新工科能力导向的液压气动技术课程项目制教学设计与实践

王海芳 陈利强 吕超

摘  要：針对新工科国家创新工程人才的培养需求和液压气动技术课程的内容，基于OBE工程教育的理念，分析课程的现状及问题，搭建课程的知识组成及能力导向，提出课程知识模块教学架构，以项目教学法为核心，工程项目辅以相应的工程仿真软件支撑，使学生实现“学”与“做”的有效结合，实行学生项目组和指导教师组“双向”的评价方法，实现学生组内和教师过程性评价。实践表明，课程教学改革更好地提升学生的分析问题、解决问题的能力。

关键词：新工科;目标导向教育;流体传动;项目教学;教学改革

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）31-0127-04

Abstract： For the demand of cultivating the innovative engineering talents in emerging engineering education and the content of Hydraulic and Pneumatic Transmission course， the current situation and problems of the course is analyzed based on outcome based education. The knowledge composition and ability objective of hydraulic and pneumatic transmission course is present. The knowledge module teaching framework of Hydraulic and Pneumatic Transmission course is proposed， which takes project teaching method as the core and projects are supported by corresponding engineering simulation software， so that students can realize the effective combination of learning and doing. The two-way evaluation method of project group and teacher group evaluation has been added. Practice shows that the course group teaching reform has better improved ability of student to analyze and solve problems.

Keywords： emerging engineering education; outcome based education; fluid transmission; project teaching; reform in education

党的二十大报告指出，教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。联合国教科文组织也指出，高等工程教育要从“技术范式”发展为“科学范式”，进而转换为”工程范式”。新工科以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[1-3]，为高等工程教育的改革探索提供了一个全新视角和“中国方案”。

目标导向教育（Outcome Based Education，简称OBE，亦称目标导向教育、成果导向教育或需求导向教育）是一种面向市场需求的、重点强调学生能力培养和能力训练的工程教育模式[4]。新工科同样也强调学生学习的主动性以及“学”与“做”的有机结合，如此，新工科与目标导向教育结合实践会有助于实现复合工程技术人才的培养。

液压与气动（流体传动）是与机械传动、电气传动并行的能量传输方式，流体传动方式易于实现直线运动、无级变速和自动控制，在重工、轻工、国防、航天和航空等行业中得到了广泛应用，因此，流体传动技术是机械类专业学生必修的专业知识。随着新工科建设的不断深入，传统的液压气动技术课程缺乏工程性的教学，已不适应新时代的人才需求。针对实际教学存在的问题，以新工科创新理念为背景，构建液压气动技术课程的知识组成及目标导向，提出以工程项目为任务驱动的教学方法，学生自主学习，直接参与教学全过程，实现了“学”与“做”的有效结合。

一  课程的现状及问题

目前，流体传动教学通常是先理论再实验，以理论为主，以实验为辅。此类教学模式简单可行，能满足初步的教学需求，也存在以下不足。

首先，此类教学模式以教师为主体，本质上背离了新工科与目标导向教育所倡导的“以学生为中心”的教学理念，学生缺乏自主学习的积极性。

其次，液压与气压传动的流体力学理论主要讲授流体平衡和运动规律，是分析元件与系统的基础流体理论和计算方法支撑，有一定的理论强难度，学生理解起来比较难。

再次，由于液压与气压传动的特殊性，元件和回路大多是在密封的条件下工作，尽管有元件及系统动画的支持，但教学的直观性相对较差，学生掌握元件与回路的原理及构成比较困难。

最后，由于实验设备的数目不足，学生实际操作机会少，实践能力比较薄弱，缺乏工程实践能力的培训。

二  课程的知识组成及能力导向

传统教学采用课程知识→教学目标→专业需求的正向设计原则，难以快速适应专业的需求变化。而目标导向教育遵循的是逆向设计原则，即从专业需求开始，由需求决定教学目标，再由教学目标决定课程知识，液压与气压传动在机械工程中主要起驱动作用，因此机械类专业需要液压气动技术课程提供传动的基本流体力学基础，传动动力、执行、控制和辅助元件的作用、结构及特性，传动压力、流量和方向基本回路的作用及特性，传动系统分析和设计的一般步骤。

