王海芳 陳利強(qiáng) 呂超

摘? ? 要：針對國家創(chuàng)新工程人才的培養(yǎng)需求和流體傳動技術(shù)課程群的內(nèi)容，東北大學(xué)秦皇島分校基于OBE（成果導(dǎo)向教育）理念，以能力需求為導(dǎo)向，開展流體傳動技術(shù)課程群建設(shè)及實(shí)踐。文章通過分析流體傳動技術(shù)課程群的能力導(dǎo)向，提出了雙層式課程群協(xié)同教學(xué)體系，以項目教學(xué)法為核心，輔以相應(yīng)的工程仿真軟件支撐，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)了“學(xué)”與“做”的有效結(jié)合。教學(xué)改革中采用了項目組和教師組“雙向”評價方法，實(shí)現(xiàn)組內(nèi)評價和過程性評價相結(jié)合。實(shí)踐表明，課程群教學(xué)改革更好地提升了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：課程群;流體傳動;能力導(dǎo)向教育;項目教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2023）10-0049-04

一、引言

德國于2013年公布的《德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃實(shí)施

建議》和我國于2015年公布的《中國制造2025》都旨在推進(jìn)工業(yè)的智能制造，這就要求我國高等工程教育要培養(yǎng)出智能制造所需要的具有創(chuàng)新思維和綜合理論及技能的復(fù)合工程技術(shù)人才。成果導(dǎo)向教育（Outcome based educa-tion，簡稱OBE）是一種面向市場需求的、重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生能力培養(yǎng)和能力訓(xùn)練的教育理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性及“學(xué)”與“做”的有機(jī)結(jié)合，實(shí)踐表明，OBE理念有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)合工程技術(shù)人才的培養(yǎng)[1]。

流體傳動是與機(jī)械傳動、電氣傳動并行的能量傳輸方式，流體傳動不受嚴(yán)格的空間位置限制，利用管道連接，布局靈活，易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動、無級變速和自動控制。流體傳動元件屬于機(jī)械工業(yè)基礎(chǔ)件，標(biāo)準(zhǔn)化和通用化程度較高，有利于縮短設(shè)計制造周期和降低制造成本。因此，流體傳動技術(shù)在各個行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。流體傳動技術(shù)是機(jī)械類專業(yè)的基礎(chǔ)知識，流體傳動技術(shù)類課程既包含流體力學(xué)、控制技術(shù)等抽象數(shù)學(xué)理論知識，又包含流體元件及系統(tǒng)的實(shí)際模型知識，還有課程實(shí)驗及設(shè)計的實(shí)踐環(huán)節(jié)，內(nèi)容比較繁雜。目前，流體傳動技術(shù)類課程之間相互割裂，內(nèi)容整合銜接不好，缺乏連貫性，存在內(nèi)容重復(fù)、知識重疊等問題。

在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，通常是先理論后實(shí)驗，以理論為主，以實(shí)驗為輔，此類教學(xué)模式簡單可行，能滿足初步的被動式教學(xué)需求，但存在很多不足。第一，此類教學(xué)模式以教師為主體，以理論知識傳授為教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)設(shè)計往往自上而下進(jìn)行，本質(zhì)上背離了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)的積極性[2]。第二，課程群中的“工程流體力學(xué)理論”及“控制技術(shù)”課程主要講授流體的基本特性，流體的靜、動平衡和運(yùn)動規(guī)律，自動控制系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用，其內(nèi)容大多以基本概念和理論公式推導(dǎo)為主，是分析元件與系統(tǒng)的“流體力學(xué)”“控制技術(shù)”的理論和計算方法支撐，理論難度大，學(xué)生理解起來比較難。第三，由于流體傳動的特殊性，元件和回路大多是在密封的條件下工作，盡管有元件和系統(tǒng)動畫的支持，但是元件內(nèi)部的細(xì)節(jié)無法展示給學(xué)生，教學(xué)的直觀性相對較差，學(xué)生掌握元件與回路的原理及構(gòu)成比較困難。第四，“液壓氣動課程設(shè)計”目前多以常規(guī)的單執(zhí)行元件為基礎(chǔ)進(jìn)行課程設(shè)計，設(shè)計的多樣性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度相對不足，在設(shè)計過程中，應(yīng)用仿真軟件環(huán)節(jié)缺失，無法及時體現(xiàn)設(shè)計過程參數(shù)對結(jié)果的影響。綜上所述，目前，流體傳動技術(shù)課程群的教學(xué)與實(shí)踐改革應(yīng)基于能力導(dǎo)向，強(qiáng)化工程背景，加強(qiáng)學(xué)生在復(fù)雜工程實(shí)踐中的訓(xùn)練和提升解決復(fù)雜工程問題的能力。

