袁加奇，范駿，陳為，酈銀花

（江蘇開放大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210036）

隨著機電液一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)在國民經(jīng)濟的各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，特別是在高新技術(shù)裝備中尤為突出，成為國家工業(yè)水平的重要評價標(biāo)準(zhǔn)之一[1-2]。液壓與氣壓傳動技術(shù)是聯(lián)結(jié)機械控制與動力傳遞的重要紐帶，掌握好液壓與氣壓傳動理論知識、實踐操作及相關(guān)控制技術(shù)是高校機械類專業(yè)學(xué)生必須具備的專業(yè)技能[3]。為了讓學(xué)生更好地掌握本門課程的內(nèi)容，提高學(xué)生的操作實踐技能，教育教學(xué)工作者通過探索與實踐對該課程的實踐教學(xué)提出了許多行之有效的建議，如通過利用項目式教學(xué)、信息化手段、虛擬仿真軟件、AR 技術(shù)等[4-7]。本文以上海數(shù)林軟件有限公司開發(fā)的“液壓與氣壓傳動”虛擬實訓(xùn)平臺為例，對“液壓與氣壓傳動”課程教學(xué)中的線上線下、虛實結(jié)合的多元化教學(xué)模型進行了設(shè)計與實踐。

1 “液壓與氣壓傳動”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“液壓與氣壓傳動”課程是一門實踐性較強的課程，而在實際教學(xué)中，教師往往注重于前面液壓與氣壓元器件的基本部分內(nèi)容講解，因為這些基礎(chǔ)內(nèi)容是后續(xù)學(xué)習(xí)液壓和氣壓回路以及開展實驗實訓(xùn)、課程設(shè)計的基礎(chǔ)。但由于課程的教學(xué)課時有限，而“液壓與氣壓傳動”課程的知識體系封閉，難以與其他相關(guān)課程相結(jié)合，存在理論與實踐脫節(jié)的問題。高校因經(jīng)費、場地等原因，普遍無法購置足夠數(shù)量的液壓與氣壓傳動試驗設(shè)備，在課堂中讓每位學(xué)生實際獨立安裝和調(diào)試設(shè)備的時間很少，因此實踐教學(xué)往往效果不佳?？紤]到液壓試驗拆裝維護不便以及安全性等問題，而“液壓與氣壓傳動”又與“機械傳動”“電氣控制”“PLC”“檢測技術(shù)”等多門專業(yè)課程聯(lián)系密切，難以開展創(chuàng)新性試驗，限制了學(xué)生自主能動性的發(fā)揮。學(xué)生如果對液壓與氣壓實驗裝置操作不熟練，無法正常完成實驗項目，且與實際工作相脫節(jié)，就無法激發(fā)學(xué)生對本門課程的學(xué)習(xí)興趣，不利于正常實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的開展。因此，能夠在有限的課堂教學(xué)內(nèi)，充分利用學(xué)生的業(yè)余時間，讓學(xué)生能夠充分地學(xué)習(xí)好液壓與氣壓傳動技術(shù)及其實際應(yīng)用的內(nèi)容顯得十分重要。

2 “線上線下、虛實結(jié)合”教學(xué)模式的設(shè)計

在“液壓與氣壓傳動”課程教學(xué)中引入管理學(xué)通用模型PDCA 循環(huán)。將課程的教學(xué)過程分為4 個過程：教學(xué)準(zhǔn)備（P）、教學(xué)實施（D）、教學(xué)檢查（C）和教學(xué)反思（A），如圖1 所示。在教學(xué)準(zhǔn)備階段，教師設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，將課程內(nèi)容碎片化，并將相應(yīng)的教學(xué)視頻、PPT、講義、動畫等內(nèi)容上傳至超星學(xué)習(xí)通平臺。同時在平臺上發(fā)布主題討論、在線測試、作業(yè)任務(wù)等內(nèi)容。教學(xué)實施過程是教學(xué)的主要階段，分為課前、課中、課后3 個環(huán)節(jié)。課前教師通過平臺或QQ 發(fā)布實訓(xùn)任務(wù)，學(xué)生通過虛擬實訓(xùn)平臺進行虛擬實訓(xùn)練習(xí)；課中，教師組織學(xué)生在課堂中完成線下實訓(xùn)任務(wù)；課后利用業(yè)余時間通過QQ 或騰訊會議進行答疑和檢查。教學(xué)檢查是對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進行檢查和反饋，以過程為導(dǎo)向，鼓勵學(xué)生積極參與課程學(xué)習(xí)。教學(xué)反思是對教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題進行及時調(diào)整，對薄弱的環(huán)節(jié)重點設(shè)計，進一步優(yōu)化實踐教學(xué)過程。教學(xué)反思后又重新進入教學(xué)準(zhǔn)備階段，形成PDCA 循環(huán)。

圖1 PDCA 實踐教學(xué)模式的設(shè)計

3 “線上線下、虛實結(jié)合”實踐教學(xué)模式的實現(xiàn)

3.1 線上線下混合式教學(xué)

