基于线上教学和虚拟实践的“液压与气压传动”教学设计与实施

2021-03-16方自强万宇杰易建钢彭松林

装备制造技术 2021年11期

方自强，张良，万宇杰，易建钢，彭松林

（江汉大学智能制造学院，湖北武汉 430056）

0 引言

“液压与气压传动”是机械类专业的核心基础课，该课程以流体力学理论知识为基础，融合了泵、缸、马达、阀以及液动和气动控制回路等工程应用类知识，所授知识应用面广，在数控机床、汽车、航天、船舶、工程机械等行业均有广泛的应用。

在本教学团队的“液压与气压传动”长期教学实践中，发现现有教学模式存在2 个相互矛盾的问题[1]：（1）流体力学基础知识理论性强，涵盖知识点多，而液压与气压元的工程应用类知识均基于机械结构部件，元器件内部结构复杂，回路传动原理逻辑性强，使得提高课堂教学效果必须以延展课堂教学时间为前提；（2）依据“工程教育认证”的课程培养方案，教学大纲不断对课堂教学课时进行压缩，使得线下课堂教学课时逐年缩短。上述2 个问题迫使教学团队必须对“液压与气压传动”教学模式开展探索、改造和升级[2]。

为了在更短的教学课时内加深学生对“液压与气压传动”相关理论知识点的理解，并提升学生应用理论知识开展实践的能力，本课程团队在优课联盟平台上建立了“液压与气压传动”网络教学课程，用于学生自学和复习重要知识点[3-5]；在线下教学中，本课程团队以前期所搭建的“液压虚拟仿真教学实验平台”为基础，开展虚拟仿真实践教学，在加深学生对实用知识的理解的同时，提高学生的动手能力[6-7]。

1 线上网络教学平台的建设与使用

“液压与气压传动”网络在线课程的建在“优课联盟”网络教学平台上。为了让学生有效利用网络资源对所学“液压与气压传动”开展高效而扎实的学习，该课程将原有的36 个线下理论教学课时进行抽丝剥茧，通过精简和细化原有的泵、缸、马达、阀等液压和气压元件的构造原理，以及基本液压和气压回路应用等核心知识点，进而将网络在线课程减为24 个教学课时，其中线上教学课时分布由表1 列出。

表1 “液压与气压传动”线上教学课时分布

以表1 的线上教学主干知识点课时分布为依据，本教学团队所建设的线上课程包括3 个主要模块：（1）教学视频模块；（2）习题集与资料库；（3）线上讨论与直播模块。

教学视频模块由教学团队的4 位教师依据主干知识点在教材的分布分开录制，以浅显易懂的语言逐个讲解液压和气压传动大纲规定的重难点知识，学生可以看不得视听，直到完成掌握要求学习的知识点为止。

习题集与资料库模块主要围绕大纲知识点的练习及其拓展而展开设计。其中习题集先以习题库的形式建立，主要包含选择题、填空题、问答题、计算题、回路设计与分析题等题型。上述题型以章节测试的形式均匀分布在24 个教学课时之中，测试的目标是辅助学生复习和巩固所学知识点。

线上讨论与直播模块主要为学生和教师提供了关于线上课程学习讨论的云平台。当学生在某些知识点学习上存在困难时，通过向线上讨论模块提出疑问和求助。线上讨论模块可以迅速提供生生讨论、师生讨论等环节，为学生答疑解惑。

基于优课联盟平台的“液压与气压传动”在线课程的建立：一方面能够使得液压与气压传动的课程知识模块化，同时帮助学生及时巩固教学大纲规定的知识点；另一方面，学生依据教学进度表规定的相关进度要求，实时开展重难点分析和学习评价，达到巩固“液压与气压传动”重要知识点的学习效果。

2 虚拟仿真实践教学平台的建设与使用

基于虚拟仿真技术在“液压与气压传动”实践教学中的应用与探索，本课程团队与“武汉全乐科技有限公司”展开合作，共同建立了液压与气压传动线下虚拟仿真实践教学平台。依托该教学平台，虚拟仿真实践教学的开展包含模块[8]：课程学习模块、元件学习模块、仿真实验操作交互任务模块、仿真实验自由操作交互模块。四类模块的功能由表2 给出。

表2 线下虚拟仿真实践教学平台的四大类模块功能

根据线上教学的24 个课时知识点，本课程团队结合虚拟仿真实践教学平台开发了四个线下虚拟仿真实践教学环节：（1）动力与执行元件的拆装及认知环节；（2）典型液压与气压控制阀的拆装及认知环节；（3）经典液压控制回路的拼接与虚拟仿真环节；（4）以应用功能为导向的回路设计仿真环节。

在动力与执行元件的拆装及认知环节中，要求学生利用虚拟仿真实践教学平台对轴向柱塞泵与双作用液压缸的结构进行拆装与工作原理分析，对轴承柱塞泵的排量开展计算公式推导，并对双作用液压缸的速度推力特性做出分析。

在典型液压与气压控制阀的拆装及认知环节中，学生需要对三位四通M 型换向阀、先导型溢流阀、节流阀等液压与气压控制阀的结构进行拆装与分析，同时结合流体力学知识对压力控制阀、流量控制阀的压力和流量控制原理及作用功能进行分析。

