液压与气压传动课程项目化教学改革设计与实验研究

张继东，于 鹏

（安徽信息工程学院机械工程学院，芜湖 241000）

液压传动技术是二十世纪四十年代发展起来的一门新兴传动技术，它的出现极大地促进了机械行业的自动化。但是随着国家智能制造的发展，液压与传动技术产生了新的发展趋势，如基于三维数字化设计软件的液压管路智能设计，矿用防暴车智能稳速制动液压系统设计，基于AMESim-MATLAB联合仿真的液压盾构刀盘控制设计，军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等[1-6]。目前液压与气动技术已经扩展到空天海洋、智能制造、人工智能、机器人等新兴领域，与其他学科的交叉融合已经成为现代液压与气压传动的发展趋势，如何让液压与气压传动课程所培养的人才符合现代工业人才需求，符合国家战略重心导向，是液压与气压传动课程改革所面临的难题。

1 液压与气压传动教学现状

随着高校工程认证工作的展开，机械类专业的液压与气动传动课程教学面临上下两难的境地。首先，液压与气压传动课程的特点是以液压为主体，以气动系统为辅，内容包含流体基本理论、液压元器件基本认知、基本回路的掌握、液压系统的构成这四块内容。其次，对学生的要求是达到对于中等复杂程度液压系统能够理解并会进行分析计算，对第一条中的四块内容要融会贯通，高阶要求是会分析液压系统和处理相关液压工程问题的能力。而要达到以上要求，以目前32课时难以达到，而32课时中又有6个学时实验课，课堂教学被压缩为26个课时，相比传统教学48课时，实际教学课时已经被压缩了38%。为扭转这种被动式，少课时的艰难境地，液压与气压传动的改革必须“脱胎换骨”，摆脱原有教学模式，创新教学思路[7]。

2 现状原因分析

首先，从教学设计上，并没有把理论与教学实践结合起来，没有建立“链接科学”[8]，理论与实践脱钩脱节问题突出。课程的理论性与实践性联系较为紧密，如何把课程内容与工程实践相结合是教学设计所面临的一大问题，没有创设问题情境、协作探究、会话交流，教学设计模式单一，仅仅是简单的线性流程，具有明显的分析、设计、开发、实施、评价等各阶段循序渐进的线性特征，没有借助互联网等信息技术进行学习资源的设计与开发，以及不能够建立有效的沟通机制。教学设计仍然以知识为中心，关注的是知识传递的策略，即教师要教什么，学生要学什么，没有关注学生主体的感知与体验。

其次，从教学方法和手段上来说，境况是单一化、扁平化、线性化，不具有空间立体化，目前的国内大部分高校虽然进行了基于“翻转课堂”[8]“ 启发式”“讨论式”“自学辅助式”[9]、小组讨论等多种形式的教学方式，但是效果不明显，并不能够解决学生主体体验较好而又能取得较好成绩的结果。

第三，教学资源的传授形式没有建立闭环，而是开环模式，没有反馈调节，目前国内院校大部分的做法是建立一定的试题库，或者教师录制一定的视频然后给学生进行自主学习，但是这个带来的问题就是，没有兴趣的同学不会主动去做试题库以及去看相关的教学视频，没有动力驱动学生主体去积极学习，做以上资源库的前提是学生具有较高的积极性和主动性，如果丢掉这个前提，那么必然带来学生群体成绩的个异化。

总之，目前的教学设计、教学内容、教学方法与手段、以及教学资源的传授形式都滞后于现代工业的发展，迫切需要进行科学的、系统的、有针对性的研究。

3 “五位一体”闭环反馈调节教学设计的建立

如何解决目前的教学困境，运用整体性与相互联系性的哲学原理，首先从教学设计上着眼，构建以学生内在驱动力为核心的“五位一体”教学设计体系。“五位”指：（1）以信息化平台为桥梁，重组搭建课程内容体系；（2）建立课上协作探究，课下创设问题情景模式；（3）以工程项目为培养载体，融入“大学生创新创业项目+专利研究项目+校企合作项目+学科竞赛项目”四要素，输出毕业设计与论文的特色教学实践体系；（4）把学科前沿的最新成果融入课程内容，建立学科交叉融合体系；（5）融合移动终端，利用好移动终端的优势。“一体”是指：构建以教师为辅，五大元素互相融合、联动互通的闭环反馈调节体系，如图1所示。

