10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.052

摘 要 在教育教學(xué)與信息化技術(shù)逐漸融合的背景下，傳統(tǒng)的教學(xué)方式很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，難以實現(xiàn)教育教學(xué)效果的最優(yōu)化。為了獲得更理想的教學(xué)效果，需要在教學(xué)過程中融入信息化教學(xué)手段。通過借助虛擬仿真軟件，讓液壓氣壓元件、液壓氣動系統(tǒng)回路做到流動起來，以直觀的視覺效應(yīng)吸引學(xué)生的注意力，加深他們對液壓與氣動傳動系統(tǒng)的理解。

關(guān)鍵詞 高職院校；虛擬仿真技術(shù)；液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)；教學(xué)改革；任務(wù)驅(qū)動教學(xué)；實訓(xùn)室

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）05-0052-03

0 引言

在新形勢下，高等職業(yè)教育應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生的特點，調(diào)整理論課程和實操課程比例，更加注重學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)[1]。結(jié)合目前液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)存在的諸多弊端，需要找出有效的改革措施，提高教學(xué)質(zhì)量。以虛擬仿真技術(shù)為媒介，對液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)課程實施教學(xué)改革探索，主要利用中望3D、Flash、AMESim仿真軟件引入虛擬仿真技術(shù)，對液壓氣壓元件的工作原理、功能特性以及液壓氣動系統(tǒng)基本回路進行虛擬仿真演示，構(gòu)建新的教學(xué)模式，增強課程教學(xué)效果[2]。

1 液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)問題分析

液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)課程傳統(tǒng)教學(xué)模式主要為教師課堂講解，所學(xué)內(nèi)容幾乎全部由教師講授，學(xué)生只是一味機械式地聽講[3]。這一教學(xué)模式單一、缺乏活力，沒有考慮高職院校學(xué)生基礎(chǔ)知識薄弱、理論知識接受能力差的特點[4]。此外，液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)實踐操作與理論教學(xué)的比例往往難以平衡，液壓與氣動實訓(xùn)室的實訓(xùn)設(shè)備也很難滿足所有學(xué)生一起實訓(xùn)的需求。課中學(xué)生動手實操時間有限，并且在進行液壓系統(tǒng)或氣動系統(tǒng)實操的過程中，只是照著教師的演示進行模仿，很少帶著問題去思考。實踐課時與理論課時安排不合理、實訓(xùn)設(shè)備缺少等因素，嚴(yán)重影響了液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)效果[5]。

2 液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)改革方向

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)以任務(wù)為引線，學(xué)生圍繞任務(wù)進行小組討論、課上答疑、實操演練、成果展示等教學(xué)環(huán)節(jié)，落實課堂上以學(xué)生為主、學(xué)生為本的教學(xué)理念，通過任務(wù)驅(qū)動使學(xué)生更加直接地進入液壓系統(tǒng)的應(yīng)用和實踐。考慮到液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)課程具有內(nèi)容抽象、元件示意圖復(fù)雜、系統(tǒng)實踐性強等特點，以任務(wù)為引線，學(xué)生可以清晰地掌握知識要點，同時可培養(yǎng)學(xué)生獨立思考問題、分析問題、解決問題的能力。在課程設(shè)計中，任課教師需要預(yù)先以項目的形式對液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)課程所涵蓋的知識點進行劃分整合，每個項目分為理論知識和實踐操作兩部分。在教學(xué)過程中，教師借助信息技術(shù)平臺給學(xué)生下達(dá)任務(wù)，學(xué)生利用虛擬仿真軟件按照要求完成虛擬仿真模擬演練。

3 基于虛擬仿真技術(shù)的液壓與氣動應(yīng)用技

術(shù)課程教學(xué)改革探索

3.1 基于虛擬仿真技術(shù)模擬液壓氣壓元件的拆解過程

液壓氣壓系統(tǒng)中液壓缸、控制閥是系統(tǒng)的核心元件，這些元件結(jié)構(gòu)與工作原理學(xué)習(xí)起來相對抽象。學(xué)生可以在實訓(xùn)室拆裝液壓氣壓元件，達(dá)到了解其內(nèi)部構(gòu)造和工作原理的目的。但是大部分高職院校實訓(xùn)條件達(dá)不到學(xué)習(xí)的要求，實訓(xùn)室缺乏足量的液壓氣壓元件，再加上學(xué)生拆裝過程長，元件損耗大，拆卸后零件損壞或丟失，不能進行多次重復(fù)拆裝，導(dǎo)致教學(xué)效果不明顯。

教師可以借助中望3D軟件，開發(fā)液壓氣壓元件的三維模型，制作相應(yīng)的虛擬拆裝視頻。教師引領(lǐng)學(xué)生在中望3D軟件上演示液壓氣壓元件的虛擬拆裝，以此方式講解其工作原理。這種課程設(shè)計清晰易懂，學(xué)生上課也有興趣，學(xué)習(xí)積極性也高。圖1所示為學(xué)生利用仿真軟件對齒輪泵進行虛擬模擬拆裝。通過模擬拆裝，學(xué)生可以掌握齒輪泵由哪些零件組成，每個零件之間的裝配關(guān)系，也可以對齒輪泵進行剖切，了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對理解齒輪泵的工作原理有很大的幫助。同時解決了在實訓(xùn)室拆裝液壓氣壓元件的一些弊端，并且課下學(xué)生可以隨時復(fù)習(xí)，自己練習(xí)液壓氣壓元件的拆裝過程，實現(xiàn)不在實訓(xùn)室也能完成實操課程。