流體傳動技術(shù)課程群基于工程教育認(rèn)證的課程畢業(yè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建課程群能力導(dǎo)向，以“工程流體力學(xué)”課程作為課程群理論前序，以“液壓氣動元件與系統(tǒng)”和“液壓控制系統(tǒng)”課程作為課程群元件與系統(tǒng)拓展，以“液壓氣動課程設(shè)計”課程作為課程群實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過整合、更新和充實(shí)上述課程及實(shí)踐的教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的有機(jī)集成。采用課程群項目制教學(xué)方法，師生通過項目參與教學(xué)全過程，構(gòu)建“雙向”評價方式，實(shí)現(xiàn)過程評價，從而促進(jìn)學(xué)生的知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展。

二、流體傳動技術(shù)課程群的能力導(dǎo)向

按照工程教育認(rèn)證的課程畢業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，流體傳動技術(shù)課程群的能力導(dǎo)向如下[3]。

1.掌握流體傳動靜力學(xué)、動力學(xué)、管路流動及其阻力、孔口和管嘴流動及其損失、相似原理與量綱分析等知識及常用工程數(shù)值分析方法。培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用流體力學(xué)知識分析和解決工程問題的能力，為學(xué)生學(xué)習(xí)流體傳動技術(shù)后續(xù)課程打下堅實(shí)的流體力學(xué)基礎(chǔ)。

2.掌握流體傳動動力、執(zhí)行、控制、輔助元件和基本回路的工作原理、典型結(jié)構(gòu)、工作特性、參數(shù)計算和適用場合等。培養(yǎng)學(xué)生流體元件和基本回路的選型、計算和分析能力，為流體傳動系統(tǒng)搭建打下堅實(shí)的元件和回路基礎(chǔ)。

3.熟悉流體伺服放大、動力和伺服元件的工作原理和特性，流體伺服系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性分析，計算與仿真方法。培養(yǎng)學(xué)生流體伺服元件和系統(tǒng)的分析、計算和仿真能力，為流體伺服系統(tǒng)構(gòu)建打下堅實(shí)的元件和系統(tǒng)的原理及特性基礎(chǔ)。

4.綜合課程群先修課程的知識內(nèi)容，針對實(shí)際的流體傳動工程問題，學(xué)生運(yùn)用前序知識合理地構(gòu)建滿足設(shè)計要求的流體傳動系統(tǒng)。培養(yǎng)學(xué)生合理選用各種流體傳動元件，同時能對系統(tǒng)進(jìn)行初步計算和仿真，從而完善流體傳動系統(tǒng)的設(shè)計的能力。

三、流體傳動技術(shù)課程群的構(gòu)建

流體傳動技術(shù)課程群以培養(yǎng)學(xué)生流體傳動技術(shù)能力為目的，整合流體傳動技術(shù)主題相通、內(nèi)容關(guān)聯(lián)的課程，由追求單門課程內(nèi)容的嚴(yán)密、完整轉(zhuǎn)換為課程群內(nèi)部的銜接、完善，課程群之間既相對獨(dú)立又上下貫通，完成了流體傳動技術(shù)課程群“大課程”的布局。

流體傳動技術(shù)課程群以“工程流體力學(xué)”“液壓氣動元件與系統(tǒng)”和“液壓控制系統(tǒng)”課程知識為理論基礎(chǔ)模塊，以“液壓氣動元件與系統(tǒng)”“液壓控制系統(tǒng)”和“液壓氣動課程設(shè)計”課程的實(shí)驗與實(shí)踐部分為實(shí)驗及實(shí)踐模塊，各門課程間相互聯(lián)系、相互支撐、交叉綜合，刪減了大量重復(fù)知識，構(gòu)建了一個完整的流體傳動技術(shù)課程群（圖1）。課程群整合流體傳動技術(shù)方面的相關(guān)課程，理順了課程內(nèi)容的關(guān)系，促進(jìn)了課程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，形成課程建設(shè)的超集合專業(yè)建設(shè)的子集。

