基于项目案例引导的液压传动课程教学设计

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　　[摘 要] 针对《液压传动及控制技术》课程讲授中，学生缺乏对实际问题的理解，提出基于项目案例的教学方法。将课程内容重新整合为8个综合项目与20个典型案例，通过教学设计，引导学生从项目案例的实际问题入手，激发对知识点的兴趣，提升学生分析问题和解决问题的能力。
　　[关键词] 液压传动;案例;教学设计;伯努利方程
　　[基金项目] 2019年西安工程大学教学改革项目“以新工科理念构建‘机械工程专业’创新型人才培养模式的研究与实践”（19XGKY02）;2018年西安工程大学学位与研究生教育教学改革项目“基于互联网信息技术的机械工程一级学科课程教学模式改革（18yjgz1）
　　[作者简介] 金守峰（1979—），男（满族），辽宁北镇人，西安工程大学机电工程学院机械工程系副教授，研究方向为机器人视觉控制;刘 霞（1979—），女，河南西华人，西安工程大学机电工程学院机械工程系讲师，研究方向为机构设计与运动;曹亚斌（1976—），女，陕西西安人，西安工程大学机电工程学院包装工程系讲师，研究方向为车辆设计研究。
　　[中图分类号] G642.3    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）39-0187-02    [收稿日期] 2020-03-06
　　 一、引言
　　液压传动技术由于独特的优势，不仅作为机械领域的基本技术，也是控制领域的基本组成要素，因此在制造业、农业、汽车工业、航空航天航海及国防等领域广泛应用[1-3]。随着科学技术的快速发展，新材料、新工艺、先进的控制算法等都促进了液压传动技术的进步，在国民经济中的比重也越来越大[4]。在《中国制造2025》和“制造业强国战略”的引领下，作为机械类专业核心课程的《液压传动及控制技术》将引导机械类专业本科生树立科技兴国的爱国主义情怀与正确的人生观，培养机械类本科生的“工匠”精神[5]。通过对液压技术难点的分析和解决，使学生能够运用全面的、关联的、发展的观点发现问题，解决液压系统中的复杂工程问题。《液压传动及控制技术》课程面向机械类本科生讲授液压传动的基本原理与传动技术，开设在第5学期，学生已经具备了工程制图、机械原理等机械类专业的基本知识，但是在《液压传动及控制技术》课程讲授过程中还存在如下问题：对液压泵等元件的空间结构不理解、缺乏对实际问题分析与解决能力、对执行元件运动控制回路缺乏理解等。针对这些問题，本课程通过项目式教学，在课堂教学中引入实施液压实际项目来营造工况氛围、激发对知识点的兴趣、分层兼顾来提高学生的学习效果。
　　二、教学内容设计
　　1.课程主要内容。《液压传动及控制技术》课程面向机械类本科生，理论课程主要讲授液压系统中泵、缸、阀等典型元件的结构特点、性能及国家标准规定的图形符号。再此基础上通过典型回路和应用，系统地分析回路特性、油路的走向及应用效果。课程实验环节通过直接接触液压油了解介质对环境的影响，使学生建立环境保护与可持续发展的意识，通过费斯托试验台搭建回路使学生具有液压传动系统设计、回路参数的计算、系统调试与结果分析的能力，通过实验强化学生理论联系实际及实践动手能力。
　　2.《液压传动及控制技术》的教学设计。《液压传动及控制技术》课程教学团队利用引导文、项目教学等多种方式，从教学设计、教学内容、教学实施、教材建设等方面着手进行改革，通过具体工作情境的学习，形成学生的综合能力[6]。解决目前学生“学”与“用”脱节，“知识”与“能力”不匹配的问题。本文以《液压传动及控制技术》课程中伯努利方程内容进行项目式教学设计。
　　①伯努利方程的教学内容。伯努利方程作为流体动力学中的重要方程，其表达的含义为自然界中的能量守恒在流体中的应用，在课堂讲授的内容包括：流场中方程的推导过程、方程的几何意义、典型应用。其中重点内容为如何在流场中推导出理想液体和实际液体的伯努利方程，并说明压力能、动能和势能的物理意义;教学难点为在实际问题中如何应用伯努利方程计算。
