線上線下、虛實(shí)結(jié)合的多元化實(shí)踐教學(xué)模式探索
——以“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程為例＊

袁加奇，范駿，陳為，酈銀花

（江蘇開(kāi)放大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210036）

隨著機(jī)電液一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guó)家工業(yè)水平的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一[1-2]。液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)是聯(lián)結(jié)機(jī)械控制與動(dòng)力傳遞的重要紐帶，掌握好液壓與氣壓傳動(dòng)理論知識(shí)、實(shí)踐操作及相關(guān)控制技術(shù)是高校機(jī)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(mén)課程的內(nèi)容，提高學(xué)生的操作實(shí)踐技能，教育教學(xué)工作者通過(guò)探索與實(shí)踐對(duì)該課程的實(shí)踐教學(xué)提出了許多行之有效的建議，如通過(guò)利用項(xiàng)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(kāi)發(fā)的“液壓與氣壓傳動(dòng)”虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為例，對(duì)“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)中的線上線下、虛實(shí)結(jié)合的多元化教學(xué)模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

1 “液壓與氣壓傳動(dòng)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程是一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，而在實(shí)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?yàn)檫@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(kāi)展實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。但由于課程的教學(xué)課時(shí)有限，而“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程的知識(shí)體系封閉，難以與其他相關(guān)課程相結(jié)合，存在理論與實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題。高校因經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地等原因，普遍無(wú)法購(gòu)置足夠數(shù)量的液壓與氣壓傳動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備，在課堂中讓每位學(xué)生實(shí)際獨(dú)立安裝和調(diào)試設(shè)備的時(shí)間很少，因此實(shí)踐教學(xué)往往效果不佳?？紤]到液壓試驗(yàn)拆裝維護(hù)不便以及安全性等問(wèn)題，而“液壓與氣壓傳動(dòng)”又與“機(jī)械傳動(dòng)”“電氣控制”“PLC”“檢測(cè)技術(shù)”等多門(mén)專業(yè)課程聯(lián)系密切，難以開(kāi)展創(chuàng)新性試驗(yàn)，限制了學(xué)生自主能動(dòng)性的發(fā)揮。學(xué)生如果對(duì)液壓與氣壓實(shí)驗(yàn)裝置操作不熟練，無(wú)法正常完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，且與實(shí)際工作相脫節(jié)，就無(wú)法激發(fā)學(xué)生對(duì)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)興趣，不利于正常實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的開(kāi)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(shí)間，讓學(xué)生能夠充分地學(xué)習(xí)好液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)及其實(shí)際應(yīng)用的內(nèi)容顯得十分重要。

2 “線上線下、虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

在“液壓與氣壓傳動(dòng)”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(guò)程分為4 個(gè)過(guò)程：教學(xué)準(zhǔn)備（P）、教學(xué)實(shí)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(jì)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(dòng)畫(huà)等內(nèi)容上傳至超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)。同時(shí)在平臺(tái)上發(fā)布主題討論、在線測(cè)試、作業(yè)任務(wù)等內(nèi)容。教學(xué)實(shí)施過(guò)程是教學(xué)的主要階段，分為課前、課中、課后3 個(gè)環(huán)節(jié)。課前教師通過(guò)平臺(tái)或QQ 發(fā)布實(shí)訓(xùn)任務(wù)，學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行虛擬實(shí)訓(xùn)練習(xí)；課中，教師組織學(xué)生在課堂中完成線下實(shí)訓(xùn)任務(wù)；課后利用業(yè)余時(shí)間通過(guò)QQ 或騰訊會(huì)議進(jìn)行答疑和檢查。教學(xué)檢查是對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行檢查和反饋，以過(guò)程為導(dǎo)向，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課程學(xué)習(xí)。教學(xué)反思是對(duì)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)重點(diǎn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)過(guò)程。教學(xué)反思后又重新進(jìn)入教學(xué)準(zhǔn)備階段，形成PDCA 循環(huán)。

圖1 PDCA 實(shí)踐教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

3 “線上線下、虛實(shí)結(jié)合”實(shí)踐教學(xué)模式的實(shí)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(tái)，將課程內(nèi)容設(shè)計(jì)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(tái)，如圖2 所示。制作教學(xué)視頻40 個(gè)，總時(shí)長(zhǎng)超600 min。學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)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(dòng)、作業(yè)、測(cè)試等。

