面向应用型人才培养的液压传动项目化教学

王健

摘要：液压传动是一门各高校机械或机电相关类专业主修的专业课程，与工程应用联系紧密。本文以“应用型”人才培养模式为导向，基于工程教育认证的能力培养要求，对液压传动课程的教學改革展开研究，构建基于知识点项目化的教学体系，整合优化教学内容，着重突出知识点的工程应用及新技术成果;搭建液压传动课程工程项目化的技能训练情境，培养学生问题分解和处理的能力;强化实践教学环节，重视工程能力的培养，建立构建层级递进式实验教学体系。

关键词：液压传动;应用型;人才培养;项目化

0  引言

在全球智能化快速发展以及贸易保护主义抬头的大环境下，我国提出了“中国制造2025”的重大发展战略，全面推进我国制造业向工业4.0智能制造的目标前进。液压传动技术在这一过程中扮演着尤为重要的角色[1]，它是一种基于帕斯卡原理建立的传动技术，相对于机械传动功率密度高、运动平稳，且能够实现大范围的无级调速。从工程机械到农业机械，从汽车制造到航天制造，从民用设备到国防装备，90%以上的机械设备都离不开液压进行传动控制[2]。

液压传动技术最早应用在舰艇上的炮塔转位器，而后在第二次世界大战期间迅速的像民用工业发展。我国的液压传动技术在20世纪50年代才最初应用于机床设备，目前在核心部件的研发技术与加工工艺上仍落后于西方发达国家[3]。究其原因，主要还是缺乏专业的高技术人才[4]。因此，需要更新变革传统的液压与气压传动课程教学模式，提高高校应用型人才培养的质量，从源头上储备人才，进而推动我国液压传动技术的发展。本文立足应用型人才培养目标，对照工程教育认证的能力培养要求，深入探讨高校机械类专业课程液压传动的教学改革模式。

1  液压传动教学现状分析

随着科技的进步，液压传动的教学手段也在不断地发展，从最初单一的书本式授课，到现如今可借助各种多媒体设备、教学模型等手段强化教学效果。然而从根本上来看，授课模式仍大多属于“一言堂”模式，即以教师为中心，学生被动接受的教学方法[5]。但由于液压传动是一门理论性与实践性都较强的课程，且学生缺乏必要的工业背景和空间想象能力，面对抽象的流体力学基础理论与复杂的液压元件结构与工作原理往往兴致缺缺，教学质量和效率低下，对于综合性、实践性较强的液压基本回路与典型系统就更加无所适从，以致于在随后的实验课程中，学生往往只是未加思考机械的遵照教师的讲解或者按照实验指导书进行操作，团队协作，分析问题与解决问题的能力并未得到有效地锻炼。

2  理论基础项目化

本课程的理论基础主要包括液压传动基本原理和流体力学基础理论两部分。在传统的教学过程中，液压传动的基本原理往往是通过液压千斤顶的工作原理进行讲解，对中学的物理学知识帕斯卡原理进行复习。学生处在被动接受的“一言堂”教学环境中，可能会导致部分基础较差的学生在第一节课就对该课程失去了兴趣。为培养学生的兴趣，可在正式授课前设置一个情境项目调动学生的思维：假设某人能够施加的最大力是x千克，若想抬起一辆吧y吨重的轿车，该如何设计液压千斤顶。该问题不但考察学生对液压传动工作原理的运用，还涉及到机械原理与理论力学课程的知识，能够较好的做好知识点的承上启下。

流体力学基础理论部分包含流体静力学、流体动力学、孔口与缝隙流动等内容，概念抽象、公式繁多，且与后续课程内容关联度不强，学生易遗忘。因此，可设置工程项目强化记忆，例如液压泵扬程为x，必需汽蚀余量为y，若需保证为液压滑台系统提供多大的输入压力不低于a，沿程损失？驻h，液压泵允许的最大安装高度是多少。该问题将课本中的真空度、空穴现象等知识点扩展到液压泵的汽蚀余量概念，更贴近实际工程问题，同时有利于学生后期液压泵的学习和理解。

通过这些项目的设置，将枯燥乏味的抽象理论基础知识具象化，锻炼学生发散思维的能力，一方面将所学的机械专业知识前后串联，另一方面跳出课本拓展知识，开阔学生的工程视野。

3  液压元件项目化

液压系统的组成元件种类较多，主要介绍液压泵、液压马达、液压缸和液压控制阀。各元件原理工作原理和特性不同，知识点较为琐碎，因而在教学过程中易陷入照本宣科的状态，使得课堂氛围沉闷，学生学习效率低下。针对这一问题，同样可以设置若干项目调动学生的学习积极性。例如在液压泵与液压马达的教学过程中，简化排量和效率等公式的推导，结合工程实践案列，着重强调不同要求和环境下产品选型、流量控制、多泵联接方式、适用油型号等内容。