图1 以学生内在驱动力为核心的闭环反馈调节课程体系

3.1 学生内在驱动力的影响因素分析

兴趣在提高学生的内在驱动力方面有一定的影响力，那么哪些因素会影响学生内在驱动力，张爱莲[10]在对137名非重点工科院校大学生学习动机的调查与分析文中指出，“生存与发展”这一因素是引发学生远景性学习主要因素，说明要全面提高学生的学习积极性，更重要的是培养和激发学生与远大志向有关的远景性学习动机，而与考试压力等有关的近景性学习动机虽然具有直接性和实效性，但其作用毕竟是不能持久的。那么哪些因素妨碍学习积极性，其中专业与课程因素影响达到46.7%，教学状况占比17.5%，课程安排占比10.9%，知识运用占比8.0%，作业考试占比4.4%，能力培养占比3.6%，可以发现学生对于专业设置、教学方法以及课程安排不满占比达到75.1%，也就意味着，可能并不是学生不愿意学，而是教学改革效果没有达到学生的期望值，也就是现代大学生对教学效果的期望值与教学效果滞后之间的冲突日益加剧，如何改变这种现状是每一个教育工作者所面临的困境，迫切需要改变这种现状。

现代心理学越来越重视诱因对个体动机和行为的影响。在教学实践中存在这样现象：枯燥的教学内容往往使求知欲望较强的学生也难维持较强的听课动机；而精彩的教学内容会使求知欲不强的学生也产生较强的听课动机，这表明诱因在激发学生学习动机方面确实有着重要作用。有调查表明“好的教师”“好的课程”这两项诱因对大学生的学习动机具有最大的促进作用[11-12]。

3.2 以信息化平台为桥梁，重组搭建课程内容体系

2018年11月24日教育部高教司司长吴岩在第十一届“中国大学教学论坛”做了题为《建设中国金课》的报告，提出了“互联网+教育”催生的新型态课程：慕课。目前国内线上平台不仅仅有慕课，还有超星学习通、蓝墨云、雨课堂、博思、慕微课堂等强大的线上工具，强有力地支撑了互联网教育新形势，但是需要警醒的是教师不能做“搬运工”，只是把课堂内容搬到线上，听之任之，不加修饰，那样起到的效果只会增加学生的负担。首先要分解课程内容，重组课程内容，主次分明，详略得当，哪些内容是符合课程大纲要求的，这样的内容以什么样的形式传授给学生，哪些课程内容是可以大刀阔斧的简化或者砍去，达到存量调整、增量优化的目的。比如对于应用型高校而言，是否一定要保留流体力学的理论推导和论证过程，或者说这样的理论推导和论证过程是否可以简化，简化到什么程度，在实际工程项目中用到这些理论的时候需要哪些核心知识点，提炼出来，用实体项目驱动理论公式进行推导，这样学生的兴趣是不是大些，而不是纯粹的在课堂上推导，学生都不知道这个理论在哪里使用，如何使用，情境在哪里，一头雾水，而换作项目驱动的方式引导学生主体去自己推导琢磨，极大地增强了学生对于理论研究的兴趣，也增强了学生对于这一类理论的使用范围、使用情景的深刻认识。但是在设置项目引导的时候需要遵循由简到难的学习过程。

