陳 曉 陳秀梅

北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院 北京 100192

近年來，教育者們越來越關(guān)注如何鼓勵學(xué)生積極融入學(xué)習(xí)過程中，強調(diào)以學(xué)生為主體的教育教學(xué)，探索各類教學(xué)模式，例如翻轉(zhuǎn)課堂、自主學(xué)習(xí)模式、混合學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)模式。運用豐富的教學(xué)模式，設(shè)計多變的教學(xué)組織形式以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)參與度、促進其主動學(xué)習(xí)，從而提升教學(xué)效果。強調(diào)以激發(fā)學(xué)生興趣為切入點，培養(yǎng)學(xué)生具備完整的知識結(jié)構(gòu)、全面的工程師素質(zhì)、較強的工程實踐與創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)能力，提高工程實踐和動手能力、創(chuàng)新意識、團隊合作精神[1]。

通過對液壓課程實驗教學(xué)內(nèi)容進行多層次設(shè)計，教學(xué)形式分為體驗型、驗證型、創(chuàng)新型等，內(nèi)容由易到難；實驗內(nèi)容以小組形式完成；實驗成果涵蓋實物制作、項目報告與內(nèi)容講演；完成實驗項目需進行任務(wù)分析、方案規(guī)劃、任務(wù)分配、項目實施等多個階段。旨在促進學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐動手能力、合作溝通能力和問題解決能力的提高。培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、工程創(chuàng)新能力和靈活運用所學(xué)知識分析、解決實際問題的能力。

1 實驗教學(xué)發(fā)展趨勢

1.1 強調(diào)以學(xué)生為中心

由于實驗室環(huán)境的建設(shè)、實驗人員的數(shù)量等無法滿足要求，實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)通常為學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書要求，模擬實驗過程并最終提交實驗報告。實驗過程中學(xué)生思考少，主動性差，未能深入理解實驗原理，分析實驗構(gòu)成，學(xué)習(xí)效果不理想[2]。隨著自主學(xué)習(xí)模式、翻轉(zhuǎn)課堂、探究式學(xué)習(xí)模式等教學(xué)模式的日益融入，從以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心；改變實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)方式和教學(xué)方法，從以學(xué)科為導(dǎo)向轉(zhuǎn)化為以學(xué)生的能力獲得為導(dǎo)向。學(xué)生實驗之前，以問題引導(dǎo)，通過學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，查閱相關(guān)文獻資料獲得解決途徑，可通過統(tǒng)一或多變的實驗過程，獲得實驗數(shù)據(jù)或驗證實驗結(jié)果，最后撰寫實驗報告以描述實驗過程與實驗結(jié)果，并討論實驗過程的合理性。

1.2 增強實驗教學(xué)比重

近年來，提倡實驗教學(xué)與理論教學(xué)融為一體，進一步密切理論知識傳授與實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)之間的聯(lián)系；加大實驗教學(xué)的比重，加強理論與實驗教學(xué)的聯(lián)系。遵循“學(xué)以致用、鼓勵實踐、由易到難”的原則，開放優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，以項目任務(wù)為牽引，激發(fā)、調(diào)動學(xué)生的興趣和求知欲，引導(dǎo)學(xué)生主動實踐、自主學(xué)習(xí)。激勵學(xué)生實踐創(chuàng)新的主觀能動性，探索并形成了主動實踐、自主管理、角色管理、朋輩學(xué)習(xí)的自主式學(xué)習(xí)實踐和團隊協(xié)作機制[1-3]。

2 多層次實踐教學(xué)模式構(gòu)建

2.1 體驗型實驗

隨著學(xué)時的壓縮、課程內(nèi)容的進一步精簡，流體力學(xué)內(nèi)容融入液壓課程一并學(xué)習(xí)，從油液流動到液壓系統(tǒng)元器件均為抽象且陌生的學(xué)習(xí)對象，難以有相應(yīng)的感性認(rèn)識，課程距離感頓生。學(xué)生學(xué)習(xí)時容易出現(xiàn)理解困難、理論與實踐脫節(jié)等問題，常常出現(xiàn)學(xué)習(xí)流于公式計算、綜合運用能力差的狀況。

體驗型實驗項目旨在增強學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的感性認(rèn)識，建立課程內(nèi)容與生活實踐密切相關(guān)的親密感，從而吸引學(xué)生融入學(xué)習(xí)過程。體驗型項目趣味性強，讓學(xué)生感受到在游戲中學(xué)習(xí)的氛圍。

2.1.1 流體力學(xué)基礎(chǔ)

流體力學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容相對抽象，以力學(xué)與數(shù)學(xué)作為學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，同時又是液壓傳動的理論基礎(chǔ)。如何能夠具象地理解其內(nèi)容，使得抽象內(nèi)容形象化、有趣化是吸引學(xué)生學(xué)習(xí)并提高知識點掌握率的重要手段。

