液壓與氣壓傳動一流課程建設探索與實踐

施杰 楊琳琳 唐秀英 孫波 張鴻富

*項目來源：云南省一流本科專業建設項目“云南農業大學機械設計制造及其自動化專業”；云南農業大學一流本科課程建設項目“液壓與氣壓傳動”“可編程控制器原理及應用”（基金編號：2020YLKC019、2021YLKC045）。

作者簡介：施杰、楊琳琳、唐秀英，副教授；孫波，正高級工程師；張鴻富，講師。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.10.055

摘? 要? 建設一流課程是建設一流專業、一流學科乃至一流大學的核心工作。在“雙一流”建設背景下，針對液壓與氣壓傳動課程建設與教學方面存在的問題，從課程教學理念、課程目標、課程內容、課程教學設計、課程管理與評價等方面入手，探索和實踐向混合式教學模式轉變、引入虛擬仿真軟件、引入數字化建模與3D打印技術、加強與相關課程的交叉融合、改進課程教學評價機制等一流課程建設措施。實踐表明，上述措施能有效改善課程教學效果，對于其他一流課程建設具有一定的參考和借鑒價值。

關鍵詞? 一流課程；液壓與氣壓傳動；混合式教學；虛擬仿真；OBE理念；數字化建模；3D打印技術

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）10-0055-04

0? 引言

目前，我國高等教育已從大眾化進入普及化階段[1]，同時高等教育也步入改革的深水區。為了建設教育強國，提升高校的國際競爭力，教育部等多部門于2018年8月發布《關于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》，明確提出“雙一流”建設的基礎性任務是一流本科教育和一流師資隊伍，致力培養拔尖創新人才，提升科研水平，推進成果轉化，實現高等教育治理能力現代化，并與國際接軌[2]。2019年10月，發布《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》，進一步強調課程是專業構成的基本單元，課程在人才培養中處于核心地位，課程質量直接決定了人才培養質量[3]。因此，要實現教育強國，建設一流專業、一流學科，加強一流課程建設是基礎和關鍵。

液壓與氣壓傳動是機械類專業的一門核心課程，該課程具有較強的綜合性、應用性和實踐性。課程內容涵蓋液壓與氣壓傳動基本原理、液氣壓元件工作原理與基本結構、液氣壓回路的組成與工作原理、典型液氣壓系統工作原理、液氣壓系統分析與設計方法等內容。通過課程學習，要求學生能在理解有關液壓、氣壓元件結構和工作原理基礎上，掌握液壓、氣壓系統回路的工作特性和應用場合，培養學生必要的分析和設計能力，具備解決復雜工程問題的能力。

本文在“雙一流”與“新工科”建設背景下，針對液壓與氣壓傳動在課程建設、教學等方面存在的問題，通過對課程教學理念、課程目標、課程內容、課程教學設計、課程管理與評價等方面進行改革，提出了一些一流課程建設措施，并對此進行實踐探索。

1? 課程概況與存在的問題

學校的液壓與氣壓傳動課程自1998年創辦機械設計制造及其自動化專業起開設，歷經20多年的發展，教學團隊對課程開展持續建設與改革。2000年，“不斷改進液壓傳動課程教學方法提高教學質量”獲校級教學成果二等獎；2002年，該課程被列為校級一類建設課程；2005年，“液壓傳動課程教學建設創新研究與實踐”獲校級教學成果三等獎；2012、2013年，“液壓傳動課件”獲校級一等獎和省級三等獎；2015年，“液壓傳動微課程”獲校級二等獎；2017年，包含該課程建設的“農業院校機械類專業學生信息技術應用能力的培養研究與實踐”獲校級教學成果三等獎；2020年，該課程被遴選為校級一流本科課程；2021年，包括該課程建設的“地方農業院校機械類專業智能制造人才培養探索與實踐”獲校級教學成果一等獎；2021年，該課程被省教育廳推薦申報第二批國家級和省級一流本科課程。

雖然液壓與氣壓傳動課程通過持續建設取得一些成績，但還存在不少問題。例如：課時少而內容多，教師為了完成教學內容，還是采用填鴨式教學，師生之間互動少，導致學生的學習主動性不高；由于實驗條件不足，課程實踐環節學生學習質量和參與度都不高；教學中重理論輕實踐，學生難以學以致用，更難以達到解決復雜工程問題的目標；教師大多沒有企業工作經歷，缺乏足夠的實際工程經驗。

以上問題都是在進行一流課程建設過程中需要著力解決的重點和難點。

2? 一流課程建設探索與實踐

根據教育部《關于一流本科課程建設的實施意見》對一流課程的遴選標準及一流課程應具有高階性、創新性和挑戰度的“兩性一度”特點[4]，在液壓與氣壓傳動一流課程建設過程中，教學團隊從轉變教學模式、引入虛擬仿真軟件、引入數字化建模與3D打印技術、加強與相關課程的交叉融合、持續改進課程教學評價機制等幾個方面開展探索與實踐。

