基于CDIO的液压与气动技术课程教学改革

谢 群，崔广臣，王 健，闫家超，申靖宇

（沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159）

装备人才培养

基于CDIO的液压与气动技术课程教学改革

谢 群，崔广臣，王 健，闫家超，申靖宇

（沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159）

为了提高学生的实践能力、创新能力和协作精神，根据CDIO工程教育模式大纲和实施标准对液压与气动技术课程进行改革，建立了CDIO模式下的液压与气动技术课程教学体系，提出了理论教学、实验教学和课程设计的具体实施方法。

CDIO；工程教育；液压与气动技术

传统的工程教育偏重于专业知识的传授，忽视了学生实践能力、协作能力和创新精神的培养，因此培养出来的工程师难以适应现代化的新产品、新系统的开发与研究。国际工程教育的新成果CDIO工程教育模式就是为了解决上述问题而产生的，CDIO工程教育模式是根据产品的构思（conceive）、设计（design）、实施（implement）和运作（operate）的全过程建立课程体系，使学生能够以主动的、实践的方式学习。CDIO所提出的系统能力培养教学大纲，体现了工程师所具备的知识、能力和素质，CDIO提出了全面的实施指引及实施检验的十二条标准指导工程教育改革，具有很强的可操作性，近年来在我国各高校普遍引入了这一工程教育理念[1-2]。

液压与气动技术在制造业、交通运输、国防工业等各个领域应用非常广泛，是科学技术现代化中不可替代的一项重要专业技术，也是当代工程师应该掌握的重要技术之一。液压与气动技术课程具有理论性、综合性、实践性强的特点，在教学中不仅应注重培养学生牢固掌握理论知识的基础上综合运用所学知识解决问题的能力，更应注重学生创新能力、动手实践能力和团队协作能力的培养，以适应现代社会发展对高素质的液压与气动技术人才的需求。因此，在本门课程教学中引入CDIO工程教育理念，根据CDIO大纲和标准进行相应的教学改革，建立了项目驱动的理论教学、综合实验、课程设计一体化的课程教学体系，提出了CDIO模式的理论教学、实验教学和课程设计的具体实施方法[3-4]。

1 课程教学改革的总体思路

CDIO标准提出，技术知识和能力的教学实践应以产品、过程或系统的构思、设计、实施和运行作为工程教育的背景（标准1），以工程师所应具备的基本个人能力、人际能力和对产品、过程和系统的构建能力作为学习目标（标准2），并从综合性的学习经验（标准7）和主动的学习方法（标准8）帮助学生取得这些能力，并进行学生的学习评估（标准11）。

根据以上CDIO实施标准，指导CDIO模式下的“液压与气动技术”课程改革的总体思路如下：

（1）调整理论教学内容，注重理论知识在工程实际中的应用；改革传统的教学方法，采用启发式、案例式、问题探讨、项目驱动等教学方式；改进教学手段，利用多媒体课件，生动形象地体现课程的知识点，使学生变被动学习为主动学习。

（2）设置综合性实验，注重提高学生运用综合知识解决实际问题的能力，通过分组形式设计实验回路、实际动手操作运行回路的实践过程培养学生的实践能力、创新能力和团队协作精神。

（3）将项目驱动贯穿课程教学体系的始终。在理论教学中，讲解基础知识的同时引入项目，讨论基础知识在项目系统构建中的作用；在实验教学中，针对项目构建学习相关知识点，进行项目构思；在课程设计中，运用综合知识，分组讨论项目设计、实施和运作，实现学生综合能力的提高。

2 课程教学改革的实施方法

传统的教学一直存在着重视理论教学忽视实践操作，重视学生个人知识与能力的提高忽视团队合作精神，重视学习知识忽视创新精神的培养等问题，采用CDIO工程教育模式，改革传统的教学方法，针对液压与气动技术课程建立了理论教学、综合实验、课程设计一体化课程教学体系，并给出了教学改革具体的实施方法。

2.1 主动的理论学习

（1）调整理论教学内容

理论教学内容不仅要注重基本理论，更应该突出工程应用。项目驱动的理论教学内容及其在项目构建中的应用如图1所示。在流体力学部分减少复杂的公式推导和理论分析，重点讲授三大方程的物理意义和所能够解决的实际问题，例如：利用伯努利方程解决泵的吸油高度问题、管路的压力损失问题；利用动量方程解决阀芯运动的液动力问题等。由于实际液压系统故障的产生70%都是由于油液污染造成，因此，增加液压工作介质的性质、选用和污染控制内容。在液压元件和液压基本回路的教学中重点介绍实际应用和新的液压技术成果。对于气压传动来说，因为与液压传动的基本工作原理相同，学生可以自学，只在教学中引导学生从两种传动方式工作介质性质的不同了解液压与气压传动的不同应用[5]。