3.2 基于虛擬仿真技術(shù)模擬液壓氣壓元件工作原理

在學(xué)習(xí)液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)時，要學(xué)會帶著問題去分析，很多知識點是抽象的，不易用語言來說明，需要用直觀的表達(dá)方式來解釋。例如：液壓泵是如何吸入低壓油、輸出高壓油的？控制閥是如何控制液壓油、壓縮空氣的流動方向、壓力及流量的？利用Flash軟件對液壓氣壓元件進行動畫模擬，演示其工作過程，通過動態(tài)效果演示，學(xué)生可以直接觀看這些元件的工作過程，這種教學(xué)方式更直觀生動，可有效幫助他們理解這些液壓氣壓元件的工作原理。

圖2所示為利用Flash做的齒輪泵工作過程動畫，該動畫演示了齒輪泵吸壓油的整個過程。動畫中箭頭代表油液流動方向，藍(lán)色為吸油區(qū)，紅色為壓油區(qū)，學(xué)生可以直觀地看到液壓油的流動方向，容易分辨出吸油區(qū)和壓油區(qū)。教師以動畫視頻為媒介解析齒輪泵工作原理的方式，相比對照書本、PPT直白地講解，效果更明顯。齒輪泵內(nèi)有許多密封的容積腔，學(xué)生通過觀察齒輪泵中油液的流動，在齒輪轉(zhuǎn)動過程中可以看到容積腔體積發(fā)生變化，吸油區(qū)容積腔體積變大，將油箱低壓油吸入，壓油區(qū)容積腔體積變小，輸出高壓油。

圖3所示為利用Flash軟件做的直動式溢流閥動畫。該動畫演示了怎樣開啟直動式溢流閥的過程，液壓油在壓力的作用下從溢流閥進油口流入，在進口油壓大于等于閥芯上端彈簧力時，液壓油推動閥芯向上移動，從而使進油口與出油口連通，直動式溢流閥打開開始工作。學(xué)生通過動畫演示，可以從油液流動分析閥芯是怎樣被打開的。相對于教師的理論分析公式推導(dǎo)，動畫演示可以更有效地幫助學(xué)生理解直動式溢流閥的工作原理。

3.3 液壓氣動系統(tǒng)基本回路的虛擬仿真

液壓氣動系統(tǒng)一般由一個或多個基本回路組成。以往課堂上很多學(xué)生只是照本宣科地去搭建液壓基本回路，很少會分析基本回路為什么會有這樣的功能。目前大多數(shù)高校的液壓實訓(xùn)設(shè)備老舊，存在油箱、油管漏油的現(xiàn)象，不利于學(xué)生的實操。且實訓(xùn)設(shè)備缺乏，一個小組分配一個實訓(xùn)臺，每組有五人左右，很多學(xué)生只是觀看組內(nèi)成員搭建液壓基本回路測試其功能，以致實操課程達(dá)不到預(yù)期效果。

基于信息化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，利用AMESim軟件搭建液壓氣壓系統(tǒng)回路，觀察系統(tǒng)中執(zhí)行元件的速度、位移壓力的變化。圖4所示為學(xué)生利用AMESim軟件搭建的換向閥換向回路。利用該換向回路仿真演示執(zhí)行元件的運動狀態(tài)，查看系統(tǒng)各處的壓力變化。并且通過改變系統(tǒng)各元件的調(diào)定值參數(shù)，如溢流閥的cracking pressure（開啟壓力），液壓缸的rod velocity（速度）、spring preload（負(fù)載）、length of stroke（行程）等，觀察液壓系統(tǒng)壓力、流量的變化，幫助學(xué)生掌握各元件的作用以及基本回路的功能實現(xiàn)。

在學(xué)習(xí)液壓氣壓典型回路時，教師首先引領(lǐng)學(xué)生梳理一遍工作流程，然后讓學(xué)生對照原理圖利用虛擬仿真軟件搭建整個液壓氣壓系統(tǒng)，通過模擬仿真演示整個系統(tǒng)回路的工作過程，對系統(tǒng)回路進行優(yōu)化、創(chuàng)新。如工業(yè)自動裝配機控制系統(tǒng)，依照對自動裝配機的工作要求，教學(xué)過程如下。