“工程流體力學(xué)”課程主要講授流體平衡和運(yùn)動規(guī)律，建立描述各類流體運(yùn)動的基本方程，確定流體經(jīng)過各種通道及繞流不同物體時的速度、壓力的分布情況，探求能量轉(zhuǎn)換及各種阻力損失的計算方法，并解決流體與限制其流動的固體壁之間的相互作用問題，其提供了流體傳動的基礎(chǔ)流體理論和計算方法支撐。

“液壓氣動元件與系統(tǒng)”課程主要講授液壓泵、液壓馬達(dá)與液壓缸、液壓控制閥、液壓輔件、液壓基本回路、典型液壓系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)設(shè)計計算、氣源裝置及氣動元件、氣動回路、氣動邏輯和氣壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算，其提供了流體傳動的元件和系統(tǒng)的原理、構(gòu)造和基礎(chǔ)設(shè)計的理論計算支撐。

“液壓控制系統(tǒng)”課程主要講授液壓伺服控制的基本組成和原理，液壓放大、動力和控制元件的組成和原理，機(jī)液和電液系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性分析與設(shè)計，其提供了流體控制的元件和系統(tǒng)的原理、構(gòu)造和基礎(chǔ)設(shè)計的理論計算支撐。

“液壓氣動課程設(shè)計”課程結(jié)合理論知識，以典型液壓氣動系統(tǒng)為實(shí)例，闡述了液壓氣動傳動系統(tǒng)的具體設(shè)計計算、缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計、油箱、氣路及泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計、各類元件的集成組合，并進(jìn)行液壓氣動常用元件的實(shí)際計算和選型，其提供了流體傳動的元件和系統(tǒng)設(shè)計計算的實(shí)踐支撐。

四、基于項目制教學(xué)方法的課程群建設(shè)

流體傳動技術(shù)課程群以項目制為教學(xué)方法，突出學(xué)生的能力培養(yǎng)，構(gòu)建頂層課程群內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計—底層課程項目制教學(xué)設(shè)計的雙層式課程群協(xié)同教學(xué)體系（圖2）。頂層課程群內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計根據(jù)機(jī)械工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和知識體系，實(shí)現(xiàn)基于OBE理念的課程群結(jié)構(gòu)和教學(xué)內(nèi)容整合優(yōu)化，包括調(diào)整教學(xué)大綱、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和編寫合適的講義等。底層課程項目制教學(xué)設(shè)計根據(jù)具體的課程內(nèi)容，將傳統(tǒng)學(xué)科體系中的知識內(nèi)容轉(zhuǎn)化為若干個教學(xué)項目，同時輔以相應(yīng)的工程仿真軟件支撐，圍繞項目開展教學(xué)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，直接參與教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)了“學(xué)”與“做”的有效結(jié)合[3]。

在“工程流體力學(xué)”課程理論知識講解過程中，設(shè)置4大類項目，具體如下。流體靜力學(xué)和動力學(xué)類項目，內(nèi)容包含連續(xù)性方程、伯努利方程的應(yīng)用、總水頭線和測壓管水頭線、動量方程的應(yīng)用;流動阻力和能量損失類項目，內(nèi)容包括層流運(yùn)動和紊流運(yùn)動、計算各類流體能量損失的方法;孔口管嘴管路流動類項目，內(nèi)容包括管路的串聯(lián)和并聯(lián)的計算規(guī)律、管路的計算基礎(chǔ)和方法;氣體動力學(xué)類項目，內(nèi)容包括氣體流動基本方程、氣體的氣流參數(shù)與通道面積的關(guān)系、氣體管道中的流動。課程引入有限元流體仿真軟件[4]，通過數(shù)值方法求解流體運(yùn)動的整個過程，得出流場中力、速度等參數(shù)的定性和定量分析。將抽象的流體力學(xué)知識通過仿真軟件直觀地表現(xiàn)出來，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在“液壓氣動元件與系統(tǒng)”課程理論、實(shí)驗知識講解過程中，設(shè)置4大類項目，具體如下。動力元件類項目，內(nèi)容包含柱塞泵、葉片泵、齒輪泵、螺桿泵、氣源部分的原理、基本組成和計算;執(zhí)行元件類項目，內(nèi)容包含齒輪馬達(dá)、柱塞馬達(dá)、葉片馬達(dá)、液壓缸和氣缸的原理、基本組成和計算;控制和輔助元件類項目，內(nèi)容包含方向控制閥、壓力控制閥、流量控制閥、氣動檢測元件、氣動邏輯元件和輔助元件的原理、基本組成和計算;常用基本回路和典型設(shè)備回路類項目，內(nèi)容包含壓力控制回路、速度控制回路、方向控制回路、多執(zhí)行元件回路、動力滑臺、壓力機(jī)液壓系統(tǒng)和氣動機(jī)械手的原理、基本組成和計算。課程中以元件和系統(tǒng)為對象，應(yīng)用三維建模軟件[5]，將元件復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行動畫仿真和視頻實(shí)物講解，使學(xué)生可以直觀地了解結(jié)構(gòu)原理。

