基于CDIO教學(xué)理念和虛擬仿真技術(shù)的“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)創(chuàng)新

【摘""要】文章針對(duì)傳統(tǒng)“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了基于CDIO教學(xué)理念和虛擬仿真技術(shù)的課程改革措施。通過(guò)引入實(shí)踐導(dǎo)向的教學(xué)模式和虛擬仿真技術(shù)，明確教育目標(biāo)，重塑課程內(nèi)容，采用多元化的教學(xué)方法與實(shí)施方案；同時(shí)，強(qiáng)化學(xué)業(yè)評(píng)估和教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制，確保學(xué)生能在理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用中獲得均衡發(fā)展。通過(guò)教學(xué)改革措施，期望能為液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域的教學(xué)提供新的思路和方法?！娟P(guān)鍵詞】“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程；CDIO教學(xué)理念；虛擬仿真一、引言液壓與氣壓傳動(dòng)是機(jī)械工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)之一，涉及流體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制工程等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)。液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)因其傳遞運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、操作控制方便、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于挖掘機(jī)、起重機(jī)、注塑機(jī)、機(jī)床等機(jī)械設(shè)備中[1]。學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，能更好地理解液壓機(jī)械設(shè)備的工作原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問(wèn)題的能力，為未來(lái)的工作和研究奠定基礎(chǔ)[2]。近年來(lái)，液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)正向智能化和高度集成化等方向發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，對(duì)學(xué)生綜合專業(yè)技能和創(chuàng)新能力發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。然而，傳統(tǒng)的“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)方式主要依賴于多媒體演示和學(xué)生解題，對(duì)學(xué)生深入理解工科專業(yè)知識(shí)存在一定的不利因素[3-4]。CDIO教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)工程師的綜合素養(yǎng)與創(chuàng)新能力，包括Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計(jì)）、Implement（實(shí)施）和Operate（運(yùn)行），旨在打破傳統(tǒng)工科教育理論重于實(shí)踐的教學(xué)模式，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合[5-6]?；贔luidSIM軟件的虛擬仿真技術(shù)提供了安全高效的設(shè)計(jì)平臺(tái)[7]，不僅可以使學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行工程實(shí)踐，培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)，其也符合CDIO教學(xué)理念中的“學(xué)以致用”和“實(shí)踐能力培養(yǎng)”的要求。二、傳統(tǒng)“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)中存在的問(wèn)題教師在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)存在以下幾方面問(wèn)題，制約了學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的構(gòu)建和實(shí)際操作能力的提高[8]。（一）抽象理論與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)傳統(tǒng)教學(xué)偏重理論知識(shí)的講解，缺乏與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，導(dǎo)致學(xué)生難以將知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際工程問(wèn)題中。例如，學(xué)生雖然熟知了各種液壓元件的工作原理和公式，但當(dāng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的液壓系統(tǒng)時(shí)，卻無(wú)法準(zhǔn)確地將所學(xué)理論應(yīng)用到實(shí)踐中。（二）學(xué)生缺乏實(shí)際操作機(jī)會(huì)因?qū)W校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限，學(xué)生難以獲得足夠的實(shí)際操作機(jī)會(huì)，只能在課堂上觀看教師的演示，或在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上按照步驟進(jìn)行固化操作，無(wú)法真正設(shè)計(jì)和組裝液壓系統(tǒng)。（三）學(xué)生難以在故障排除中獲得成長(zhǎng)傳統(tǒng)教學(xué)很少涉及實(shí)際故障的排除操作，而故障排除卻是工程設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)。