2.1? 由傳統教學模式向混合式教學模式轉變

隨著“互聯網+”、人工智能等技術的發展，傳統以教師講授為主的教學模式已經不能滿足現代化教育教學的要求。而“以學生為中心”的混合式教學模式[5]能夠充分發揮傳統課堂和線上教學兩者優勢，取得較好的教學效果。液壓與氣壓傳動課程的混合式教學包括線上自主學習和線下理論教學兩個部分，分為課前、課中和課后三個教學環節。首先，開展混合式教學的關鍵是要建設高質量的網絡教學平臺，因此，教學團隊應用智慧樹平臺搭建液壓與氣壓傳動網絡教學平臺。在該網絡平臺上建設多媒體課件、微課視頻、課程思政案例庫、液壓與氣壓工作原理動畫庫、習題庫等模塊，提供給學生進行自主學習。其次，對教學內容、教學方法、教學手段進行改革，將知識點碎片化，增加實際工程案例，并把課程思政案例與教學內容進行有機融合。通過在課前發布預習內容和問題討論，收集學生學情與反饋；課中講解重點和難點；課后發布課程作業和討論，了解學生的學習情況，查漏補缺。最后，利用雨課堂、QQ群等工具完善師生間的互動溝通。將混合式教學引入液壓與氣壓傳動課程后，充分發揮信息技術的優勢，師生能利用手機、智慧樹、雨課堂等信息工具將線上與線下、自主學習與理論教學有機結合。有效調動學生的主動性、積極性，發揮教師在教學過程中的引導、啟發和監控

作用。

2.2? 將虛擬仿真軟件引入理論和實踐教學

液壓與氣壓傳動課程中的各類系統回路工作過程抽象難以理解、實踐性強。同時，液壓與氣壓傳動實驗室建設存在設備投入大、占用空間大和使用頻率低等問題，從而導致實驗室建設水平不高，難以滿足理論和實踐教學的要求[6]。針對這些問題，教學團隊在教學過程中引入了Festo公司的FluidSIM仿真軟件，該軟件由用于仿真液壓傳動的FluidSIM-H和仿真氣壓傳動的FluidSIM-P組成，圖庫中包含豐富的液壓、氣壓和電氣元件，可進行液壓傳動、氣壓傳動、電氣控制等回路的設計、測試和仿真。FluidSIM虛擬仿真將抽象的液氣壓回路工作原理直觀顯示為實際的運動形式，更易于學生加快對教學內容的理解。

節流調速回路由定量泵、溢流閥、節流閥和執行元件（液壓缸或液壓馬達）組成，按照節流閥在油路中不同的安裝位置，構成三種不同的回路形式：進口節流調速回路、出口節流調速回路和旁路節流調速回路。在教學中需要分別介紹回路的機械特性、功率特性和調速特性，存在理論枯燥難以理解的問題?？梢酝ㄟ^對節流調速回路進行FluidSIM建模仿真的方式，在溢流閥和節流閥的出口處各接一個流量計，用以觀測二者輸出的流量；將節流閥改為單向節流閥，使執行元件回油從單向閥通過；并在執行元件上增設一個行程開關，行程到位后執行元件自動返回。在回路的仿真過程中，可以實時顯示和控制回路的工作狀態，觀測到液壓缸的位移、運動速度、輸出力、節流閥開度、油口壓力等狀態量的變化情況。將虛擬仿真軟件FluidSIM應用于教學，使得抽象、難以理解的液壓與氣壓傳動理論知識能夠具體化、直觀化地讓學生接受，降低課程的教學難度；也有利于學生了解液壓與氣壓傳動系統的設計過程，觀察系統工作過程中的狀態變化，達到自主驗證和設計液氣壓系統的目的。

2.3? 將數字化建模與3D打印技術引入實踐教學

3D打印是快速成型技術之一，也是一種增材制造技術[7]，是在數字化模型的基礎上，將可粘合材料進行逐層打印，最終堆疊出物理實體。由于液氣壓元件的結構復雜，工作原理難以理解，在授課過程中讓學生對元件結構進行3D建模和3D打印，能使學生更形象地了解液氣壓元件。3D打印的基礎是建立液氣壓元件數字化模型，因此，在實踐教學中需組織學生通過SolidWorks等建模工具對液氣壓元件進行測繪、三維建模、虛擬裝配和干涉分析，再對數字化模型進行打印。以齒輪泵的3D打印實踐教學內容為例，首先讓學生在實驗室中對齒輪泵進行拆裝和測繪，深入理解其結構和工作原理；其次采用SolidWorks建立齒輪泵的三維數字化模型，并進行模型的虛擬裝配與公差配合的檢查；最后將三維模型轉化為3D打印機可以識別的文件格式，導入打印軟件進行切片處理和打印。

