胡波，肖澤亮，李圣雨

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.衡陽(yáng)泰豪通信車輛有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421099）

0 引 言

隨著我國(guó)教育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，學(xué)生的實(shí)踐能力越來(lái)越受到重視。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)過(guò)程中十分重要的一環(huán)，是增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)理解和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的重要方法。實(shí)踐是學(xué)校的教學(xué)活動(dòng)中的根本，但受設(shè)備陳舊、資金欠缺、實(shí)驗(yàn)安全等硬軟件條件的制約，當(dāng)前大部分高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備與方法難以滿足大學(xué)生擴(kuò)招的需求與實(shí)踐能力培養(yǎng)的要求。因此，改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法迫在眉睫。

當(dāng)前大學(xué)學(xué)習(xí)和社會(huì)工作脫軌嚴(yán)重，很多同學(xué)反映大學(xué)期間學(xué)的知識(shí)無(wú)法直接應(yīng)用。而作為機(jī)械類專業(yè)的一門必修課程，“液壓傳動(dòng)”具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，是從事液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)工作的必要基礎(chǔ)知識(shí)。液壓元器件種類繁多、結(jié)構(gòu)相似、基本回路繁雜，必須結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，才能獲得較好的學(xué)習(xí)效果。但是，液壓元件昂貴、實(shí)驗(yàn)安全隱患、時(shí)空限制等，只有較少的學(xué)生能真正實(shí)操，大多數(shù)學(xué)生只能觀摩他人操作，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)不充分、效果較差。近年來(lái)，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)逐漸應(yīng)用到課堂教學(xué)中，混合式教學(xué)在國(guó)內(nèi)外許多高校中蓬勃開(kāi)展和廣泛應(yīng)用。利用虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以有效地解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，使學(xué)生的實(shí)踐能力得到充分的鍛煉，促進(jìn)學(xué)生液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ膮f(xié)同發(fā)展。發(fā)達(dá)國(guó)家研究虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)間較早，如1988年麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的Web Lab 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室、牛津大學(xué)開(kāi)發(fā)的Livechem虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。而我國(guó)高校教師在液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)方面也作出了較大貢獻(xiàn)。例如，陳敏捷等結(jié)合Unity、UG 和3Ds Max 平臺(tái)，搭建了一個(gè)交互方便的液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；李美如等以JetBrains Rider 為開(kāi)發(fā)環(huán)境，結(jié)合Unity 3D 平臺(tái)，建設(shè)了液壓傳動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)；并利用Inventor 構(gòu)建了虛擬實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)液壓實(shí)驗(yàn)的不足。

盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以避免液壓元件昂貴、實(shí)驗(yàn)安全隱患、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所對(duì)液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制，但仍存在虛擬液壓元件結(jié)構(gòu)不具象的問(wèn)題，學(xué)生難以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)了解各類液壓閥之間結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異。因此，結(jié)合真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)，協(xié)同開(kāi)展液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既能避免多數(shù)學(xué)生不能實(shí)操的問(wèn)題，又可以使學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)了解液壓元器件的結(jié)構(gòu)及差異。

1 液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于液壓傳動(dòng)課程教學(xué)大綱的要求，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)當(dāng)包含薄壁小孔、細(xì)長(zhǎng)孔與環(huán)形縫隙液阻特性等3 種流體實(shí)驗(yàn)，液壓泵、液壓缸與液壓馬達(dá)等3 種動(dòng)力與執(zhí)行元件性能實(shí)驗(yàn)，溢流閥、減壓閥靜動(dòng)態(tài)性能等4 種閥類實(shí)驗(yàn)，進(jìn)口、出口與旁路等3 種節(jié)流調(diào)速回路性能實(shí)驗(yàn)。由此可見(jiàn)，液壓傳動(dòng)課程的實(shí)驗(yàn)種類多，涉及的液壓元件多，若全部搭建實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)，必須同類實(shí)驗(yàn)臺(tái)架搭建多個(gè)，供多組學(xué)生使用，以避免實(shí)驗(yàn)課時(shí)少的限制。這樣的實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)造價(jià)十分昂貴、占地空間巨大，為此建立液壓傳動(dòng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)非常必要。

