基于CDIO教学理念和虚拟仿真技术的“液压与气压传动”课程教学创新

【摘""要】文章针对传统“液压与气压传动”课程教学中存在的问题，提出了基于CDIO教学理念和虚拟仿真技术的课程改革措施。通过引入实践导向的教学模式和虚拟仿真技术，明确教育目标，重塑课程内容，采用多元化的教学方法与实施方案；同时，强化学业评估和教学评价机制，确保学生能在理论学习与实践应用中获得均衡发展。通过教学改革措施，期望能为液压与气压传动技术领域的教学提供新的思路和方法。【关键词】“液压与气压传动”课程；CDIO教学理念；虚拟仿真一、引言液压与气压传动是机械工程领域的基础技术之一，涉及流体力学、机械设计、控制工程等多个领域的知识。液压与气压传动技术因其传递运动平稳、操作控制方便、标准化程度高等优点，被广泛应用于挖掘机、起重机、注塑机、机床等机械设备中[1]。学生通过本课程的学习和实践，能更好地理解液压机械设备的工作原理和设计要点，培养创新思维和解决问题的能力，为未来的工作和研究奠定基础[2]。近年来，液压与气压传动技术正向智能化和高度集成化等方向发展，新技术不断涌现，对学生综合专业技能和创新能力发展提出了新的挑战。然而，传统的“液压与气压传动”课程教学方式主要依赖于多媒体演示和学生解题，对学生深入理解工科专业知识存在一定的不利因素[3-4]。CDIO教学理念强调工程师的综合素养与创新能力，包括Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实施）和Operate（运行），旨在打破传统工科教育理论重于实践的教学模式，注重理论与实践相结合[5-6]。基于FluidSIM软件的虚拟仿真技术提供了安全高效的设计平台[7]，不仅可以使学生在虚拟环境中进行工程实践，培养解决实际问题的能力，同时，其也符合CDIO教学理念中的“学以致用”和“实践能力培养”的要求。二、传统“液压与气压传动”课程教学中存在的问题教师在教学过程中发现，传统的“液压与气压传动”课程教学存在以下几方面问题，制约了学生对知识体系的构建和实际操作能力的提高[8]。（一）抽象理论与实际应用脱节传统教学偏重理论知识的讲解，缺乏与实际应用的结合，导致学生难以将知识运用到实际工程问题中。例如，学生虽然熟知了各种液压元件的工作原理和公式，但当需要设计一个实际的液压系统时，却无法准确地将所学理论应用到实践中。（二）学生缺乏实际操作机会因学校实验室设备有限，学生难以获得足够的实际操作机会，只能在课堂上观看教师的演示，或在实验平台上按照步骤进行固化操作，无法真正设计和组装液压系统。（三）学生难以在故障排除中获得成长传统教学很少涉及实际故障的排除操作，而故障排除却是工程设计中非常重要的一环。学生缺乏相关经验，就难以应对实际工程中的故障问题。此外，纸面设计难以直观地体现系统故障，且实验平台的故障率也很低，导致学生无法体会到故障诊断和修复的过程。因此，需要对传统教学模式进行改进，注重理论与实践的结合，使学生在有限的资源条件下获得丰富的实践经验，以有效提升学生解决复杂工程问题的能力。三、基于CDIO教学理念和虚拟仿真技术的“液压与气压传动”课程改革要点以CDIO教学理念为基础，首先从整体上构思“液压与气压传动”课程目标，其次全面设计教学内容，并基于CDIO模式实施教学，最后对课程的运行进行评价总结（图1），具体改革要点如下。（一）明确教学目标明确培养学生的综合能力、创新意识和实践操作能力等教学目标，并与行业需求和学生未来发展需求相结合，强调学生的综合能力培养。建立科学的教学评价体系，定期对学生的学习成果和实践能力进行评估，以及时调整和优化教学方法。