　　②设计要点—案例引导。通过典型案例导入问题，创建问题情境，使学生产生好奇心，激发学习兴趣。案例1。火车站的站台上均画有安全线标志，为什么？当列车通过时，你感觉如何？案例2。游泳时，有游船经过身边的过程中，你感觉如何？
　　③设计要点—问题升华。在案例的基础上，让学生讨论在日常生活中的感受，说明其现象，从现象中探究能量的变化，提出伯努利方程。进一步简化问题，在没有粘性且不可压缩的理想液体的流场中，取一段做恒定流动的控制体，将其作为研究对象，依据能量守恒的视角来进行分析、推导，从而得到理想液体的伯努利方程表达式，说明压力能、动能、势能三者的关系[7，8]。在现实问题中液体不是理想的，就会产生能量损耗问题，在理想伯努利方程的基础上，进一步依据能量守恒来分析、推导实际液体的伯努利方程表达式。按照这样的思路引导学生分析、归纳，从而达到主观感觉到理性认知的升华。
　　④设计要点—实例应用。按“实际问题—建立模型—分析模型—解决问题”的思维方式，通过两个案例提出问题，建立伯努利方程表达式，分析其意义，解决案例问题。按此思路来注重学生能力和思维方式的培养。在案例中火车或轮船在运动过程中，围绕运动体周围的空气和水也会随之运动，其运动规律为距离运动体越近，流体的运动速度越快;相反则越慢。流体运动速度越快则动能越大，势能可以忽略，由伯努利方程可知，动能越大则压力能越小，因此在人靠近运动体一侧的压力小，产生的压差会将人“吸”向运动体一侧。出于安全考虑，人与运动体之间要有一定的距离。再次基础上可以做一做吹乒乓球和喷雾器原理的小实验，并分析、讨论起原因，如何分析等。
　　⑤设计要点—课后作业与总结。伯努利方程的应用非常广泛，为了进一步巩固伯努利方程的内容，通过容积式液压泵吸油口处的真空度的计算来进行深入分析，并得到液压泵的最大允许安装高度，分析伯努利方程在液压传动中的应用[9，10 ]。课后复习回顾本节内容，掌握有关概念，并预习接下来的动量方程。进一步激发学生的求知欲，将其望转为学习动力。
　　三、课程效果与总结
　　《液压传动及控制技术》课程采用项目式教学，同时综合运用多种信息化教学手段，提升学生学习主动性与兴趣，学生评教结果良好。课程考核由平时考核环节（30%）和期末考核环节（70%）两部分综合评价，其中平时考核环节由作业、随堂测试、实验等构成;期末考核环节采取试卷考核形式，近3年该课程评价考核结果良好。学生在获取该课程知识后参加各种学科竞赛累计获国家级奖项50余项。该课程的教学团队出版教材5部，主持教学改革项目6项，获教学成果奖2项。
　　参考文献
　　[1]赵雷，杨奕，张利国，等.基于混合式教学的“液压与气压传动”在线开放课程设计[J].实验技术与管理，2018（5）：159-162.
　　[2]张智明，张娟楠，朱晖，等.高等学校汽车流体力学与液压传动技术课程建设探索[J].教育教学论坛，2019（40）：135-136.
　　[3]王素秋.组合机床动力滑台液压传动系统的理实教学[J].教育教学论坛，2019（29）：219-220.
　　[4]刘锋，黄长征，罗昕，等.面向新工科的液压与气压传动实验教学改革探索[J].中国教育技术装备，2019（12）：122-123，131.
　　[5]沈伟，麦云飞，钱炜，等.基于工程教育认证的液压传动课程教学改革研究[J].液压与气动，2017（8）：73-78.
　　[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（11）：182-185.
　　[7]王奕镔，郭文勇，韩江桂.基于以太网的液压教学考核系统的设计[J].机床与液压，2016（8）：69-71，74.
　　[8]盖克荣，程聪.基于信息化教学的课程考核方法改革实践[J].职业技术教育，2015（17）：62-65.
　　[9]孙月华，徐鹏，刘春生，刘元林.液压与气压传动实验教学的改革与实践[J].实验技术与管理，2016（10）：123-126.
　　[10]王珊，宋芳.面向现代工程教育的“液压传动”课程教学改革[J].教育与职业，2014（21）：130-131.
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