盡管液壓實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)建設(shè)費(fèi)用大，我校仍然建設(shè)有液壓泵性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，溢流閥靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，節(jié)流調(diào)速回路性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)等，每種實(shí)驗(yàn)臺(tái)建有4 組，可將學(xué)生分組同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)效率。其中，液壓泵性能實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)調(diào)節(jié)截止閥和節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)液壓泵的空載性能測(cè)試、流量特性和功率特性測(cè)試、效率特性測(cè)試；溢流閥靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò)節(jié)流閥和油泵啟閉可以實(shí)現(xiàn)溢流閥調(diào)壓范圍測(cè)量、壓力振擺測(cè)量、壓力偏移測(cè)量、壓力損失測(cè)量、卸荷壓力測(cè)量、內(nèi)泄漏測(cè)量、啟閉特性測(cè)量；節(jié)流調(diào)速回路性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以通過(guò)改變節(jié)流閥連接管道，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口、出口與旁路節(jié)流調(diào)速回路性能測(cè)試。

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的目的是使學(xué)生能夠在模擬的液壓實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，了解各種液壓元件在結(jié)構(gòu)與功能上的差異；并隨時(shí)隨地搭建虛擬的液壓系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證液壓回路的功能。為此，首先通過(guò)UG 建模軟件建立各種液壓元件的三維裝配體模型，并借助3Ds Max 與Photoshop 軟件進(jìn)行修圖與渲染；隨后，導(dǎo)入U(xiǎn)nity 軟件中進(jìn)行可視化處理，并采用Unity Web Player 進(jìn)行調(diào)試與分布，建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

搭建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含了液壓傳動(dòng)課程教學(xué)大綱要求的3 種流體實(shí)驗(yàn)、3 種動(dòng)力與執(zhí)行元件性能實(shí)驗(yàn)、4 種閥類實(shí)驗(yàn)與3 種節(jié)流調(diào)速回路性能實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都嵌入了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)展示及試驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)規(guī)范等欄目，如圖1所示，為學(xué)生自主線上仿真實(shí)驗(yàn)提供了非常方便的指導(dǎo)，大大提高了學(xué)生仿真實(shí)驗(yàn)的積極性。以液壓泵性能仿真實(shí)驗(yàn)為例，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖，學(xué)生可從動(dòng)力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件庫(kù)選擇對(duì)應(yīng)的液壓元件，組裝液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求與步驟，實(shí)現(xiàn)液壓泵性能測(cè)試，獲取仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算與繪制液壓泵的性能參數(shù)。

圖1 液壓泵性能仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2 液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

融合真實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)的液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是先通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求與原理，熟悉實(shí)驗(yàn)步驟與操作方法；再通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)，熟悉相關(guān)液壓元件的實(shí)物結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)與控制方法。多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐證明：先通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，能在有限的學(xué)時(shí)和資金投入內(nèi)，使每個(gè)學(xué)生都有操作實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)的機(jī)會(huì)。以液壓泵性能測(cè)試為例，介紹該實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法：

（1）課余時(shí)間，學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過(guò)嵌入的指導(dǎo)性文件，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私庖簤罕弥饕匦裕üβ侍匦?、效率特性）和測(cè)試裝置；掌握液壓泵主要特性測(cè)試原理和測(cè)試方法。

（2）通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)要求文件，了解本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和要求：液壓泵的空載性能測(cè)試；液壓泵的流量特性和功率特性測(cè)試；液壓泵的效率特性（機(jī)械效率、容積效率、總效率）測(cè)試。

（3）在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，結(jié)合內(nèi)嵌的測(cè)試原理圖，如圖2所示，和實(shí)驗(yàn)步驟說(shuō)明，搭建液壓泵性能測(cè)試仿真系統(tǒng)，如圖3所示，執(zhí)行仿真實(shí)驗(yàn)，并得到仿真數(shù)據(jù)。

圖2 液壓泵性能測(cè)試原理圖

圖3 液壓泵性能測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)