圖2 線上教學(xué)資源

3.2 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)

為充分利用學(xué)生業(yè)余時(shí)間學(xué)習(xí)，增加學(xué)生平時(shí)參與實(shí)訓(xùn)的時(shí)間，滿足學(xué)生隨時(shí)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(shí)現(xiàn)從虛到實(shí)，再?gòu)膶?shí)到虛的銜接，江蘇開(kāi)放大學(xué)與上海數(shù)林軟件有限公司合作開(kāi)發(fā)了“液壓與氣壓傳動(dòng)”虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，如圖3 所示。根據(jù)“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程的教學(xué)目標(biāo)，并結(jié)合實(shí)際液壓與氣壓傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，課程共設(shè)計(jì)36 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中液壓傳動(dòng)部分24 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，氣壓傳動(dòng)部分12 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包含液壓與氣壓傳動(dòng)的基本回路、典型回路、液壓與氣壓回路的設(shè)計(jì)以及相關(guān)電氣控制方面的知識(shí)。

圖3 “液壓與氣壓傳動(dòng)”虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

下面以“實(shí)驗(yàn)一：用換向閥的換向回路”為例，介紹一下虛擬實(shí)訓(xùn)的設(shè)計(jì)流程?？紤]到學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握情況不同，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的難易等級(jí)，把實(shí)驗(yàn)主要分為3 個(gè)子實(shí)驗(yàn)，分別是試運(yùn)行、換向回路連接實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)子實(shí)驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及相關(guān)知識(shí)3 個(gè)部分，具體如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

圖6 相關(guān)知識(shí)介紹

在實(shí)驗(yàn)1.1 試運(yùn)行子實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要在實(shí)驗(yàn)裝置上操作3 種液壓換向回路的試運(yùn)行，觀察運(yùn)行結(jié)果，分析和比較3 種液壓換向回路的特點(diǎn)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交。試運(yùn)行子實(shí)驗(yàn)主要考察學(xué)生對(duì)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(duì)液壓基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況，鞏固所學(xué)的理論內(nèi)容。

在實(shí)驗(yàn)1.2 用換向閥實(shí)現(xiàn)的換向回路安裝調(diào)試子實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要能夠讀懂各液壓元件的圖形符號(hào)、液壓回路的原理圖，并能夠分析換向回路的運(yùn)行運(yùn)力，根據(jù)原理，完成液壓回路的安裝、連接、檢測(cè)和運(yùn)行，并完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)1.2 用換向閥實(shí)現(xiàn)的換向回路安裝調(diào)試子實(shí)驗(yàn)主要考察學(xué)生對(duì)液壓控制回路的分析能力。

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

為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)，以及本門(mén)課程與其他課程聯(lián)系，還設(shè)計(jì)了拓展性及開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如可編程序控制（PLC）電氣控制實(shí)驗(yàn)：機(jī)-電-液一體化控制實(shí)驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)、組裝和擴(kuò)展各種典型回路實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)與實(shí)際液壓與氣壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相互結(jié)合，學(xué)生從在虛擬仿真平臺(tái)上熟悉回路工作原理，到線下實(shí)驗(yàn)的操作驗(yàn)證，再到虛擬仿真平臺(tái)上的鞏固練習(xí)，“虛—實(shí)—虛”的循環(huán)不僅解決了學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)的問(wèn)題，同時(shí)還解決了硬件設(shè)備條件不足，還能結(jié)合實(shí)際案例不斷拓展創(chuàng)新。 液壓與氣壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖7 所示。

圖7 液壓與氣壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)

4 總結(jié)與討論

在“液壓與氣壓傳動(dòng)”課程中采用線上線下、虛實(shí)結(jié)合的多元化教學(xué)模式，并在教學(xué)過(guò)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(tái)實(shí)現(xiàn)線上線下混合式教學(xué)，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)與線下實(shí)驗(yàn)臺(tái)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“虛-實(shí)-虛”的良好循環(huán)。有效解決了課程學(xué)時(shí)不足、實(shí)訓(xùn)條件不夠、理論內(nèi)容枯燥等問(wèn)題，同時(shí)還采用多元化的考核評(píng)價(jià)機(jī)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(dòng)性，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)與課程銜接。本課程的教學(xué)模式在2018、2019 級(jí)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、機(jī)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。