线上线下融合的液压课程教学改革探析

李小冬 周 珂

(济宁学院 产业学院，山东 曲阜 273155)

随着高等教育的普及，我国已经建成了世界上规模最大的高等教育体系，高等教育毛入学率超过50%，由高等教育大众化阶段迈入高等教育普及化阶段。《中国制造2025》指出，加快培养制造业发展急需的专业技术人才、经营管理人才、技能人才；建设一支素质优良、结构合理的制造业人才队伍，走人才引领的发展道路。制造业人才属于应用型人才，在应用型人才培养中理论与实践结合是重中之重，培养学生分析、解决复杂工程问题的能力更是离不开课程实验、课程实训、课程设计、实习等实践环节。在国家工业转型升级和地方普通本科高校向应用型转变的背景下，为培养企业需要的应用型技术人才，济宁学院以学生为本，不断探索适合本科教学的理实一体化课程教学模式并取得了一定成效。

由于高等学校人员密度大，人员业务往来繁杂，在传染性疾病防控过程中，如何保质保量地完成理实一体化课程的教学任务是广大师生、家长、社会密切关注的问题。常态化疫情防控状态下，迫切需要探索如何开展线上线下融合的理实一体化教学[1]617。

线上线下融合教学给理论课教学带来了极大的便利，在理实一体化教学的《液压与气压传动》等课程中却面临很多问题[2]86。仅从线上开课讲授理论知识不能达成课程目标[3]73，更不能满足课程对毕业要求的支撑[4]76；而集中线下开设实验、实训将影响课程的学习效果[5]114。因此，充分利用虚拟仿真、实验直播/录播[6]11、线上/线下研讨[7]696、课程设计答辩等多种授课方法[8]262，开展线上线下融合的理实一体化教学是十分必要的。

一、理实一体化课程开展线上线下融合教学存在的困难

液压类课程是机械设计制造及其自动化、智能制造工程等专业非常重要的专业课程，《液压与气压传动》课程目标与机械设计制造及其自动化专业毕业要求部分对应关系如表1所示。

液压类理实一体化课程开展线上线下融合教学存在如下困难：

(一)缺失实践环节的线上理论课不易理解

《液压与气压传动》课程中的流体力学部分理论性较强，液压元件的原理、结构、参数计算、回路的设计与分析等部分实践性较强。学生未到校或部分学生不能到场，仅靠线上理论课程开展实例讲解与分析教学效果不佳[9]72，也无法达到“识别和判断液压与气压系统中的复杂工程问题关键环节和参数等相关信息”“安全开展测试实验，正确采集液压/气动实验数据”等课程目标。

(二)虚拟仿真软件无法替代实际现场对分析和解决复杂工程问题能力的培养

虚拟仿真软件可以辅助教学，帮助学生完成元件的辨识、回路搭接等实验、实操环节，但不能完全代替现场真实液压气动元件、回路、压力系统带来的感官和操作体验。目前有些虚拟仿真软件中可以通过设置来模拟几种常见的简单问题供学生开展分析，但是分析的程序和结果都是提前设计好的，无法完全模拟工程现场出现的复杂问题，也无法提供所有分析和解决问题的渠道。

(三)集中开展实验实训影响后续课程开设

理实一体化《液压与气压传动》课程在实验室授课，理论与实践环节交织便于学生掌握元件、回路、系统的知识点，培养分析与解决复杂工程问题的能力。如果将实践环节剥离出来集中做实验，将影响同期和后续开设的《机械综合课程设计》《机器人编程与调试》等课程的学习效果。

为解决以上问题，本课程团队采用虚实结合、线上线下融合的方式开展理实一体化教学改革探索。通过合理的引导和多种交互手段，不仅能够达到课程目标，也能够缓解暂时不能到现场听课学生的焦虑情绪，可用于常态化疫情防控下理实一体化课程教学。

表 1 《液压与气压传动》课程目标与机械专业毕业要求对应关系(部分)

二、线上线下融合的理实一体化教学模式

(一)多维度线上理实一体化教学

线上线下融合的理实一体化教学模式，即突破线上授课以理论为主的教学模式，采用线上课件、生产现场视频、实验室直播、真实案例线上讨论、虚拟仿真软件操作等多种互动手段开展网络教学和现场教学。在常态化疫情防控中、在防控等级较高的条件下为未能到校学生提供线上理实一体化授课，也可在防控等级较低的情况下作为未到场学生的预习与复习资源。