（4）根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算與繪制液壓泵空載排量與性能參數(shù)，如圖4所示。通過(guò)仿真平臺(tái)的成績(jī)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)每個(gè)學(xué)生都能掌握本實(shí)驗(yàn)的要領(lǐng)后，可以開(kāi)始進(jìn)入實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

圖4 液壓泵性能仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（5）通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，熟練掌握了本實(shí)驗(yàn)的目的、測(cè)試原理、實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)分析后，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)內(nèi)，進(jìn)入實(shí)物實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始操作真實(shí)的液壓泵性能測(cè)試臺(tái)；熟悉真實(shí)液壓元件的結(jié)構(gòu)，練習(xí)液壓元件的調(diào)節(jié)與控制。

由于前期通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)熟練掌握了本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試原理與步驟，在實(shí)物操作時(shí)，每個(gè)學(xué)生花費(fèi)的時(shí)間大幅度減少。在有限的實(shí)踐教學(xué)時(shí)間內(nèi)，幾乎能實(shí)現(xiàn)每個(gè)學(xué)生都能進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)的操作。在融合真實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)的液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，學(xué)生的動(dòng)手能力得到了更好地培養(yǎng)，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合更加緊密，取得了較好的實(shí)踐教學(xué)效果。

以本校2019 級(jí)汽車服務(wù)工程專業(yè)某班級(jí)為例：該班學(xué)生共32 人，前期在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，通過(guò)系統(tǒng)嵌入的指導(dǎo)性文件，明確了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容和要求，熟悉了測(cè)試原理，并模擬了實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)整理。進(jìn)入實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)，本班級(jí)共分為4 組，每組5 ～6 人（該班1 人沒(méi)有參加實(shí)操），分布在4 個(gè)實(shí)物操作臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。經(jīng)過(guò)前期的理論學(xué)習(xí)和模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)物操作前對(duì)各液壓元器件講解時(shí)，學(xué)生能很快地回想起該液壓元件的功能和優(yōu)缺點(diǎn)，掌握其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、液壓管道連接、調(diào)節(jié)與控制。這樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，每個(gè)學(xué)生基本能在6 分鐘左右完成液壓泵的性能測(cè)試，在一個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了每個(gè)學(xué)生的實(shí)操，這是以往純實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以達(dá)到的。

該教學(xué)班的實(shí)驗(yàn)成績(jī)分布如圖5所示，平均分達(dá)到了81 分，僅1 人因沒(méi)參加實(shí)操定為不及格；成績(jī)良好及以上的學(xué)生共23 人，占比達(dá)72%，成績(jī)中等以下的僅為6%。在融合真實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)的液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，學(xué)生不僅在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中操作順暢，后續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和參數(shù)計(jì)算也理解深刻，實(shí)驗(yàn)成績(jī)整體情況也有明顯提高。這種教學(xué)模式使有限學(xué)時(shí)內(nèi)的液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加充分，取得了良好的教學(xué)成效。

圖5 液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)成績(jī)分布與占比

3 結(jié) 論

針對(duì)高校液壓傳動(dòng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中普遍存在的真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架匱乏問(wèn)題，文章探討了融合真實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)的液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與方法。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)液壓仿真實(shí)驗(yàn)，熟練掌握測(cè)試原理及實(shí)驗(yàn)步驟，繼而再開(kāi)展實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)。避免了傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅少數(shù)學(xué)生能實(shí)操，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)不充分、效果較差的問(wèn)題，獲得了較好的教學(xué)效果，具體如下：

（1）液壓傳動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)打破了液壓傳動(dòng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)時(shí)空的限制，大幅度降低了液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)課程資源建設(shè)的資金投入。

（2）液壓傳動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以讓每個(gè)學(xué)生反復(fù)練習(xí)，使學(xué)生實(shí)實(shí)在在的熟練掌握實(shí)驗(yàn)測(cè)試的目的、原理及步驟，為后續(xù)實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)的操作效率奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）融合真實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)的液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，彌補(bǔ)了實(shí)踐教學(xué)課時(shí)少的缺陷，避免了大部分學(xué)生走馬觀花式的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。