學(xué)生缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，就難以應(yīng)對(duì)實(shí)際工程中的故障問(wèn)題。此外，紙面設(shè)計(jì)難以直觀地體現(xiàn)系統(tǒng)故障，且實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的故障率也很低，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法體會(huì)到故障診斷和修復(fù)的過(guò)程。因此，需要對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，使學(xué)生在有限的資源條件下獲得豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以有效提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。三、基于CDIO教學(xué)理念和虛擬仿真技術(shù)的“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程改革要點(diǎn)以CDIO教學(xué)理念為基礎(chǔ)，首先從整體上構(gòu)思“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程目標(biāo)，其次全面設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，并基于CDIO模式實(shí)施教學(xué)，最后對(duì)課程的運(yùn)行進(jìn)行評(píng)價(jià)總結(jié)（圖1），具體改革要點(diǎn)如下。（一）明確教學(xué)目標(biāo)明確培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐操作能力等教學(xué)目標(biāo)，并與行業(yè)需求和學(xué)生未來(lái)發(fā)展需求相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)。建立科學(xué)的教學(xué)評(píng)價(jià)體系，定期對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和實(shí)踐能力進(jìn)行評(píng)估，以及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)方法。確保學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中能夠全面發(fā)展，培養(yǎng)符合行業(yè)需求的綜合型人才。（二）課程內(nèi)容與實(shí)踐項(xiàng)目相結(jié)合教師重點(diǎn)將課程內(nèi)容與實(shí)際工程案例相結(jié)合。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)提供具體的實(shí)踐操作場(chǎng)景，學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中模擬實(shí)際工程場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和解決問(wèn)題的實(shí)踐操作，有助于學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工程問(wèn)題解決中，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，并提升學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐操作能力。（三）教學(xué)方法多樣化教師根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)生特點(diǎn)采用靈活多樣的教學(xué)方法，包括案例教學(xué)、小組討論、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，幫助學(xué)生更好地理解和掌握課程內(nèi)容。四、“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)改革主要措施基于CDIO教學(xué)理念和虛擬仿真技術(shù)的“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)改革，在采用新技術(shù)優(yōu)化課堂理論教學(xué)的同時(shí)，著重強(qiáng)調(diào)實(shí)踐應(yīng)用的重要性。以下從課程目標(biāo)構(gòu)思、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)方案實(shí)施和考核評(píng)價(jià)運(yùn)行4個(gè)方面闡述教學(xué)改革的主要措施。（一）課程目標(biāo)的系統(tǒng)性構(gòu)思在機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)中，“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程的定位是為學(xué)生提供液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐知識(shí)，以滿足學(xué)生在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用需求，使學(xué)生成為具備液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操作和維護(hù)能力的機(jī)械工程技術(shù)人才。課程的教學(xué)難點(diǎn)是將液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械工程領(lǐng)域，如機(jī)床、起重設(shè)備、液壓機(jī)械等，掌握解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。針對(duì)“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程的支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，教師需明確教學(xué)目標(biāo)和改革方向，以滿足學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)、課程學(xué)習(xí)和未來(lái)就業(yè)的需要。