其次还要思考哪些课程内容是线上可以自主学习的内容，哪些课程内容课堂传授效果是线下无法达到的，线上内容如何与线下内容的衔接问题等。为此构建了“课上+课下+实验+虚拟仿真+实训+工程项目”六元三模块化重组课程内容体系，如图2所示。其中“课上+课下”组成一个模块，实验内容独立成一模块，“虚拟仿真+实训+工程项目”作为创新体系一部分独立成另一模块。该体系分解了课程内容并重组课程内容，例如液压传动的发展历史可以在课下借助网络平台自学完成，而液压传动的工作原理与组成学生自学难度较高，需要课上教师深度演绎才能融会贯通；同时进行了相关内容的模块化，例如对于一些课上难以理解的内容需要进行实验单独集中进行，再通过网络平台与教师产生共鸣，共同解决理论的难理解难题；而对于学生的创新能力的训练养成则依靠“虚拟仿真+实训+工程项目”组成的模块去解决，依靠FLUENTSIM软件对液压回路以及液压缸参数的计算进行仿真使得学生具备参数设计以及液压回路的设计能力，初步具备一定产业工程的设计能力，而对于学生的综合应用能力的养成需要依靠液压与气压实训对典型液压系统和现代液压控制装备的组装调试去形成，最后在工程项目中创新性地引用液压与气压的知识体系去实践学到的知识体系，达到理论转化实践，以适应现代产业工程师对该课程所要求的程度。经过大学生创新创业项目、全国大学生机械设计竞赛等实体项目的检验，切实培养学生实际工程应用能力。

图2 六元三模块化重组课程内容体系

3.3 建立课上协作探究，课下创设问题情景模式

通过建立课上协作探究、课下创设问题情景模式能够有力的提高学生课上对课程的主观能动性和课下对课程的延申研究的动力。例如如图3所示，以伯努利方程为例，建立以伯努利方程原理构建课上协作探究、课下创设情景模式系统，架设液压与气压传动课程与大学生创新创业以及学科竞赛之间的桥梁，经过这种模式的训练后，学生可以进一步深化所学知识进行创新训练，如图4、图5，是学生经过模式训练后，自主设计的气动控制扫地机器人及其关键部件气动控制升降系统。

图3 以伯努利方程原理构建课上协作探究、课下创设情景模式系统

图4 气动控制扫地机器人

3.4 以工程项目为培养载体的特色教学实践体系

采用“以工程项目为培养载体”的特色教学实践体系，注重培养学生液压与气压传动的工程实践创新能力。采用“以工程项目为培养载体”的特色教学实践体系，立足区域资源特色与优势，培养学生开发本地资源的液压与气压传动工程思维方法与实践能力。融入大学生“创新创业项目+专利研究项目+校企合作项目+学科竞赛项目”四要素，把课程内容引申为大学生创新创业项目，孵化专利研究项目，以专利技术为依托融合企业实体项目，以企业实体项目成果参与全国重点学科竞赛，以四要素形成的能力输入毕业设计与论文，形成有特色的教学实践体系。如表1所示，是以工程项目为培养载体进行特色教学的设计内容，液压回路的仿真及验证在图6所示的仿真软件里面进行操作。

图6 液压回路仿真软件及其回路图

4 项目化教学对比实验

以车辆1701、1702、1703、1704四个班作为实验教学班开展项目化教学实验，实验周期为2020-2021年秋季学期，实验人数为4个班153人，其中车辆1701-1702教学班为对照班，车辆1703-1704为实验对象，对车辆1703-1704班进行项目化教学，车辆1701-1702班不进行项目化教学，进行传统授课模式，通过一学期的教学，进行统一卷面考试，实行教考分离，通过图7可以发现，经过项目化教学的车辆1703-1704班级，在80-89分区间的人数远大于没有经过项目化教学的车辆1701-1702班，同时90分以上人数也多于没有经过项目化教学的班级，因此可以说明经过项目化教学班级的学生总体学习效果得到有效提高。

图7 车辆四个班卷面成绩分析对比

5 结语

“五位一体”立体化实践创新教学体系立足于提高学生的学习积极性、学习效率、学习精准度，拓宽学生的学习视野以及延申课程的广度和深度，增强学生的实践能力、创新能力、就业能力，是高校在液压与气压传动课程上的有力尝试，是提高新工科人才综合素质的新途径。面对现代高等教育中的种种不足，高校只有结合专业和学生的学习实际，进行大胆尝试和创新改革，才能使中国的高等教育人才培养质量符合当前对工科职业需求的复杂多变的社会变化，只有不断地改革才能诞生更多的创新体制，才能使中国高等教育更加多元化、国际化。