图1 课程内容之间的关系及在项目构建中的作用

（2）改革传统教学方法

传统的理论教学以教师为主体，注重知识的传授，CDIO理念下的理论教学方法要求教师以学生为主体，采用案例式、问题探究式、项目驱动式等教学方法，同时把科研课题与教学融合，激发学生的兴趣，提高学生学习的主动性。例如绪论课先例举学生们熟悉的和感兴趣的液压与气动设备，如液压电梯、挖掘机、公园大型游戏机、万吨水压机、地铁盾构机、汽车生产线等，激发他们继续探索的欲望。案例教学也是提高学生学习主动性的有效方式，不仅可以在液压元件和基本回路工作原理讲解中结合具体工程实际案例也可以利用案例计算使学生整体地把握知识的应用。例如，在讲授动力元件与执行元件的性能参数时，为了将抽象的参数与工程实际联系起来，使学生了解参数的实际意义和参数计算所能够解决的工程问题，因此在教学时将教师的科研实例转化成例题。下面是以盾构机推进液压系统为例的计算。主泵的最大排量V =75 cm3/r；转速n=1 475 r/min；工作压力p=35 MPa；泵的容积效率ηvp=0.95；机械效率ηmp=0.98，液压缸活塞直径D=260 mm；液压缸的容积效率ηvg=0.92；机械效率ηmg=0.94.求：所需电机的功率、液压缸的驱动力和最大推进速度（20个缸；不计管路损失）。解：泵的最大输出流量q=Vnηvp=75×10-6×1 475×0.95/60=1.75×10-3（m3/s）；所需电机的功率P=pq（ηvpηmp）=35×106×1.75×10-3/（0.95 ×0.98）=66×103W＝66 kW.液压缸的驱动力F =20pAηmg=20×35×106×3.14×0.262×0.94/4=35 ×106N.液压缸的最大推进速度v=qηvp/A=1.75 ×10-3×0.92×4/（20×3.14×0.262）=1.5×10-3m/s＝91 mm/min.通过参数计算，使学生充分了解到参数计算不仅反映系统的工作能力，同时也是实际系统设计的必由之路。

（3）改进教学手段

液压和气动元件结构比较复杂，基本回路组成和原理不好理解，利用书中的图片很难使学生在有限的学时内掌握，因此，通过开发配套的多媒体教学课件，提高教学效果。在课件中将元件的结构用三维爆炸图显示，将元件的原理制成二维动画形式，把元件结构和原理直观地体现出来。对于基本回路，同样通过动画的方式，将回路工作时油液流动情况以及回路中元件的工作情况显示出来，例如，如图2所示为压力控制顺序动作回路的动画，通过这种多媒体课件形式，使学生能够很容易地理解元件和基本回路的复杂结构、工作原理、性能特点以及实际应用。

图2 压力控制顺序动作回路动画原理图

2.2 综合化的实验教学

课程实验环节的设置，是学生巩固液压与气动技术理论知识、提高实践能力的关键教学部分。传统的液压与气动技术实验多是验证性实验，不利于学生综合能力的培养。基于CDIO理论的实验设置必须从培养学生的创新能力、实践能力和协作能力着手，因此，将验证实验改成设计综合实验。在实验中，学生分组讨论，运用本课程多个知识点或运用液压知识与其他知识相结合自行设计并动手实践。例如，所设计的综合实验中夹紧装置液压控制系统、进给装置液压控制系统、包裹提升机液压控制系统三个实验均为电液综合实验，要求学生在实验中首先根据提出的问题设计液压系统，并进行相应的PLC控制回路设计，然后在实验台上进行实际液压回路和电气回路的连接，调试好后运行系统。

2.3 综合性、实践性的课程设计

课程设计是学生利用所学基础知识解决实际问题的创新性工程实践。传统的课程设计缺少综合运用知识的环节和实践环节，而且基本是一人一题独立完成。CDIO模式下的课程设计采用项目驱动，利用具有综合性、实践性的实际项目，培养学生的综合能力。贯穿整个课程教学体系的项目要在最后的课程设计环节完成。学生选择的项目主要分为两大类：液压机液压系统和机床液压系统。在理论教学中，介绍CDIO模式项目驱动下的液压与气动技术教学的课程体系，引入项目和实施计划，使学生带有目的学习与实践。理论课和实验课结束后，先将学生分为两组就两类项目进行调研，课程设计开始后，再将每组学生分成三人一小组，每组题目的工况条件和参数不同，要求三人讨论合作完成项目。

学生首先综合运用所学知识设计项目，包括液压系统原理设计、继电器控制电气回路设计、液压缸结构设计，然后利用Fluid-sim软件在计算机上仿真运行，验证所设计液压系统的合理性。最后通过答辩的方式验收，教师根据学生的演示运行情况、回答问题情况，结合设计图纸以及设计说明书内容的完整性和正确性综合给出成绩。

3 结束语

CDIO模式下的液压与气动技术课程教学改革，提出了项目驱动的理论教学、实验教学、课程设计一体化的课程教学体系和具体实施方法。通过教学实践证明，学生学习兴趣增加，真正成为了学习的主体，他们的基础知识掌握牢固，综合运用知识解决问题的能力增强，勇于实践敢于创新，团结协作意识提高，教学质量显著提高。

[1]顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究，2012，（3）：24-40.

[2]顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（下）[J].高等工程教育研究，2012，（5）：34-45.

[3]李笑，肖体兵，杨雪荣，等.液压与气压传动课程体系的改革与实践[J].中国现代教育装备，2012，（7）：55-57.

[4]孔祥东，权凌霄，姜万录，等.“液压伺服与比例控制系统”课程体系建设与改革[J].中国大学教育，2011，（3）：67-69.

[5]谢群，崔广臣，王健.液压与气压传动[M].2版.北京：国防工业出版社，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

辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目（UPRP20140440）；沈阳理工大学教学改革项目，“液压与气动技术”研究型课程教学模式改革与实践。

谢群（1965-），女，辽宁沈阳人，教授，硕士，主要从事流体传动与控制方面的科研与教学工作。