同時，液氣壓傳動技術的發展也與先進制造技術密不可分。通常液氣壓元件內部結構較為復雜，特別是新型元件的流道、閥芯和閥體的結構更加復雜，傳統制造方法已很難滿足液氣壓元件的制造要求，而作為先進制造技術的3D打印為液氣壓元件的加工制造提供了很好的解決方案。所以將數字化建模和3D打印技術引入本課程，不但能滿足實踐教學的要求，還能擴展學生的綜合技能，為今后工作打下良好基礎。

2.4? 加強與相關課程的交叉融合

液壓傳動技術與自動控制技術密不可分[8-9]，液壓傳動是實現機械運動和動力傳遞的手段，而控制技術是通過控制壓力、流量、方向和速度來控制工作機構的運動達到所需的動作要求，只有兩者配合使用才能實現對機械裝備的控制要求。同時，在液壓傳動和控制系統中也涉及大量的油路和控制元件，需要相應的傳感器、執行元件以及傳感器信號處理器來實現精確地控制，從而實現系統安全、高效和可靠的運行。因此，將液壓與氣壓傳動、控制工程原理、可編程控制器原理及應用、傳感與檢測技術等課程進行交叉融合，才能讓學生學以致用，凸顯課程的應用性與趣味性。

教學團隊在液壓與氣壓傳動課程教學設計中，就充分考慮了與可編程邏輯控制器（Pro-grammable Logic Controller，PLC）原理及應用課程的融合，將液氣壓傳動系統的控制過程通過PLC來實現。PLC接收傳感器檢測到的液氣壓系統的流量、壓力等參數，再通過對PLC的編程實現相關參數的調節，從而實現液氣壓系統的自動化控制。從制定教案、設計實驗、組織學生參加液壓傳動和PLC技術競賽等教學環節，將這兩個領域的課程融合，既能夠提高學生的機械、液氣壓傳動理論水平，又能夠培養學生編程、自動化控制的能力。

2.5? 持續改進課程教學評價機制

基于專業認證的教學評價過程必須遵循持續改進這一核心理念[10]。因為，傳統教學評價注重評價的評定性與選拔性功能，沒有診斷性與改進性功能，是一種終結性評價。而基于專業認證的教學評價過程具有動態性和整體性，它的評估過程系統地貫穿課程教學、學習整個生命周期，是一種形成性評價。這種形成性評價既可以總結上一階段學習效果并發現問題，又能對下一階段教學進行改進。

OBE（Outcomes-based Education）是專業認證中的另一核心理念，它以培養學生核心能力為中心來構建培訓體系，對人才培養模式進行重大變革。在高校專業教學模式中引入OBE理念，能對人才培養質量的提高起到積極作用[11]。教學團隊按照持續改進與OBE理念的要求，將課程目標與學生畢業要求達成作為考核內容和考核方式設計的依據，采用過程評價與期末考核相結合的方式，綜合評定課程學習成績。課程總評成績由平時成績（課外自主學習、章節練習和實驗操作）、3D建模與3D打印訓練、FluidSIM仿真和期末考試（理論知識測試、案例分析等）組成，以綜合評價學生分析問題和解決問題的能力。同時，加強探究式、項目式、論文式、報告答辯式作業評價方式，建立形成性動態評價過程，通過綜合性和非標準化評價來保障人才培養質量。

3? 結束語

打造“金課”、建設一流課程是一流專業建設的基礎，更是提高人才培養質量的有效手段。本文針對液壓與氣壓傳動課程在教學、人才培養、一流課程建設方面存在的問題，從課程教學理念、課程目標、課程內容、課程教學設計、課程管理與評價等方面入手，研究由傳統教學模式向混合式教學模式轉變、將虛擬仿真軟件引入理論和實踐教學、將數字化建模與3D打印技術引入實踐教學、持續改進課程教學評價機制等一流課程建設途徑，并且對上述措施進行實踐。

實踐表明，上述措施能有效調動學生學習的主動性和積極性，課程教學效果得到改善。同時，這一研究成果對于機械類專業其他一流課程建設有一定的參考和借鑒價值。教學團隊也認識到在今后工作中還需進一步確定清晰、準確的課程建設目標，將各類軟硬件資源進行整合，通過優化課程內容、強化綜合實踐訓練等措施，方能培養出知識、能力、素養等方面協同發展，具有較強工程實踐能力和創新能力的復合型工程技術人才。

4? 參考文獻

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