确保学生在课程学习中能够全面发展，培养符合行业需求的综合型人才。（二）课程内容与实践项目相结合教师重点将课程内容与实际工程案例相结合。通过虚拟仿真技术提供具体的实践操作场景，学生能够在虚拟环境中模拟实际工程场景进行设计、分析和解决问题的实践操作，有助于学生将理论知识应用到实际工程问题解决中，培养学生解决实际问题的能力，并提升学生创新意识和实践操作能力。（三）教学方法多样化教师根据学习内容和学生特点采用灵活多样的教学方法，包括案例教学、小组讨论、虚拟仿真实验等，激发学生的学习兴趣和参与度，帮助学生更好地理解和掌握课程内容。四、“液压与气压传动”课程教学改革主要措施基于CDIO教学理念和虚拟仿真技术的“液压与气压传动”课程教学改革，在采用新技术优化课堂理论教学的同时，着重强调实践应用的重要性。以下从课程目标构思、课程内容设计、教学方案实施和考核评价运行4个方面阐述教学改革的主要措施。（一）课程目标的系统性构思在机械类专业人才培养中，“液压与气压传动”课程的定位是为学生提供液压与气压传动技术的基础理论和实践知识，以满足学生在机械工程领域的应用需求，使学生成为具备液压与气压传动系统设计、操作和维护能力的机械工程技术人才。课程的教学难点是将液压与气压传动技术应用于机械工程领域，如机床、起重设备、液压机械等，掌握解决实际工程问题的能力。针对“液压与气压传动”课程的支撑毕业要求指标点，教师需明确教学目标和改革方向，以满足学生专业培养、课程学习和未来就业的需要。通过将具体的工程问题（如设计一个高效的液压压力机）转化为实践任务，教师能明确教学目标，指导学生探索解决方案。改革方向旨在通过CDIO教学理念的引导，利用虚拟仿真技术（FluidSIM软件），使学生能够在仿真平台上体验不同液压元件的作用和模拟不同液压系统的工作，从而深入理解液压和气压系统的工作原理。这样的实践环节不仅提高了学生的技术应用能力，还激发了学生对工程问题的创新思考，培养了学生的实践能力、创新意识和工程素养。进一步说，课程目标应结合行业发展的需求和趋势，如最新的液压技术在智能制造中的应用，以培养学生面对未来工程挑战的适应能力和持续学习能力。（二）课程内容的重构设计传统的“液压与气压传动”课程往往过于注重理论知识的传授，缺乏与实际工程应用的结合。因此，教师应对课程内容进行重构设计，重点突出实践应用和工程案例的重要性。教师将液压相关知识分为课程基础引入、液压基本元件、基本回路的应用和液压系统设计4个模块，通过工程液压系统对不同模块进行讲解，学生将理论知识与实际工程联系在一起。同时，在不同模块中引入虚拟仿真软件FluidSIM。一方面，辅助教师的课程教学，使学生能够深入理解液压传动的原理和应用；另一方面，让学生掌握FluidSIM软件的应用，并为学生提供更具体、更直接的设计机会。通过工程案例解析和项目设计，学生体验设计的全过程，培养解决问题的能力和创新意识（图2）。不同的知识模块对应不同的毕业要求，这一课程设计不仅贴合工程专业的实际需求，更能多角度、全面地培养学生（图3）。从工程知识角度来看，“液压与气压传动”课程教学改革将帮助学生建立扎实的理论基础，理解传动系统的原理和应用。通过问题分析，学生提高了解决实际工程问题的能力，从而更好地适应未来工作中的挑战。而强调研究和使用现代化工具，则使学生在课程学习中不仅能够熟练掌握传统的液压与气压传动技术，还能够灵活运用虚拟仿真技术和其他现代化工具进行设计、分析和优化。这样的培养将使学生在毕业后更具竞争力，能够胜任复杂工程项目的设计和管理工作。