液压控制阀部分总体包含换向阀、溢流阀、减压阀、顺序阀、节流阀和调速阀等，结构大致包含阀体与阀芯，通过阀芯与阀口的开度关系控制系统内的油液流动。在实际应用中，当阀芯与阀口的结构设计存在缺陷时，易发生空穴现象，图1所示为采用高速相机拍摄到的球阀内空化流动[5]，图2为某型号控制阀的组件实物图及内部抗空穴装置[6]。如何根据流体力学基础理论部分对该现象解释、会造成什么后果、如何通过系统的设计或结构的优化来避免空化的发生。通过这一系列项目问题的设置，不仅能够将前文课程所学知识进行复习，同时可锻炼学生的工程思维能力。最后介绍目前国内外先进的抗空穴阀门技术的研究现状，了解液压行业内的最新技术进展。

4  实践训练项目化

液压传动的系统回路部分本课程最重要的内容之一，综合性较强且与工程实践关联密切，学生需要在了解液压元件的基础上掌握液压系统原理图分析与设计的能力。在传统教学中大多先根据课本内容逐一讲解换向控制回路、压力控制回路、速度控制回路等，然后进入实验室开展验证性、演示性的实验进行强化。由于液压回路涉及面广，既考察学生的读图与识图能力，同时也锻炼学生的综合思维能力，因此这种教学模式容易造成理论与实践的脱节。

为了解决这一问题，本文构建了“基础-综合-工程-创新”层级递进式实验教学体系。基础训练模块主要通过调整传统的授课模式，将部分液压回路的教学任务设置在实验室进行，与验证性、演示性实验有机结合起来形成基础训练项目模块，使学生了解实验设备并掌握基本操作流程。例如利用透明液压元件、三维造型软件及拆装实验细致解剖液压阀门的流道结构和工作方式，如图3所示为透明先导式减压阀。

综合训练模块增设综合性、设计性实验项目，在课本教授的基本回路基础上进行改进，以小组为单位自行设计搭建并陈述设计思路，锻炼学生的团队合作与表达能力，然后利用液压仿真软件如FluidSIM模拟系统的工作状态，如改变溢流阀的开启压力和额定流量，液压泵的输出流量等，对执行元件的工作速度和工作压力进行调整，从液压系统回路的定性分析深化至定量分析。图4为FluidSIM软件仿真图。

工程训练项目模块将企业实际问题纳入实验教学体系，构建“现场”让学生身临其境体验工程问题的解决方法，通过“市场调研-产品设计-生产试验-性能测试”的实际工程项目开发流程开展课程设计[7]，全方位培养学生的工程实践能力，将工程认证标准的培养要求落到实处。比如对某全自动轧钢冲压系统设计液压阀块，学生需通过调研确定阀块的大小以及相关元件的分配，然后设计油路、确定图纸并生成三维图形，接着利用3D打印技术进行加工制造，最后在闭式循环试验台上测试性能。

创新训练模块则是在第二课堂、大学生科研训练等课程的基础上，以科研论文、科技竞赛、专利的形式加以体现，强化创新能力的培养，从源头上储备我国液压传动技术发展的高尖人才。该模块主要面向学有余力的学生，结合相关课程进行系统的训练。如设计一套全自动轧钢冲压的模拟控制系统，要求能够实现物料的料仓具有定位功能，当推料气缸推出底层第一块物料时，上层第二块物料应防止自由下落;以最短的时间内完成1块物料的传送，并记录传送用时，传送要安全、经济、平稳;在主站PLC系统监控界面中，實现“马达传送用时”、“滚扎液压缸行程”的实时参数显示;系统应具有码垛完成提示。通过该项目的练习，学生能够切实感受机械自动化的全过程，培养系统构造的逻辑思维能力，进而将锻炼成果转化为科研成果或科技竞赛。

5  结束语

液压传动课程的教学改革有助于推动液压传动技术的进步，进而推动我国传统制造业向智能制造工业的发展。本文基于“应用型”工程人才培养目标，从课程内容着手优化，提出理论基础项目化和液压元件项目化的教学方法，突出学生工程能力的培养，开拓工程视野;构建了以创新能力培养为最高目标的“基础-综合-工程-创新”层级递进式实验教学体系，探索解决理论与实践脱节的教学模式。

参考文献：

[1]王映. 《液气压传动》课程教学改革与实践[J]. 智库时代， 2019（30）.

[2]韩伟.液压传动虚拟实验系统的研究[D].安徽理工大学， 2011.

[3]陈代玉.液压传动技术在自动化生产中的应用[J].内燃机与配件，2019（11）.

[4]生兆洲，王晓伟.液压传动技术的发展及应用研究[J].设备管理与维修，2018（16）：150-151.

[5]Ferrari J， Leutwyler Z. Fluid flow force measurement under various cavitation state on a globe valve model[C]//ASME 2008 Pressure Vessels and Piping Conference. American Society of Mechanical Engineers， 2008： 157-165.

[6]Asim T， Oliveira A， Charlton M， et al. Improved design of a multi-stage continuous-resistance trim for minimum energy loss in control valves[J]. Energy， 2019， 174： 954-971.

[7]邹建新，徐慧，孙常清.基于工程能力培养的实验教学体系构建[J].实验室研究与探索，2010，29（12）：108-110.