基于上述专业需求，按照新工科理念，液压气压传动课程的学生知识组成及能力导向如下。

熟悉流体静力学和动力学、管路流动及其阻力特性、孔口和缝隙流动及其压力损失、液压冲击和气穴情况等知识。培养学生运用流体力学知识分析和解决工程问题的能力。

掌握流体动力、执行、控制和辅助元件的工作原理、典型结构、工作特性、参数计算和适用场合等知识。培养学生流体元件的选型、计算和分析的能力。

掌握流体压力、方向、速度和多执行基本回路的工作原理、工作特性、参数计算和适用场合等知识。培养学生基本回路的选型、计算和分析的能力。

掌握流体传动系统设计计算和实验等知识。培养学生运用数学、物理、力学等知识对流体传动系统进行原理分析、设计计算、系统调试和实验分析的能力。

三  课程的项目制教学设计

基于课程的知识构建及能力导向，将课程分为4个知识模块，分别为流体力学基础、元件原理及组成、回路原理及组成、系统设计及实验知识模块。各个知识模块根据具体的课程内容，将传统的学科体系中的知识内容转化为若干个教学项目，同时辅以相应的工程仿真软件或实验台为支撑，构建了一个完整的液压与气压传动课程知识模块教学架构，如图1所示，围绕项目开展教学，学生自主学习，直接参与教学全过程，实现了“学”与“做”的有效结合。

流体力学基础知识模块，提供了流体传动的基础理论支撑，设置4大类项目：流体静力学和动力学类项目，其内容包含液压油液的性质、流体静力学、流量连续性方程、伯努利方程的应用、动量方程的应用;管道流动及孔口流动类项目，其内容包括管道的流态与雷诺数、圆管流动的沿程压力损失计算、管道流动的局部压力损失计算、薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔的流量计算;缝隙流动和液压冲击类项目，其内容包括平板、圆柱环形、圆锥环形缝隙、液压卡紧分析、液压冲击和气穴现象;气体动力学类项目，其内容包括气体流动基本方程、气体的气流参数与通道面积的关系、气体管道中的流动分析。此部分知识以流体力学基础知识为研究对象，引入有限元流体仿真软件[5]，如图2所示，直观讲解液压与气压流体力学基础知识，学生也可以进行自行建模，从而激发学生学习兴趣。

元件原理及组成知识模块，提供了流体传动的元件的原理、構造和基础设计的理论计算支撑。设置4大类项目：动力元件类项目，其内容包含液压泵的基本工作原理、主要性能参数、通用性能曲线和选用原则，柱塞泵、叶片泵、齿轮泵、螺杆泵以及气源部分的基本组成和计算;执行元件类项目，其内容包含马达的原理、基本组成、参数计算和选用原则，柱塞马达、叶片马达、液压缸和气缸的原理、基本组成、参数计算和选用原则;控制元件类项目，其内容包含方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀，电液伺服阀和比例控制阀，气动检测元件、气动逻辑元件和辅助元件的原理、基本组成、参数计算和选用原则;辅助元件类项目，其内容包含蓄能器、过滤器、邮箱、热交换器和压力表、管路及接头、密封装置、消声器和气液转换器的原理、基本组成、参数计算和选用原则。此部分知识以元件为研究对象，应用三维建模软件[6]，如图3所示，将元件复杂的内部结构、工作原理进行动画仿真和视频实物讲解，学生直观地理解了结构原理。

回路原理及组成知识模块，提供了流体传动的回路的原理、构造和基础设计的理论计算支撑。设置4大类项目：压力回路类项目，利用压力控制阀来控制整个液压与气压传动系统或局部回路得压力，其内容包含调压、卸荷、减压、增压、保压、泄压和平衡回路的组成与分析;速度回路类项目，利用流量控制阀或变量泵来控制整个液压与气压传动系统或局部回路的流量，从而进行速度调节，其内容包含进口节流调速、出口节流调速、变量泵定量马达调速、变量泵变量马达调速卸荷、液压缸差速快速回路、双泵供油快速回路、充液快速回路、蓄能器快速供油回路和快慢速度换接回路的组成与分析;方向回路类项目，利用方向控制阀或双向泵来控制整个液压与气压传动系统或局部回路的流量走向，从而进行方向调节，其内容包含换向阀换向回路、双向定/变量泵换向回路、锁紧回路、制动回路的组成与分析;多执行元件类项目，多个执行元件进行工作，因回路中压力、流量的相互影响而在动作上受到牵制，通过压力，流量、形成进行复合控制，其内容包含压力顺序动作回路、行程控制顺序动作回路、流量控制阀同步回路、串联液压缸同步回路、同步缸/马达同步回路，比例/伺服阀同步回路、互不干扰回路和多路换向阀回路的组成与分析。此部分知识以回路为研究对象，应用AMEsim仿真软件[7]，如图4所示，学生对设计的系统进行仿真演算，验证设计的可行性，提高设计效果。