通過(guò)將具體的工程問(wèn)題（如設(shè)計(jì)一個(gè)高效的液壓壓力機(jī)）轉(zhuǎn)化為實(shí)踐任務(wù)，教師能明確教學(xué)目標(biāo)，指導(dǎo)學(xué)生探索解決方案。改革方向旨在通過(guò)CDIO教學(xué)理念的引導(dǎo)，利用虛擬仿真技術(shù)（FluidSIM軟件），使學(xué)生能夠在仿真平臺(tái)上體驗(yàn)不同液壓元件的作用和模擬不同液壓系統(tǒng)的工作，從而深入理解液壓和氣壓系統(tǒng)的工作原理。這樣的實(shí)踐環(huán)節(jié)不僅提高了學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力，還激發(fā)了學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的創(chuàng)新思考，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和工程素養(yǎng)。進(jìn)一步說(shuō)，課程目標(biāo)應(yīng)結(jié)合行業(yè)發(fā)展的需求和趨勢(shì)，如最新的液壓技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用，以培養(yǎng)學(xué)生面對(duì)未來(lái)工程挑戰(zhàn)的適應(yīng)能力和持續(xù)學(xué)習(xí)能力。（二）課程內(nèi)容的重構(gòu)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程往往過(guò)于注重理論知識(shí)的傳授，缺乏與實(shí)際工程應(yīng)用的結(jié)合。因此，教師應(yīng)對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)突出實(shí)踐應(yīng)用和工程案例的重要性。教師將液壓相關(guān)知識(shí)分為課程基礎(chǔ)引入、液壓基本元件、基本回路的應(yīng)用和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)4個(gè)模塊，通過(guò)工程液壓系統(tǒng)對(duì)不同模塊進(jìn)行講解，學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際工程聯(lián)系在一起。同時(shí)，在不同模塊中引入虛擬仿真軟件FluidSIM。一方面，輔助教師的課程教學(xué)，使學(xué)生能夠深入理解液壓傳動(dòng)的原理和應(yīng)用；另一方面，讓學(xué)生掌握FluidSIM軟件的應(yīng)用，并為學(xué)生提供更具體、更直接的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)。通過(guò)工程案例解析和項(xiàng)目設(shè)計(jì)，學(xué)生體驗(yàn)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，培養(yǎng)解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新意識(shí)（圖2）。不同的知識(shí)模塊對(duì)應(yīng)不同的畢業(yè)要求，這一課程設(shè)計(jì)不僅貼合工程專業(yè)的實(shí)際需求，更能多角度、全面地培養(yǎng)學(xué)生（圖3）。從工程知識(shí)角度來(lái)看，“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)改革將幫助學(xué)生建立扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，理解傳動(dòng)系統(tǒng)的原理和應(yīng)用。通過(guò)問(wèn)題分析，學(xué)生提高了解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，從而更好地適應(yīng)未來(lái)工作中的挑戰(zhàn)。而強(qiáng)調(diào)研究和使用現(xiàn)代化工具，則使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中不僅能夠熟練掌握傳統(tǒng)的液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)，還能夠靈活運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)和其他現(xiàn)代化工具進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。這樣的培養(yǎng)將使學(xué)生在畢業(yè)后更具競(jìng)爭(zhēng)力，能夠勝任復(fù)雜工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和管理工作。（三）教學(xué)方案的實(shí)施計(jì)劃1.教學(xué)實(shí)施思路教學(xué)方案的整體實(shí)施計(jì)劃是教學(xué)改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要一系列具體措施來(lái)支持這一過(guò)程。首先，教師應(yīng)制定多元化的教學(xué)方法，如案例分析、理論知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、小組討論等以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和學(xué)習(xí)需求，確保課堂教學(xué)的豐富性和趣味性。其次，教師要充分整合虛擬仿真技術(shù)與課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生參與課堂設(shè)計(jì)和仿真設(shè)計(jì)，更深入地理解課程內(nèi)容，并在解決實(shí)際工程問(wèn)題中獲得更多的經(jīng)驗(yàn)和技能。尤其需要注意的是，在學(xué)生創(chuàng)作過(guò)程中，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生勇于探索，允許學(xué)生犯錯(cuò)，并在學(xué)生設(shè)計(jì)及故障修正過(guò)程中給予及時(shí)的引導(dǎo)與反饋，協(xié)助學(xué)生理解錯(cuò)誤所在，引導(dǎo)學(xué)生朝著正確的方向調(diào)整，使學(xué)生在故障排除中獲得成長(zhǎng)；也可設(shè)立故障排除的任務(wù)，讓學(xué)生在模擬環(huán)境中識(shí)別并解決液壓系統(tǒng)的潛在問(wèn)題，以增進(jìn)解決問(wèn)題的能力。