经典液压控制回路的拼接与虚拟仿真环节的目标主要使学生掌握教学大纲规定的17 个液压和气压经典回路，包括单作用缸换向回路、双作用缸换向回路（2个）、手动换向卸荷回路、差动连接回路、换向节流调速回路、行程单向减速阀调速回路等。

以上述3 个实践环节为基础，着眼于实际工程应用，回路设计仿真环节通过创意性的设计，在平台的软件面板中进行搭建模拟调试，按照真实的工程应用场景需求，搭建液压与气压传动回路，使学生尝试解决实际工程场景中的液压与气压传动问题。

3 “线上教学+虚拟实践”的教学设计与开展

基于本课程团队建立的“液压与气压传动”在线课程以及虚拟仿真实践教学平台，本课程团队对“液压与气压传动”课程标准中的教学模式与评价方法[9-10]开展了改革和探索。在新的教学模式中，表1 中的知识点被模块化分解：（1）要求学生根据每一知识点模块开展网络课程学习并完成相应题目测试，达到所学知识点的预习作用；（2）在教学进度表中线下课堂的前2 个课时中，由主讲教师引导学生开展针对所学知识点模块的分组研讨与报告详解，运用课件和研讨的形式，对网络课程学习以及测试题中产生疑惑的重难点知识进行生生详评，进而扫清学生对所学知识点的认知盲区；（3）在教学进度表中线下课堂的后2 个课时中，利用虚拟仿真实践教学平台，采用教师展示和学生动手实践的方式，对学生所学知识点模块开展虚拟仿真实践，实现所学知识点模块的应用和融会贯通。表3 给出了“液压与气压传动”理论教学36 课时进度分布中线上网课与线下虚拟仿真实践相融合的教学模式详细安排。

表3 “液压与气压传动”理论教学36 课时进度分布

4 教学成效分析

基于“优课联盟在线”课程平台和AR 虚拟仿真实践平台，以提升学生学习效率为目标，以激发学生学习兴趣为导向，设计和实施基于线上教学和虚拟实践的“液压与气压传动”教学案例。线上课程主要讲解基本知识点，重点在于知识点的课前引入和课后巩固；线下课堂以案例分析为主，传授学生运用专业基础知识解决工程实际问题的基本方法；虚拟仿真实践使课程知识点理论与实践紧密结合，巩固线上线下教学效果。

以“液压与气压传动”课程中的保压回路课程单元为实施案例，线上教学课时涵盖辅助泵供油的保压回路的构造原理、控制逻辑、元件动作顺序、保压功能分析等核心知识点，如图1。教学视频模块主要供学生预习和复习保压回路相关知识点，学生既可以根据自己的学习能力合理安排学习节奏，又可以根据课时进度复习巩固相关知识点。

图1 优课联盟平台上线的“液压与气压传动”网络在线课程

在线下课堂教学中，教师通过布置保压回路的构造原理、控制逻辑、元件动作顺序、保压功能等关联问题，引导和组织学生开展线下课堂翻转研习，辅助学生复习和巩固所学知识点，通过师生讨论、生生讨论等环节为学生答疑解惑。

教学团队与相关软件公司合作，共同建立了液压与气压传动虚拟仿真实践教学平台。基于该平台，学生按照保压回路的真实工程应用需求，通过创新性的设计在平台中进行保压回路的系统构建和仿真，搭建如图2 所示的保压回路，运用虚拟仿真技术使学生尝试解决保压回路运行过程中工程问题，使学生初步具备对保压等压力控制回路的设计能力。

图2 采用辅助泵供油的保压回路的回路搭建效果图

图3 给出了江汉大学智能制造学院机械、材控、过控等专业在2017—2020 近4 个学年内，“液压与气压传动”考试成绩各个分数段的百分比。其中，2017 学年采用“教师讲授”的传统教学模式；在2018 与2019 学年，本教学团队将“线上学习”模式引入至“液压与气压传动”教学之中；2020 学年，本教学团队采用“线上教学+虚拟实践”的“液压与气压传动”教学新模式。

图3 4 个学年期末考试成绩百分占比

如图3 所示，相比于2017 学年，2018 学年学生的期末考试成绩大幅提升，尤其是60 分以下的低分段人数比例大幅减少，这归因于学生利用网络课程平台上的“液压与气压传动”课程开展预习和复习知识点所取得的教学效果。同2019 学年相比，2020 学年中学生的考试成绩再次大幅提升，80 以上及60～79 分数段人数比例大幅增加，这得益于线上教学与线下虚拟实践相融合的“液压与气压传动”课程教学新模式的应用。学生通过对各类液压与气压元件和液压基本回路的知识点网课开展学习，有效理解了课程中元件结构图和回路原理知识点；而虚拟仿真实践课题的应用，有效调动了学生学习的积极性，并充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。因此，线上教学与线下虚拟实践相融合的“液压与气压传动”课程教学新模式能够大幅提升学生的考试成绩，也符合工程教育认证理念，值得在机械类专业的相关课程改革中进行进一步的试验和推广。