如課程中流體力學(xué)內(nèi)容，多數(shù)內(nèi)容為以高等數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的推導(dǎo)過程，一味強調(diào)數(shù)學(xué)推導(dǎo)易減弱學(xué)習(xí)興趣。伯努利原理作為流體力學(xué)基礎(chǔ)重要內(nèi)容之一，體現(xiàn)了流體的總能量由壓力能、位能和動能三者能量守恒且可以相互轉(zhuǎn)換，其原理在現(xiàn)實中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，利于學(xué)生動手實踐。如反重力乒乓球?qū)嶒?，在?zhǔn)備乒乓球、細(xì)線等簡單材料的基礎(chǔ)上，即可呈現(xiàn)有趣的伯努利效應(yīng)。當(dāng)開啟水龍頭后，與水流相近的乒乓球被快速吸進水流(如圖1所示)。原理是當(dāng)乒乓球一側(cè)有高速水流通過，壓力降低，就與乒乓球周圍靜止的空氣之間形成了壓力差，乒乓球就被周圍的高氣壓推進水流，呈現(xiàn)了伯努利定律中流體的速度越快，內(nèi)部壓力越小的規(guī)律。

流態(tài)也是流體力學(xué)中的重要內(nèi)容，爆炸實驗室中“時光倒流”實驗，準(zhǔn)備大小玻璃杯、糖漿、色素和燕尾夾等簡單素材，慢慢旋轉(zhuǎn)玻璃杯時，由于糖黏度大且流速很小，糖漿分層流動，無色糖漿與有色糖漿互不混合；當(dāng)反向旋轉(zhuǎn)時，有色糖漿也回到原位[4]。直觀有趣地呈現(xiàn)了流態(tài)中層流，學(xué)生可感性認(rèn)識流體分層流動、互不混合的狀態(tài)(如圖2所示)。

圖1 水流“吸住”的乒乓球

圖2 “時光倒流”實驗

案例生活化能夠讓抽象的理論變得觸手可及，液壓傳動技術(shù)并不是只在遙不可及的工程中才有，在日常生活中也有廣泛應(yīng)用，學(xué)生只需將所學(xué)理論與生活聯(lián)系即可。通過簡單制作的小裝置，呈現(xiàn)空洞抽象的理論知識，增強趣味性的同時加深學(xué)生對內(nèi)容的理解。因此，巧妙應(yīng)用生活中的案例，讓學(xué)生動手再現(xiàn)抽象的理論，可激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，加深其對理論知識的理解和運用。

2.1.2 執(zhí)行元件

作為液壓傳動執(zhí)行元件之一，理解液體壓力能如何轉(zhuǎn)換為機械能以及液體壓力與外負(fù)載、液體流速與液壓缸伸出速度之間的關(guān)系，是該章節(jié)的重要內(nèi)容。通常將升降機、挖掘機伸縮臂或是升降舞臺等作為示例說明，雖然生活中常見，但是接觸度較低，學(xué)生對這些事例了解程度較低，因此，對理解教學(xué)內(nèi)容幫助程度有限。若能動手采用簡易設(shè)備實踐教學(xué)內(nèi)容，無疑更加利于內(nèi)容理解。

通過運用針筒、塑料管、紙板等簡單素材，構(gòu)建可運動機械臂裝置(如圖3所示)，實現(xiàn)若干個自由度的運動，不僅助于理解液體壓力能與機械能的轉(zhuǎn)換關(guān)系、液壓缸的原理等內(nèi)容，更能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[5]?？蛇M一步將其量化，如設(shè)定機械臂完成目標(biāo)為定量重物的定距離移動，以裝置完成目標(biāo)的精確度和速度為標(biāo)量，考核項目完成度，形成趣味項目競賽，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性與創(chuàng)新性以及提高項目完成度[6]。類似制作難度相對低的簡易液壓裝置還有千斤頂?shù)?，均可設(shè)定特定目標(biāo)，如以抬升重物重量與速度作為標(biāo)量考核項目完成度。

2.2 驗證型實驗

目前教學(xué)中常見的大多為驗證型實驗，F(xiàn)ESTO、博世力士樂等均研發(fā)了液壓與氣動的教學(xué)實驗臺，可用于完成種類豐富的液壓泵性能測試、溢流閥的應(yīng)用、調(diào)速回路實驗等諸多驗證型實驗。液壓實驗臺大多為回路實驗所設(shè)計，涉及元件多、可搭建回路豐富，若學(xué)生均參與操作，需要實驗臺套數(shù)多，購置金額相應(yīng)增大，實驗占地面積相應(yīng)增大，大多難以滿足要求；若分組實驗，多人同時操作實驗臺，或是演示實驗，學(xué)生無法實際操作，又弱化了學(xué)生參與性。此外，目前遠(yuǎn)程教育、在線教育諸多，如何滿足線上線下學(xué)習(xí)要求，虛擬仿真實驗臺將是較好的選擇。相對于實體實驗臺，其對硬件依賴程度較低，隨著VR與AR的發(fā)展，其越來越接近真實元件與現(xiàn)實操作。如圖4液壓泵性能測試虛擬實驗，基本完全模擬實際操作平臺中的所有操作流程，如開關(guān)液壓泵、調(diào)整節(jié)流閥、記錄性能參數(shù)等幾乎與實際操作無異[7]。