1）學(xué)生分組討論分析自動裝配機控制系統(tǒng)中包含哪些液壓基本回路，設(shè)計最佳的裝配機控制系統(tǒng)液壓回路。

2）依據(jù)自己設(shè)計的液壓回路制作電磁閥或行程閥的動作順序表，然后根據(jù)原理圖利用虛擬仿真軟件和實訓(xùn)臺搭建液壓回路進行驗證。

3）搭建完成液壓系統(tǒng)回路，實現(xiàn)自動裝配機工作過程的模擬仿真。同時，可以嘗試將回路中液壓元件的設(shè)定參數(shù)進行調(diào)整或者更換液壓元件，進行對比分析，驗證設(shè)計的自動裝配機控制系統(tǒng)液壓回路是否為最佳回路。

4 虛擬仿真教學(xué)實踐效果分析

虛擬仿真技術(shù)融入液壓課程教學(xué)，可以使復(fù)雜液壓系統(tǒng)問題條理化、抽象的液壓元件問題形象化，以虛擬仿真軟件結(jié)合實訓(xùn)室設(shè)備的教學(xué)方法解決實訓(xùn)設(shè)備不足的問題，充分拓展課堂。把項目引入課堂，以任務(wù)驅(qū)動的方法引導(dǎo)學(xué)生思考、探究、討論、自主完成實操演練等教師布置的任務(wù)。這樣的教學(xué)方式做到課堂上以學(xué)生為中心，讓學(xué)生經(jīng)歷整個課程所有的環(huán)節(jié)，課程不僅豐富多彩，而且學(xué)生的參與度也大大提高，他們在每個項目上都有收獲，教學(xué)效果明顯增強。利用虛擬仿真技術(shù)與實訓(xùn)室結(jié)合，一方面可以增強實訓(xùn)課程的效果，另一方面，學(xué)生利用仿真軟件平臺可以模擬實現(xiàn)許多現(xiàn)實生活中運用液壓系統(tǒng)的案例，面對的不再是抽象、復(fù)雜、模糊的液壓系統(tǒng)，這樣的課程更加充實、更易被接受。

教學(xué)過程實施：

1）教師首先通過新媒體技術(shù)提前發(fā)布下節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，學(xué)生在課前提前預(yù)習(xí)；

2）教師課中拋出項目中涉及的任務(wù)知識點并給出一些參考見解，引導(dǎo)學(xué)生探究怎樣利用虛擬技術(shù)解決這些問題；

3）學(xué)生在小組內(nèi)展開討論、相互協(xié)作，每位學(xué)生根據(jù)討論的結(jié)果進行自主學(xué)習(xí)探究；

4）顯示借助實訓(xùn)臺搭建自己在虛擬仿真軟件中設(shè)計的液壓氣壓系統(tǒng)，探究液壓氣壓元件和系統(tǒng)的

功能；

5）教師對學(xué)生給出的解決問題方案進行分析與評價，最后總結(jié)回顧本節(jié)課程，強調(diào)重難點。

5 結(jié)束語

把虛擬仿真技術(shù)與液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)課程結(jié)合進行教學(xué)實踐探索，極大地提高了教學(xué)質(zhì)量。這種教學(xué)方式有以下優(yōu)勢。

1）課程結(jié)合虛擬仿真技術(shù)開展教學(xué)，可以使學(xué)生對抽象的理論知識有更直觀的理解，幫助學(xué)生迅速理解和掌握液壓與氣動的基本知識。

2）課程以項目形式展開，學(xué)生首先聽教師講解項目液壓氣動元件和液壓氣動系統(tǒng)，然后根據(jù)教師分配的任務(wù)討論設(shè)計液壓氣壓回路，利用仿真軟件對其進行模擬演示。通過這種方式進行教學(xué)，可以增強學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，實現(xiàn)理想的教學(xué)效果。

3）由于液壓氣壓系統(tǒng)設(shè)計回路時選擇的元件并不是固定的，利用仿真軟件，學(xué)生可根據(jù)任務(wù)要求選擇不同的元件，優(yōu)化設(shè)計的液壓氣動回路，然后通過對比分析，選出最合適的回路。

4）將虛擬仿真技術(shù)融入液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)，可將抽象的液壓知識以直觀、生動的方式展現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生輕松掌握教學(xué)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1] 惠相君.仿真軟件在《液壓與氣動技術(shù)》課程教學(xué)中

的應(yīng)用[J].液壓氣動與密封，2017（6）：43-46.

[2] 畢長飛.FluidSIM 3.6仿真軟件在《液壓與氣動技術(shù)》

中的應(yīng)用[J].液壓與氣動，2011（8）：111-104.

[3] 林雪冬.基于虛擬仿真技術(shù)的液壓與氣動技術(shù)課程的

教學(xué)改革實踐研究[J].科技資訊，2019（21）：97-98，

101.

[4] 瞿希.液壓與氣動實驗教學(xué)改革與實踐研究[J].內(nèi)

燃機與配件，2018（17）：257-258.

[5] 王亞東.液壓與氣動實驗教學(xué)改革探索[J].中國設(shè)

備工程，2020（6）：162-164.

*項目來源：2021年湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級規(guī)劃課題“基于虛擬仿真技術(shù)下《液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)》課程教學(xué)改革

探索”（項目編號：2021JY21）。

作者：王勇，湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向為流體傳動與控制；劉國文，湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授，研究方向為機電一體化技術(shù)（313000）。