（三）教学方案的实施计划1.教学实施思路教学方案的整体实施计划是教学改革的关键环节，需要一系列具体措施来支持这一过程。首先，教师应制定多元化的教学方法，如案例分析、理论知识学习、实验模拟、小组讨论等以满足不同学生的学习特点和学习需求，确保课堂教学的丰富性和趣味性。其次，教师要充分整合虚拟仿真技术与课堂教学，引导学生参与课堂设计和仿真设计，更深入地理解课程内容，并在解决实际工程问题中获得更多的经验和技能。尤其需要注意的是，在学生创作过程中，教师应鼓励学生勇于探索，允许学生犯错，并在学生设计及故障修正过程中给予及时的引导与反馈，协助学生理解错误所在，引导学生朝着正确的方向调整，使学生在故障排除中获得成长；也可设立故障排除的任务，让学生在模拟环境中识别并解决液压系统的潜在问题，以增进解决问题的能力。最后，教师应加强思想政治教育，引导学生树立正确的社会责任感和职业道德，让学生明白作为液压与气压传动专业人才的使命和责任。2.教学实施案例液压压力机在机械工程中扮演着重要角色，通过液压系统施加压力可以对各种材料进行加工。液压压力机能够确保零件成型的高精度和稳定性，被广泛用于金属、塑料和橡胶等材料的成型加工。图4展现了以四柱式液压压力机工程案例为核心的教学实施方案。课程从四柱式液压压力机的工程应用着手，借助三维模型深入剖析各式液压元件的功能，进而通过FluidSIM软件引导学生掌握液压系统的原理及控制电路的设计。学生将有机会模拟和设计液压系统的控制电路，从而深入理解液压技术的核心概念。学生还将被分成几个小组，每个小组承担一个设计任务，负责完整的项目过程，包括设计、模拟、实施和测试。这种实践性的学习方式有助于学生将理论知识与实际工程应用相结合，培养学生解决实际问题的能力和团队合作精神。在课程结束后，教师将根据学生的表现和项目成果及时调整下次课程的教学方案，以确保教学目标的达成。这种基于具体案例的教学为学生提供了更贴近实际的学习体验，为学生未来在液压工程领域的职业发展奠定坚实的基础。（四）学业考核和教学评价在“液压与气压传动”课程中，学业考核和教学评价是确保教学质量、学生学习效果和课程持续运行的重要环节，可促进课程持续优化和发展。学业考核主要通过考试、作业、项目实践等形式评估学生对液压知识的理解和掌握程度，并指导教师进行教学方法和内容的调整。“液压与气压传动”课程针对实践类考核进行创新，引入建模和仿真的考核方式，以更好地评估学生的实际应用能力和解决问题能力。在建模任务方面，要求学生根据所学液压知识，针对特定工程问题或场景进行系统建模。例如，设计一个液压系统模型，包括液压元件的选择、管路布置、控制回路等。在仿真任务方面，要求学生结合FluidSIM软件，对所提供真实的液压系统故障或性能不佳的案例进行仿真分析，运用所学知识和仿真工具分析并解决问题。学生需要识别问题根源、提出解决方案，并通过仿真软件验证方案的有效性。学生最后还需要撰写液压系统建模与仿真分析报告，详细说明建模过程、仿真结果，并提出改进建议（图5）。教学评价是通过课堂参与度、作业质量、实验报告、项目设计等对教学过程和教学效果进行全面评估，包括学生的学习动态、教学方法的有效性、课程内容的实用性等方面。同时，应注重学生的反馈意见和建议，设计一个综合的学生评教框架，包括学生满意度、参与度、创新能力和实践技能的提升，以便及时调整和改进教学方法。此外，引入同行评价和专家评估机制，邀请其他教师或教育专家对课程进行评价和反馈，通过专业的评估和意见建议，发现课程存在的问题和改进空间。五、结束语文章围绕“液压与气压传动”课程的改革需求进行探讨，说明