掌握知識要點，同時可培養學生獨立思考問題、分析問題、解決問題的能力。在課程設計中，任課教師需要預先以項目的形式對液壓與氣動應用技術課程所涵蓋的知識點進行劃分整合，每個項目分為理論知識和實踐操作兩部分。在教學過程中，教師借助信息技術平臺給學生下達任務，學生利用虛擬仿真軟件按照要求完成虛擬仿真模擬演練。

3 基于虛擬仿真技術的液壓與氣動應用技

術課程教學改革探索

3.1 基于虛擬仿真技術模擬液壓氣壓元件的拆解過程

液壓氣壓系統中液壓缸、控制閥是系統的核心元件，這些元件結構與工作原理學習起來相對抽象。學生可以在實訓室拆裝液壓氣壓元件，達到了解其內部構造和工作原理的目的。但是大部分高職院校實訓條件達不到學習的要求，實訓室缺乏足量的液壓氣壓元件，再加上學生拆裝過程長，元件損耗大，拆卸后零件損壞或丟失，不能進行多次重復拆裝，導致教學效果不明顯。

教師可以借助中望3D軟件，開發液壓氣壓元件的三維模型，制作相應的虛擬拆裝視頻。教師引領學生在中望3D軟件上演示液壓氣壓元件的虛擬拆裝，以此方式講解其工作原理。這種課程設計清晰易懂，學生上課也有興趣，學習積極性也高。圖1所示為學生利用仿真軟件對齒輪泵進行虛擬模擬拆裝。通過模擬拆裝，學生可以掌握齒輪泵由哪些零件組成，每個零件之間的裝配關系，也可以對齒輪泵進行剖切，了解其內部結構，對理解齒輪泵的工作原理有很大的幫助。同時解決了在實訓室拆裝液壓氣壓元件的一些弊端，并且課下學生可以隨時復習，自己練習液壓氣壓元件的拆裝過程，實現不在實訓室也能完成實操課程。

3.2 基于虛擬仿真技術模擬液壓氣壓元件工作原理

在學習液壓系統和氣動系統時，要學會帶著問題去分析，很多知識點是抽象的，不易用語言來說明，需要用直觀的表達方式來解釋。例如：液壓泵是如何吸入低壓油、輸出高壓油的？控制閥是如何控制液壓油、壓縮空氣的流動方向、壓力及流量的？利用Flash軟件對液壓氣壓元件進行動畫模擬，演示其工作過程，通過動態效果演示，學生可以直接觀看這些元件的工作過程，這種教學方式更直觀生動，可有效幫助他們理解這些液壓氣壓元件的工作原理。

圖2所示為利用Flash做的齒輪泵工作過程動畫，該動畫演示了齒輪泵吸壓油的整個過程。動畫中箭頭代表油液流動方向，藍色為吸油區，紅色為壓油區，學生可以直觀地看到液壓油的流動方向，容易分辨出吸油區和壓油區。教師以動畫視頻為媒介解析齒輪泵工作原理的方式，相比對照書本、PPT直白地講解，效果更明顯。齒輪泵內有許多密封的容積腔，學生通過觀察齒輪泵中油液的流動，在齒輪轉動過程中可以看到容積腔體積發生變化，吸油區容積腔體積變大，將油箱低壓油吸入，壓油區容積腔體積變小，輸出高壓油。

圖3所示為利用Flash軟件做的直動式溢流閥動畫。該動畫演示了怎樣開啟直動式溢流閥的過程，液壓油在壓力的作用下從溢流閥進油口流入，在進口油壓大于等于閥芯上端彈簧力時，液壓油推動閥芯向上移動，從而使進油口與出油口連通，直動式溢流閥打開開始工作。學生通過動畫演示，可以從油液流動分析閥芯是怎樣被打開的。相對于教師的理論分析公式推導，動畫演示可以更有效地幫助學生理解直動式溢流閥的工作原理。

3.3 液壓氣動系統基本回路的虛擬仿真

液壓氣動系統一般由一個或多個基本回路組成。以往課堂上很多學生只是照本宣科地去搭建液壓基本回路，很少會分析基本回路為什么會有這樣的功能。目前大多數高校的液壓實訓設備老舊，存在油箱、油管漏油的現象，不利于學生的實操。且實訓設備缺乏，一個小組分配一個實訓臺，每組有五人左右，很多學生只是觀看組內成員搭建液壓基本回路測試其功能，以致實操課程達不到預期效果。

基于信息化技術的廣泛應用，利用AMESim軟件搭建液壓氣壓系統回路，觀察系統中執行元件的速度、位移壓力的變化。圖4所示為學生利用AMESim軟件搭建的換向閥換向回路。利用該換向回路仿真演示執行元件的運動狀態，查看系統各處的壓力變化。并且通過改變系統各元件的調定值參數，如溢流閥的cracking pressure（開啟壓力），液壓缸的rod velocity（速度）、spring preload（負載）、length of stroke（行程）等，觀察液壓系統壓力、流量的變化，幫助學生掌握各元件的作用以及基本回路的功能實現。