依托超星學(xué)習(xí)通平臺，將課程內(nèi)容設(shè)計整理，碎片化后制作成相應(yīng)的視頻、PPT 及文檔，并上傳至超星學(xué)習(xí)通平臺，如圖2 所示。制作教學(xué)視頻40 個，總時長超600 min。學(xué)生的學(xué)習(xí)活動均占相應(yīng)的權(quán)重，包括簽到、觀看視頻文檔、主題討論、課堂互動、作業(yè)、測試等。

圖2 線上教學(xué)資源

3.2 虛實結(jié)合的實踐教學(xué)

為充分利用學(xué)生業(yè)余時間學(xué)習(xí)，增加學(xué)生平時參與實訓(xùn)的時間，滿足學(xué)生隨時學(xué)隨地學(xué)的需要，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并提高線下教學(xué)的效率，實現(xiàn)從虛到實，再從實到虛的銜接，江蘇開放大學(xué)與上海數(shù)林軟件有限公司合作開發(fā)了“液壓與氣壓傳動”虛擬仿真實訓(xùn)平臺，如圖3 所示。根據(jù)“液壓與氣壓傳動”課程的教學(xué)目標(biāo)，并結(jié)合實際液壓與氣壓傳動試驗臺，課程共設(shè)計36 個實驗項目，其中液壓傳動部分24 個實驗項目，氣壓傳動部分12 個實驗項目，包含液壓與氣壓傳動的基本回路、典型回路、液壓與氣壓回路的設(shè)計以及相關(guān)電氣控制方面的知識。

圖3 “液壓與氣壓傳動”虛擬仿真實訓(xùn)平臺

下面以“實驗一：用換向閥的換向回路”為例，介紹一下虛擬實訓(xùn)的設(shè)計流程?？紤]到學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握情況不同，根據(jù)實驗的難易等級，把實驗主要分為3 個子實驗，分別是試運行、換向回路連接實驗和綜合設(shè)計實驗。每個子實驗包括實驗裝置、實驗報告以及相關(guān)知識3 個部分，具體如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 液壓傳動實驗裝置

圖5 實驗報告

圖6 相關(guān)知識介紹

在實驗1.1 試運行子實驗中，學(xué)生需要在實驗裝置上操作3 種液壓換向回路的試運行，觀察運行結(jié)果，分析和比較3 種液壓換向回路的特點，完成實驗報告并提交。試運行子實驗主要考察學(xué)生對液壓元件的外形結(jié)構(gòu)、工作原理和連接方式；考察學(xué)生對液壓基礎(chǔ)知識的掌握情況，鞏固所學(xué)的理論內(nèi)容。

在實驗1.2 用換向閥實現(xiàn)的換向回路安裝調(diào)試子實驗中，學(xué)生需要能夠讀懂各液壓元件的圖形符號、液壓回路的原理圖，并能夠分析換向回路的運行運力，根據(jù)原理，完成液壓回路的安裝、連接、檢測和運行，并完成相應(yīng)的實驗報告。實驗1.2 用換向閥實現(xiàn)的換向回路安裝調(diào)試子實驗主要考察學(xué)生對液壓控制回路的分析能力。

在實驗1.3 電磁換向閥實現(xiàn)的換向回路安裝調(diào)試子實驗中，學(xué)生需要選用電磁換向閥實現(xiàn)換向回路原理圖選用液壓元器件，并進行液壓回路及電氣回路的安裝與調(diào)試。實驗1.3 電磁換向閥實現(xiàn)的換向回路安裝調(diào)試子實驗主要考察學(xué)生對目標(biāo)任務(wù)的分析、理解和設(shè)計能力，并激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

為了加強學(xué)生對本門課程的學(xué)習(xí)，以及本門課程與其他課程聯(lián)系，還設(shè)計了拓展性及開放性的實驗項目，如可編程序控制（PLC）電氣控制實驗：機-電-液一體化控制實驗，自行設(shè)計、組裝和擴展各種典型回路實驗。虛擬仿真實訓(xùn)平臺與實際液壓與氣壓傳動實驗平臺相互結(jié)合，學(xué)生從在虛擬仿真平臺上熟悉回路工作原理，到線下實驗的操作驗證，再到虛擬仿真平臺上的鞏固練習(xí)，“虛—實—虛”的循環(huán)不僅解決了學(xué)生隨時隨地學(xué)的問題，同時還解決了硬件設(shè)備條件不足，還能結(jié)合實際案例不斷拓展創(chuàng)新。 液壓與氣壓實驗臺如圖7 所示。

圖7 液壓與氣壓實驗臺

4 總結(jié)與討論

在“液壓與氣壓傳動”課程中采用線上線下、虛實結(jié)合的多元化教學(xué)模式，并在教學(xué)過程引入PDCA循環(huán)，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體。依托超星學(xué)習(xí)通平臺實現(xiàn)線上線下混合式教學(xué)，虛擬仿真實訓(xùn)平臺與線下實驗臺相結(jié)合，實現(xiàn)“虛-實-虛”的良好循環(huán)。有效解決了課程學(xué)時不足、實訓(xùn)條件不夠、理論內(nèi)容枯燥等問題，同時還采用多元化的考核評價機制，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)形式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)的專業(yè)知識與課程銜接。本課程的教學(xué)模式在2018、2019 級工業(yè)機器人技術(shù)、機電一體化技術(shù)專業(yè)學(xué)生中廣泛推廣及持續(xù)改善，教學(xué)效果得到顯著提升。