在线上线下融合的理实一体化《液压与气压传动》课程教学中，所有学生通过教师线上推送的视频、课件参加课前预习。预习视频主要包括各种元件的实物展示视频(外观、结构等)，元件的使用场景、部分生产场景视频，液压、气压基本回路的实验视频、液压系统安装调试、应用实例视频等。课件主要侧重于对理论知识体系脉络和知识点的讲解，包括流体力学基础(液体静力学、液体动力学、管道流动、孔口流动、冲击与气蚀、介质物理性质、气体状态方程、气体流动规律等)、元件的原理(控制元件、执行元件、动力装置、辅助元件等)、液压回路的设计(方向控制回路、压力控制回路、速度控制回路)等。通过预习实物视频、实验视频和生产应用视频，学生增强了对液压气压元件和回路的直观印象，提高了学习兴趣；通过预习课件、知识体系讲解和知识点讲解视频，学生建立了具体实物与抽象概念之间的联系，对知识体系有了初步了解，为课上理实一体化学习打下了良好的基础。

在课堂教学过程中，线下听课的学生在实验室听课，未到场学生(未返校生或因病因隔离等特殊情况不能到实验室听课的学生)参加线上直播听课。教师将生产现场视频与理论讲解融合，开展理实一体化线上教学。在课堂讨论环节，针对直播中的真实案例、实验总结等开展线上线下讨论，通过混合编组促进生生互动。

(二)虚实结合的线上线下实践教学

通过梳理、整合优化实践环节，在保证课程目标的基础上，合理控制现场(实操环节)时长。以实验室现场直播、生产现场视频录播(直播)、教师现场视频演示互动等多种手段，对虚拟仿真支持不足的实践环节进行补充和强化。

在虚拟仿真软件操作环节，线上与线下的学生混合编组，所有学生参与软件操作，并在完成操作后开展小组讨论。在演示实验环节，教师通过直播实验开展师生互动。在动手实操环节，线上听课与线下听课学生混合编组实现生生互动。线上学生在预习实验视频和操作难点与注意事项的基础上，通过直播与同组返校生交流，为现场提供技术支援，由返校生现场操作实验。

三、线上线下融合的理实一体化教学设计

(一)针对线上线下融合教学的课程重构

纯线下讲授元件、拆装元件，讲授回路、搭建回路、测试分析的理实一体化教学方式，对现场实物(零部件、实验台)依赖较多，不完全适用于线上线下融合的液压教学。根据学情分析和学校理实一体化实验室实际情况，按照线上线下融合教学对液压课程内容进行了重构。篇幅所限，以先导式溢流阀为例，教学设计如下：

1.预习。所有学生均通过线上预习教师通过平台推送的视频资料及课件，完成预习任务平台自动记录预习情况。

2.课程引入。通过回顾上节课溢流阀的应用，引入新课——先导式溢流阀。

3.预习情况检查。通过30秒计时答题，检查线上和线下学生的预习情况，收题后实时显示答案和答题正确率。

4.讲解先导式溢流阀的结构、工作原理。线下学生在实验室听课，通过投影屏幕观看课件；线上学生通过电脑端直播软件观看授课直播，手机上同步显示所讲授的对应课件页。

5.利用虚拟仿真软件练习先导式溢流阀的拆装。线下学生通过实验室电脑练习，线上学生利用远程电脑端练习。将线上线下学生混合编组，练习期间可以互相讨论，练习结束后共同总结经验，分析失败原因。

6.实验室直播授课——拆装真实溢流阀。教师边操作边讲解拆装真实溢流阀的难点与注意事项。线下学生在实验室听课，通过投影屏幕观看课件；线上学生通过电脑端直播软件观看授课直播，手机上同步显示正在讲授的课件页。

7.分组讨论先导式溢流阀的特点、遇到的问题及解决方法。将线上线下学生混合编组，线上学生通过连线与线下同学一起讨论。

8.实验室直播授课——溢流阀在回路中的应用。

9.总结强化——先导式溢流阀的原理、特点与应用(课程思政：正视压力、及时溢流)。

10.作业、预习视频、预习资料推送。课后在学生群内和平台论坛同步答疑。

(二)课程思政设计

学生的心理状态对学习和生活有巨大影响，通过课程思政设计，在授课中引导学生树立远大理想和爱国主义情怀，树立正确的世界观、人生观、价值观，勇敢地肩负起时代赋予的光荣使命，全面提高学生思想政治素质。

液压课程中设计的线上线下分组研讨、线上连线、虚拟仿真实验和实验室直播互动等环节，不仅能激发学生热情，提高学生参与度，也能缓解学生的焦虑情绪，培养学生的团队精神。

1.气液压系统支撑大国重器，通过课程思政厚植爱国主义情怀。无论是令人骄傲的载人航天，还是中国独有的世界最大模锻液压机、世界最大抢险救援机器人等，都离不开气液压系统的支持。在人们日常生活中，气液压系统也随处可见。地铁、汽车、公交上的气液压系统能够高效、迅速地完成动作指令。现代工业与气液压系统息息相关，气液压技术在制造业、传统工业改造升级中发挥着重要的作用。