在學習液壓氣壓典型回路時，教師首先引領學生梳理一遍工作流程，然后讓學生對照原理圖利用虛擬仿真軟件搭建整個液壓氣壓系統，通過模擬仿真演示整個系統回路的工作過程，對系統回路進行優化、創新。如工業自動裝配機控制系統，依照對自動裝配機的工作要求，教學過程如下。

1）學生分組討論分析自動裝配機控制系統中包含哪些液壓基本回路，設計最佳的裝配機控制系統液壓回路。

2）依據自己設計的液壓回路制作電磁閥或行程閥的動作順序表，然后根據原理圖利用虛擬仿真軟件和實訓臺搭建液壓回路進行驗證。

3）搭建完成液壓系統回路，實現自動裝配機工作過程的模擬仿真。同時，可以嘗試將回路中液壓元件的設定參數進行調整或者更換液壓元件，進行對比分析，驗證設計的自動裝配機控制系統液壓回路是否為最佳回路。

4 虛擬仿真教學實踐效果分析

虛擬仿真技術融入液壓課程教學，可以使復雜液壓系統問題條理化、抽象的液壓元件問題形象化，以虛擬仿真軟件結合實訓室設備的教學方法解決實訓設備不足的問題，充分拓展課堂。把項目引入課堂，以任務驅動的方法引導學生思考、探究、討論、自主完成實操演練等教師布置的任務。這樣的教學方式做到課堂上以學生為中心，讓學生經歷整個課程所有的環節，課程不僅豐富多彩，而且學生的參與度也大大提高，他們在每個項目上都有收獲，教學效果明顯增強。利用虛擬仿真技術與實訓室結合，一方面可以增強實訓課程的效果，另一方面，學生利用仿真軟件平臺可以模擬實現許多現實生活中運用液壓系統的案例，面對的不再是抽象、復雜、模糊的液壓系統，這樣的課程更加充實、更易被接受。

教學過程實施：

1）教師首先通過新媒體技術提前發布下節課要學習的內容，學生在課前提前預習；

2）教師課中拋出項目中涉及的任務知識點并給出一些參考見解，引導學生探究怎樣利用虛擬技術解決這些問題；

3）學生在小組內展開討論、相互協作，每位學生根據討論的結果進行自主學習探究；

4）顯示借助實訓臺搭建自己在虛擬仿真軟件中設計的液壓氣壓系統，探究液壓氣壓元件和系統的

功能；

5）教師對學生給出的解決問題方案進行分析與評價，最后總結回顧本節課程，強調重難點。

5 結束語

把虛擬仿真技術與液壓與氣動應用技術課程結合進行教學實踐探索，極大地提高了教學質量。這種教學方式有以下優勢。

1）課程結合虛擬仿真技術開展教學，可以使學生對抽象的理論知識有更直觀的理解，幫助學生迅速理解和掌握液壓與氣動的基本知識。

2）課程以項目形式展開，學生首先聽教師講解項目液壓氣動元件和液壓氣動系統，然后根據教師分配的任務討論設計液壓氣壓回路，利用仿真軟件對其進行模擬演示。通過這種方式進行教學，可以增強學生學習的主動性，實現理想的教學效果。

3）由于液壓氣壓系統設計回路時選擇的元件并不是固定的，利用仿真軟件，學生可根據任務要求選擇不同的元件，優化設計的液壓氣動回路，然后通過對比分析，選出最合適的回路。

4）將虛擬仿真技術融入液壓與氣動應用技術課程教學，可將抽象的液壓知識以直觀、生動的方式展現給學生，幫助學生輕松掌握教學內容。

參考文獻

[1] 惠相君.仿真軟件在《液壓與氣動技術》課程教學中

的應用[J].液壓氣動與密封，2017（6）：43-46.

[2] 畢長飛.FluidSIM 3.6仿真軟件在《液壓與氣動技術》

中的應用[J].液壓與氣動，2011（8）：111-104.

[3] 林雪冬.基于虛擬仿真技術的液壓與氣動技術課程的

教學改革實踐研究[J].科技資訊，2019（21）：97-98，

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[4] 瞿希.液壓與氣動實驗教學改革與實踐研究[J].內

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[5] 王亞東.液壓與氣動實驗教學改革探索[J].中國設

備工程，2020（6）：162-164.

*項目來源：2021年湖州職業技術學院校級規劃課題“基于虛擬仿真技術下《液壓與氣動應用技術》課程教學改革

探索”（項目編號：2021JY21）。

作者：王勇，湖州職業技術學院，研究方向為流體傳動與控制；劉國文，湖州職業技術學院，副教授，研究方向為機電一體化技術（313000）。