在“液壓控制系統(tǒng)”課程理論、實(shí)驗知識講解過程中，設(shè)置4大類項目，具體如下。液壓放大元件類項目，內(nèi)容包括滑閥的結(jié)構(gòu)、靜態(tài)特性、受力分析、輸出功率及設(shè)計、噴嘴擋板閥和射流管閥的原理;動力元件類項目，內(nèi)容包括三通閥控液壓缸、四通閥控液壓缸和液壓馬達(dá)、泵控液壓馬達(dá)、液壓動力元件與負(fù)載的匹配;機(jī)液伺服類項目，內(nèi)容包括位置伺服系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響、動壓反饋裝置和液壓轉(zhuǎn)矩放大器的組成;電液伺服閥及其系統(tǒng)類項目，內(nèi)容包括電液伺服閥的原理、組成、分類和特性，電液位置、速度和力控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性分析、設(shè)計和校正。課程理論抽象，數(shù)學(xué)性較強(qiáng)，因此引入MATLAB軟件[6]，用軟件程序?qū)崿F(xiàn)理論的仿真，學(xué)生可直接參與程序的構(gòu)建、調(diào)試及運(yùn)行，教學(xué)直觀生動，教學(xué)效果得到改善。

在“液壓氣動課程設(shè)計”課程實(shí)踐環(huán)節(jié)，設(shè)置3大類項目，具體如下。少執(zhí)行元件傳動類項目，執(zhí)行元件1或2個，主要內(nèi)容包括一般液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計計算，強(qiáng)調(diào)對回路的理解和元件的基礎(chǔ)選取，滿足一般的系統(tǒng)要求;多執(zhí)行元件傳動類項目，執(zhí)行元件3個以上，除了基本設(shè)計計算外，還需要考慮多執(zhí)行元件之間的聯(lián)系，滿足復(fù)雜系統(tǒng)的聯(lián)動要求;伺服控制類項目，除了滿足常規(guī)的壓力、流量設(shè)計要求，還需要考慮控制系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性的指標(biāo)，滿足較高的伺服系統(tǒng)要求。在設(shè)計計算過程中，引入AMESim仿真軟件[7]，讓學(xué)生對設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真演算，驗證設(shè)計的可行性，提高設(shè)計效果。

五、課程群“雙向”評價方法及效果

結(jié)合課程群項目制教學(xué)方法改革，每門課程的考核方式由傳統(tǒng)的“平時成績+實(shí)驗成績+考試成績”改為

“項目成績+實(shí)驗成績（課程設(shè)計無）+考試成績（課程設(shè)計無）”。將平時成績納入項目成績中，提高項目教學(xué)考核比例，項目成績實(shí)行項目組和教師組“雙向”評價方法（圖3）。項目組評價，針對項目的參與度、分工度和貢獻(xiàn)度進(jìn)行組內(nèi)評價，引入同行競爭機(jī)制，有效避免組內(nèi)學(xué)生之間的“打醬油”現(xiàn)象，充分發(fā)揮每個學(xué)生的主觀能動性;教師組評價，針對項目的過程、匯報和答辯進(jìn)行多位教師評價，注重項目執(zhí)行的過程性評價，多位教師多元考核，客觀公正，及時探究項目中的各種問題，從而發(fā)現(xiàn)學(xué)生的長處和不足，提高學(xué)生的能力。