最后，教師應(yīng)加強(qiáng)思想政治教育，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的社會(huì)責(zé)任感和職業(yè)道德，讓學(xué)生明白作為液壓與氣壓傳動(dòng)專業(yè)人才的使命和責(zé)任。2.教學(xué)實(shí)施案例液壓壓力機(jī)在機(jī)械工程中扮演著重要角色，通過(guò)液壓系統(tǒng)施加壓力可以對(duì)各種材料進(jìn)行加工。液壓壓力機(jī)能夠確保零件成型的高精度和穩(wěn)定性，被廣泛用于金屬、塑料和橡膠等材料的成型加工。圖4展現(xiàn)了以四柱式液壓壓力機(jī)工程案例為核心的教學(xué)實(shí)施方案。課程從四柱式液壓壓力機(jī)的工程應(yīng)用著手，借助三維模型深入剖析各式液壓元件的功能，進(jìn)而通過(guò)FluidSIM軟件引導(dǎo)學(xué)生掌握液壓系統(tǒng)的原理及控制電路的設(shè)計(jì)。學(xué)生將有機(jī)會(huì)模擬和設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的控制電路，從而深入理解液壓技術(shù)的核心概念。學(xué)生還將被分成幾個(gè)小組，每個(gè)小組承擔(dān)一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，負(fù)責(zé)完整的項(xiàng)目過(guò)程，包括設(shè)計(jì)、模擬、實(shí)施和測(cè)試。這種實(shí)踐性的學(xué)習(xí)方式有助于學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。在課程結(jié)束后，教師將根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和項(xiàng)目成果及時(shí)調(diào)整下次課程的教學(xué)方案，以確保教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。這種基于具體案例的教學(xué)為學(xué)生提供了更貼近實(shí)際的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，為學(xué)生未來(lái)在液壓工程領(lǐng)域的職業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（四）學(xué)業(yè)考核和教學(xué)評(píng)價(jià)在“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程中，學(xué)業(yè)考核和教學(xué)評(píng)價(jià)是確保教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生學(xué)習(xí)效果和課程持續(xù)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，可促進(jìn)課程持續(xù)優(yōu)化和發(fā)展。學(xué)業(yè)考核主要通過(guò)考試、作業(yè)、項(xiàng)目實(shí)踐等形式評(píng)估學(xué)生對(duì)液壓知識(shí)的理解和掌握程度，并指導(dǎo)教師進(jìn)行教學(xué)方法和內(nèi)容的調(diào)整。“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程針對(duì)實(shí)踐類考核進(jìn)行創(chuàng)新，引入建模和仿真的考核方式，以更好地評(píng)估學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力和解決問(wèn)題能力。在建模任務(wù)方面，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)液壓知識(shí)，針對(duì)特定工程問(wèn)題或場(chǎng)景進(jìn)行系統(tǒng)建模。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)液壓系統(tǒng)模型，包括液壓元件的選擇、管路布置、控制回路等。在仿真任務(wù)方面，要求學(xué)生結(jié)合FluidSIM軟件，對(duì)所提供真實(shí)的液壓系統(tǒng)故障或性能不佳的案例進(jìn)行仿真分析，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和仿真工具分析并解決問(wèn)題。學(xué)生需要識(shí)別問(wèn)題根源、提出解決方案，并通過(guò)仿真軟件驗(yàn)證方案的有效性。學(xué)生最后還需要撰寫液壓系統(tǒng)建模與仿真分析報(bào)告，詳細(xì)說(shuō)明建模過(guò)程、仿真結(jié)果，并提出改進(jìn)建議（圖5）。教學(xué)評(píng)價(jià)是通過(guò)課堂參與度、作業(yè)質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、項(xiàng)目設(shè)計(jì)等對(duì)教學(xué)過(guò)程和教學(xué)效果進(jìn)行全面評(píng)估，包括學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)、教學(xué)方法的有效性、課程內(nèi)容的實(shí)用性等方面。同時(shí)，應(yīng)注重學(xué)生的反饋意見和建議，設(shè)計(jì)一個(gè)綜合的學(xué)生評(píng)教框架，包括學(xué)生滿意度、參與度、創(chuàng)新能力和實(shí)踐技能的提升，以便及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)方法。此外，引入同行評(píng)價(jià)和專家評(píng)估機(jī)制，邀請(qǐng)其他教師或教育專家對(duì)課程進(jìn)行評(píng)價(jià)和反饋，通過(guò)專業(yè)的評(píng)估和意見建議，發(fā)現(xiàn)課程存在的問(wèn)題和改進(jìn)空間。五、結(jié)束語(yǔ)文章圍繞“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程的改革需求進(jìn)行探討，說(shuō)明