虛擬仿真實驗不限于設(shè)備和場地，不限時間，可獲得最佳的學(xué)習(xí)體驗，能夠同時滿足線上線下教育的實驗需求，完全模擬實體實驗臺操作流程，學(xué)生能夠自由選擇實驗時間，并且能夠給出更多的實驗選擇。給予學(xué)生更多消化實驗內(nèi)容的時間以及思考實驗過程中出現(xiàn)的問題等。相對于實驗臺硬件設(shè)備的更新，虛擬仿真系統(tǒng)更新速度較快、難度較低。如本課程的液壓虛擬仿真實驗系統(tǒng)涵蓋了13個實驗項目，內(nèi)容相對豐富，可將實驗內(nèi)容設(shè)定為多個選項，如節(jié)流調(diào)速回路實驗，學(xué)生可從進油、回油與旁路中任選一個或多個進行操作，增加其參與度。仿真實驗多為驗證型實驗，設(shè)計感較弱，因此加入仿真實驗非常必要。

圖3 液動機械手模型

圖4 液壓泵性能測試虛擬實驗

2.3 綜合型實驗

液壓傳動學(xué)習(xí)主要目的之一在于能夠在流體傳動領(lǐng)域設(shè)計針對復(fù)雜工程問題的解決方案，設(shè)計系統(tǒng)和其核心部件的氣路或傳動系統(tǒng)，滿足設(shè)計要求。因此應(yīng)用相關(guān)仿真軟件設(shè)計回路能夠解決課程知識的融會貫通與綜合應(yīng)用，避免學(xué)習(xí)停留于背誦概念、公式、求解計算；還能從一定程度上回答學(xué)生對課程應(yīng)用的疑問。MatLab與FLUIDSIM等軟件均有液壓傳動回路仿真功能，能夠協(xié)助學(xué)生設(shè)計液壓回路。例如通過實現(xiàn)兩個以上動作設(shè)計回路并運用仿真驗證回路設(shè)計合理性，有助于課程知識的融會貫通。在回路設(shè)計分析中，需要注意定量分析的問題，以幫助學(xué)生弄懂并深入理解理論知識。

3 多層次實驗教學(xué)的作用

多層次實驗教學(xué)遵循知識認(rèn)知循序漸進的原則，從簡單到復(fù)雜，從單一到綜合，各層次難度層層遞進。項目內(nèi)容不僅涉及了基礎(chǔ)概念理解與理論，而且涉及綜合應(yīng)用；不僅可以加深學(xué)生對內(nèi)容的理解與掌握，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力；不僅適合課堂面對面教學(xué)，而且能夠用于遠(yuǎn)程教育，不受硬件設(shè)備限制。作為提高學(xué)生理解課程內(nèi)容的方式是較好的選擇。

3.1 豐富教學(xué)模式

構(gòu)建了一個以學(xué)生為中心、自動、柔性的學(xué)習(xí)環(huán)境，將趣味元素應(yīng)用于教學(xué)過程，踐行游戲化學(xué)習(xí)理念，從而鼓勵學(xué)生融入學(xué)習(xí)過程并最終達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。游戲化學(xué)習(xí)理念能夠為學(xué)生構(gòu)建一個以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)環(huán)境，從而獲得更高的參與度、長期學(xué)習(xí)以及知識掌握。因此，游戲化是解決學(xué)生參與度的方式之一。

體驗型實驗是游戲化學(xué)習(xí)理念在教學(xué)中的應(yīng)用方式之一，將遠(yuǎn)在工程實踐中的液壓與氣壓傳動技術(shù)拉近到可制作的趣味裝置中，將課程中抽象的理論變得觸手可及，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強課程親和力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。體驗性項目中的定量化設(shè)計，不僅為項目競賽化提供依據(jù)，提高了項目趣味性和完成度，而且有助于學(xué)生深入理解理論知識，培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計能力。

3.2 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

項目以小組形式完成，培養(yǎng)學(xué)生具有團隊合作環(huán)境中發(fā)揮作用的能力。項目內(nèi)容在課程之初予以介紹，不局限于先行教授相關(guān)課程內(nèi)容后再安排實驗項目。引導(dǎo)學(xué)生積極參閱資料、設(shè)計方案并進行方案分析，促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)理論知識，并最終應(yīng)用于實踐，形成主動學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的模式。此類教學(xué)模式利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高其實踐能力；增強學(xué)生自學(xué)能力，培養(yǎng)良好的思維習(xí)慣，提高分析問題、解決問題的能力。

4 結(jié)語

為了提升液壓課程教學(xué)效果，構(gòu)建多層次實驗教學(xué)模式，從融入游戲化學(xué)習(xí)理念的體驗型實驗到采用能滿足在線學(xué)習(xí)需求的虛擬仿真實驗臺完成驗證性實驗以及旨在解決復(fù)雜工程問題的綜合型實驗，各層次難度層層遞進，實驗項目之間內(nèi)容互補。多層次實驗教學(xué)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐、創(chuàng)新能力以及學(xué)生的團隊合作精神，培養(yǎng)學(xué)生工程意識和項目管理能力。