以機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生為依托，實(shí)施以能力為導(dǎo)向的流體傳動技術(shù)課程群建設(shè)及實(shí)踐教學(xué)改革，教學(xué)改革前后的課程成績和科技競賽獲得獎勵的數(shù)量統(tǒng)計對比如表1所示，參加課程群教學(xué)改革的學(xué)生獲得獎勵數(shù)量同比相應(yīng)的改革前課程最終成績總體提高了8.2%，說明學(xué)生對液壓傳動技術(shù)專業(yè)知識的理解普遍增強(qiáng)。參加課程群教學(xué)改革的學(xué)生在全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國大學(xué)生機(jī)械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽和全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽中多次應(yīng)用流體傳動知識和相應(yīng)的工程軟件，獲得國家級獎勵數(shù)量增加了50%，說明學(xué)生對流體傳動知識及軟件的應(yīng)用能力得到了加強(qiáng)，學(xué)生的分析和解決實(shí)際工程問題的能力得到了提升。

六、結(jié)束語

針對國家創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)需求，東北大學(xué)秦皇島分校按照《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，分析了流體傳動技術(shù)類課程群的能力導(dǎo)向，提出了以能力為導(dǎo)向的流體傳動技術(shù)雙層式課程群協(xié)同教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了基于OBE理念的課程群結(jié)構(gòu)構(gòu)建和教學(xué)內(nèi)容整合優(yōu)化，通過基于項目制教學(xué)方法的實(shí)施，輔以相應(yīng)的工程仿真軟件支撐，使學(xué)生更加自主融入教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)了“學(xué)”與“做”的有效結(jié)合。同時，增加了項目組和教師組“雙向”的評價方法，更好地進(jìn)行課程交流反饋。教學(xué)改革后的課程成績及競賽成績表明，學(xué)生對流體傳動技術(shù)專業(yè)知識的理解普遍增強(qiáng)，學(xué)生應(yīng)用流體傳動知識和工程軟件解決實(shí)際問題的能力得到了提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 姚靜，王佩.基于OBE教學(xué)理念的項目驅(qū)動式專業(yè)課程教學(xué)設(shè)計：以“液壓與氣壓傳動”為例[J].教學(xué)研究，2017，40（3）：87.

[2]? 孟爽，李德溥，卜遲武.翻轉(zhuǎn)課堂在“液壓與氣壓傳動”實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].黑龍江教育（理論與實(shí)踐），2020，74（4）：72.

[3]? 曹陽，馬軍，都金光，等.系統(tǒng)工程視角下OBE理念導(dǎo)引的機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)模式探析[J].大學(xué)教育，2022（10）：244.

[4]? 楊杰，劉建英，劉盛余，等.工程流體力學(xué)理論與數(shù)值計算相結(jié)合的教學(xué)改革[J].廣東化工，2021，48?（13）：263.

[5]? 倪君輝，詹白勺，余偉平.基于項目教學(xué)的液壓與氣壓傳動課程綜合改革[J].實(shí)驗室研究與探索，2017，36（11）：182.

[6]? 陳新元，傅連東，蔣林.機(jī)電系統(tǒng)動態(tài)仿真：基于MATLAB/Simulink[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019：197.

[7]? 張袁元，顓孫隨意，辛江慧，等.以能力達(dá)成為導(dǎo)向的“流體力學(xué)與液壓傳動”課程設(shè)計的教學(xué)探索與設(shè)計[J]. 科技風(fēng)，2021（1）：20.

收稿日期：2022-12-20? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2023-02-15

作者簡介：王海芳（1976—），男，山西高平人，東北大學(xué)秦皇島分校控制工程學(xué)院副教授，博士，研究方向為流體伺服控制及其元件可靠性、機(jī)器人技術(shù)。

基金項目：河北省高等學(xué)校教學(xué)改革研究與實(shí)踐項目“‘機(jī)械控制工程課程思政教學(xué)案例庫設(shè)計與實(shí)踐”（2021GJJG428）;東北大學(xué)秦皇島分校重點(diǎn)教改項目“基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出模式的‘液壓氣壓技術(shù)課程項目教學(xué)探討”（2020JG-A01）、一流本科課程建設(shè)項目“液壓氣動技術(shù)”（2023YLKC-A04）、課程思政示范項目“液壓氣動技術(shù)”（2022KCSZ-B21）、一流本科專業(yè)建設(shè)項目“機(jī)械工程”（2021YLZY-04）