2.通过分析元件、回路与系统之间的关系，引申到个人与集体之间的关系，培养团队精神与集体荣誉感，帮助学生树立正确的世界观、人生观、价值观。在气液压系统中，动力、控制、执行和辅助元件是构成液压与气压传动基本回路的最小物质单位，基本回路构成液压与气压传动系统的功能单元，液压与气压传动系统嵌入到机电系统中发挥动力与运动传递及控制的作用。个人如果想要发挥作用，必须融入集体，通过团队协作，像元件、回路组成系统一样，齐心协力办大事。

3.通过气液压元件、回路与系统应用的普遍联系，学习用马克思主义哲学认识论、方法论、实践论来指导学习与实践。从系统科学与系统工程的角度出发，引入“事物的联系具有普遍性，任何事物内部的各个部分、要素是相互联系的，任何事物都与周围的其他事物相互联系着，整个世界是一个相互联系的统一整体”的方法论，阐述事物的内在联系。液体或气体是具有流动特性的物质，阐述其静力学、运动学、动力学特性时引入“物质是运动的物质，运动是物质的根本属性和存在方式；运动是物质的运动，物质是运动的主体”的辩证关系。

4.悉心钻研，精益求精，培养学生崇尚科学精神、基于系统科学的工程思维。液压与气压传动技术的发展历程中，古今中外涌现出了一批做出巨大贡献的科学家和工程师。在流体力学研究方面，阿基米德、达芬奇、伽利略、帕斯卡、牛顿、伯努利、欧拉、周培源、钱学森等享誉海内外的科学家积极探索；在工程应用方面，设计世界上第一台水压机的约瑟夫·布拉曼，发明压力平衡式叶片泵的维克斯等不懈努力。在课程教学中，通过典型人物和事迹教育学生，以时不我待只争朝夕的精神投入到学习和以后的工作中，共同实现中华民族伟大复兴的中国梦。

5.善用项目管理、时间管理等工具，提高沟通能力，合理减压卸荷，让自己和团队的工作更高效。通过减压阀、节流阀、增压回路、减压回路、卸荷回路等学习，了解合理控制压力与个人发展、团队协作的关系，提升学生综合素质。

四、实施效果评价标准探索

(一)多维度的学业测评

学业测评是液压学习过程中不可缺少的部分，以往一刀切的测评方式已不能有效衡量学生综合能力的提升情况。为培养学生的自主学习能力，从教师、工程师、学生自身等多个维度开展学业测评。

液压教研组通过课上预习答题、课堂答题、分组研讨汇报、课程设计答辩、实验过程中的问答、学生自我评价、小组互评等多种形式，由教师、工程师、学生等共同参与打分，结合全学习过程的课程考核，兼顾梯度与多样性开展学业测评，努力提高学生分析与解决工程实际问题能力。

(二)虚实结合的线上线下课程考核体系

表 2 虚实结合的线上线下课程考核体系

与线上线下融合的理实一体化教学模式相适应，对课程考核进行了改革。考核内容包括：预习(线上预习时长、预习题答题正确率)、课堂答题、课上研讨表现、虚拟仿真实验、实验设计、线下实验及数据分析、期末考试，各项考核内容权重见表2。其中，线上预习时长在一定程度上能够反映出学生是否在规定时间内完成了推送视频资料及课件的预习；预习题答题正确率考核学生的自学能力，并且为教师线上讲授课程提供了参考，便于教师有针对性的讲解和答疑；课堂答题能够提高学生的注意力，课上研讨能够进一步锻炼学生的理解和表达能力；虚拟仿真实验、实验设计、线下实验及数据分析，能够反映出学生是否具备构建合理的实验系统或装置、安全开展实验、正确采集实验数据并进行分析的能力；课程设计答辩考核学生能否利用所学液压与气动知识，分析系统工作原理、工作过程、系统中各元件的作用及客观评价系统优缺点的能力；期末考试主要针对液压传动、气压传动基本知识、流体力学基础知识、元件与回路的特点、结构、原理、系统分析等方面进行考核。

(三)教学模式评价

本课程对127名学生按照本文教学模式初步实施了教学改革，并通过多种方式进行课程教学效果评价。通过调查问卷可以看出，90.6%的学生非常认可此次教学改革，92.9%的学生非常满意在疫情防控状态下能够通过这样的方式来学习液压与气动知识，86.6%的学生在现场实践环节中可以快速适应环境，能够在规定时间内完成实践任务。90.6%的学生认为通过学习本课程，提高了自主学习能力、分析能力和解决工程问题的能力，教务系统学生匿名评教成绩达到95分。课程团队凭借此项目在学校组织的教师教学创新大赛中获得二等奖。

五、结论

探索实践的线上线下融合的理实一体化教学模式，从多维度线上理实一体化教学、虚实结合的线上线下实践教学两方面出发，通过线上线下融合的各种交互方式，保证了学生的参与度，激发了学生的学习热情。通过合理的引导和多种交互手段，不仅能够达到课程目标，也能够缓解暂时不能到现场听课学生的焦虑情绪，可用于常态化疫情防控下理实一体化课程教学，为同类相关课程改革提供了有益的借鉴。