系统设计及实验知识模块，提供了流体传动的元件和系统设计和实验的实践支撑。设置4大类项目：流体系统设计类项目，其内容以系统使用要求及速度负载分析为基础，首先进行系统方案设计，然后进行系统的具体参数计算、缸的结构设计、元件集成设计、油箱、气路及泵站结构设计，最后进行常用元件的选型;各类液阻特性类实验项目，其内容以阀口的流量公式为基础，在油液流动状态不变的情况下，分别测定细长孔、薄壁孔、短孔油液压力降及相应的流量，形成流量-压力特性曲线，从而测定具体液阻;节流调速类实验项目，其内容以速度负载特性公式为基础，分别测定进口、出口和旁路节流调速回路的负载和速度，形成负载-速度特性曲线，从而测定具体节流调速速度刚度;气动元件系统类实验项目，其内容主要包括气动发生及净化装置、气动三大件、气动控制阀、以及气缸和气马达、气动附件认知组成、气动基本回路连接，气动与液压系统的对比。此部分知识以系统设计及实验为研究对象，应用实验台[8]，如图5所示，学生对理论知识和设计的系统进行实验搭建，验证设计的操作性，提高动手能力。

四  考核及评价方法的实践

基于新工科的液压气动技术课程知识构建及能力导向，结合课程项目制教学方法的改革，课程的考核方式由传统的“平时成绩+实验成绩+考试成绩”修改为“项目成绩+实验成绩+考试成绩”，将“平时成绩”替换为“项目成绩”，以项目全程考核学生平时表现。项目实行学生项目组和指导教师组“双向”的评价方法，如图6所示，学生项目组引入竞争机制，从组内学生项目的完成度、效果性和合作度进行组内评价，有效避免组内个人“打酱油”现象，充分发挥组内学生的主观能动性;指导教师组引入过程评价，从学生项目的开题、中期和结束进行教师多次过程评价，在不同阶段全过程指导学生，及时探究项目各种过程问题，从而发现学生长处和不足，全过程提高学生的能力。

以机械、车辆工程专业学生为依托，实施新工科背景下能力导向的液压气动技术课程项目制教学设计与实践，课程最终成绩总体提高了7.6%，学生在全国大学生机械创新设计大赛、全国三维数字化创新设计大赛、全国大学生机械工程创新创意大赛和全国大学生工程训练综合能力竞赛中多次应用液压气动知识和相应的工程软件，取得国家级奖励数量增加了50%，说明学生液压气动知识及工程软件的理解及应用得到了普遍加强。

五  结束语

针对国家高等工程教育的培养需求，按照新工科和目标导向教育理念，构建了液压气动技术课程的知识组成及能力导向，提出了以项目制为基础的知识模块教学架构，通过基于项目制教学方法的实施，辅以相应的工程仿真软件支撑，使学生自主融入教学全过程，实现了“学”与“做”的有效结合，改进了考核方式，实行了学生项目组和指导教师组“双向”的评价方法。实施结果表明，学生分析和解决实际工程问题能力得到了较好提升。

参考文献：

[1] 朱高峰.关于中国工程教育发展前景问题[J].高等工程教育研究，2016（3）：1-4.

[2] 吳爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[3] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[4] 唐庆杰，吴文荣，陆银平，等.基于成果导向教育理念（OBE）的课堂教学活动之设计、组织与实施[J].高教学刊，2021，7（23）：93-96.

[5] 杨杰，刘建英，刘盛余，等.工程流体力学理论与数值计算相结合的教学改革[J].广东化工，2021，48（13）：263-264，254.

[6] 倪君辉，詹白勺，余伟平.基于项目教学的液压与气压传动课程综合改革[J].实验室研究与探索，2017，36（11）：182-185.

[7] 曾亿山，张涛，虢锐，等.AMESim仿真软件在电液伺服系统教学中的应用[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2022，21（1）：17-21.

[8] 张袁元，颛孙随意，辛江慧，等.以能力达成为导向的《流体力学与液压传动》课程设计的教学探索与设计[J].科技风，2021（1）：20-21.

基金项目：国家自然科学基金青年基金“喷雾热解过程中微纳多孔结构氧化铈颗粒形成机理及模拟研究”（51904069）;河北省高等学校教学改革研究与实践项目“《机械控制工程》课程思政教学案例库设计与实践”（2021GJJG428）;东北大学秦皇岛分校重点教改项目“基于学习产出模式的《液压气压技术》课程项目教学探讨”（2020JG-A01）;东北大学秦皇岛分校一流本科专业建设项目“机械工程”（2021YLZY-04）;东北大学秦皇岛分校课程思政示范项目“液压气动技术”（2022KCSZ-B21）

第一作者简介：王海芳（1976-），男，汉族，山西高平人，博士，副教授，系主任，硕士研究生导师。研究方向为流体伺服控制及其元件可靠性、机器人技术。