基于四維一體的液壓與氣壓傳動(dòng)課程教學(xué)改革

摘"要：液壓與氣壓傳動(dòng)課程內(nèi)容多、理論抽象復(fù)雜、實(shí)踐性強(qiáng)，再加上學(xué)生缺乏體系化思維、學(xué)習(xí)興趣不足、實(shí)踐能力弱等問(wèn)題，導(dǎo)致課程存在學(xué)生高階思維難以建立，學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)動(dòng)力不足，理論知識(shí)難應(yīng)用等痛點(diǎn)問(wèn)題。以“學(xué)生中心、質(zhì)量文化理念”為引領(lǐng)，從立足新工科、育人育才相結(jié)合、系統(tǒng)化的教學(xué)改革、理論與實(shí)踐相結(jié)合四個(gè)維度構(gòu)建四維一體的教學(xué)創(chuàng)新模式，提高學(xué)生高階思維能力、學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)動(dòng)力與實(shí)踐動(dòng)手能力等綜合素養(yǎng)，提升教學(xué)質(zhì)量。關(guān)鍵詞：液壓與氣壓傳動(dòng)；四維一體；高階思維；教學(xué)改革0"引言液壓與氣壓傳動(dòng)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、車(chē)輛工程和近機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)技術(shù)課，一般安排在大三上學(xué)期。課程研究對(duì)象是機(jī)器的傳動(dòng)系統(tǒng)，是用基礎(chǔ)理論知識(shí)來(lái)解決工程上的一些普遍的、共性的問(wèn)題。液壓與氣壓傳動(dòng)課程內(nèi)容主要涵蓋液壓與氣壓傳動(dòng)基本理論、液氣壓基本元件的工作原理、液氣壓基本回路的性能以及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該課程的具體特點(diǎn)為液壓元件多、工作原理復(fù)雜，知識(shí)體系復(fù)雜龐大，理論性和實(shí)踐性強(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容多為動(dòng)態(tài)性知識(shí)，這要求學(xué)生具有一定的知識(shí)基礎(chǔ)和自主學(xué)習(xí)能力，對(duì)初學(xué)者具有較大挑戰(zhàn)度[1-3]。教學(xué)實(shí)踐中存在以下痛點(diǎn)問(wèn)題。1）教學(xué)內(nèi)容按傳統(tǒng)學(xué)科知識(shí)布局，不能適應(yīng)數(shù)據(jù)化新工科的場(chǎng)景要求，難以培養(yǎng)具有產(chǎn)業(yè)適應(yīng)能力的新工科人才。2）大三學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了流體力學(xué)和機(jī)械原理，具備一定理論基礎(chǔ)，但液壓元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作原理難理解，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求高。3）本課程實(shí)踐性強(qiáng)，但只安排了八個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，這嚴(yán)重制約了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。1nbsp;課程教學(xué)創(chuàng)新路徑與方法1.1"明確“知識(shí)、能力、價(jià)值”三位一體的教學(xué)目標(biāo)課程以立德樹(shù)人為本，從知識(shí)掌握、能力培養(yǎng)、價(jià)值塑造三個(gè)層面明確知識(shí)、能力、價(jià)值“三位一體”的教學(xué)目標(biāo)，旨在培養(yǎng)機(jī)械方面的高素質(zhì)工程應(yīng)用型人才和創(chuàng)造型人才。知識(shí)目標(biāo)：1）理解液壓傳動(dòng)與氣動(dòng)中最基本的理論、基本元件的工作原理和性能特點(diǎn)；2）認(rèn)識(shí)液壓和氣壓傳動(dòng)的基本回路。能力目標(biāo)：1）能夠從元件原理出發(fā)正確選用液壓元件，并分析其原理；2）能夠利用仿真軟件FluidSIM分析液壓與氣壓傳動(dòng)基本回路；3）能夠設(shè)計(jì)與計(jì)算液氣壓系統(tǒng)，處理液壓與氣壓系統(tǒng)常見(jiàn)故障。價(jià)值目標(biāo)：1）培養(yǎng)學(xué)生遵守液氣壓技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，恪守職業(yè)道德；2）擁有設(shè)計(jì)液氣壓系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)、辯證、創(chuàng)新的科學(xué)思維和工程思維；3）傳承工匠精神，具有科學(xué)素養(yǎng)；4）堅(jiān)守科技強(qiáng)國(guó)使命和擔(dān)當(dāng)。1.2"構(gòu)建四維一體的教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決教學(xué)痛點(diǎn)針對(duì)教學(xué)痛點(diǎn)，構(gòu)建四維一體的教學(xué)創(chuàng)新模式。從育人育才相結(jié)合、系統(tǒng)化的教學(xué)改革、理論與實(shí)踐相結(jié)合、立足新工科四個(gè)維度來(lái)整體提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力，建立學(xué)生高階思維，最終達(dá)到育人效果，如圖1所示。1.2.1"立足新工科，重組教學(xué)內(nèi)容課程包括液壓與氣壓傳動(dòng)概述、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論、液壓油、流體靜力學(xué)動(dòng)力學(xué)、液壓泵、液壓缸、液壓控制閥、液壓基本回路、典型液壓系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算共10章內(nèi)容。在有限的學(xué)時(shí)（32個(gè)理論授課學(xué)時(shí)、8個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)）分配下，重組教學(xué)內(nèi)容，把原本較為分散的教學(xué)內(nèi)容整合為四個(gè)模塊，分別為液壓與氣壓傳動(dòng)基本理論、液氣壓元件結(jié)構(gòu)和原理、液氣壓基本回路性能及應(yīng)用和典型液壓系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)，如圖2所示?；谥亟M的模塊對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，把最新的科研技術(shù)和工程案例融入教學(xué)內(nèi)容，解決教學(xué)內(nèi)容陳舊的問(wèn)題，使教學(xué)內(nèi)容模塊化、體系化，實(shí)現(xiàn)了從初階、中階到高階的階次式遞進(jìn)，如圖3所示。基于重構(gòu)后的教學(xué)內(nèi)容建立28個(gè)相對(duì)應(yīng)的案例庫(kù)，提升教學(xué)內(nèi)容的高階性。同時(shí)通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)（FluidSIM液壓與氣壓仿真軟件）進(jìn)課堂，讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用現(xiàn)代化工具和軟件分析液壓元件的工作原理，設(shè)計(jì)液壓回路，并通過(guò)仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)回路的可行性。堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際，突出工程應(yīng)用，建立高階思維，提高課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。1.2.2"構(gòu)建一個(gè)主題六條主線的育人育才相結(jié)合模式如圖4所示，課程思政以落實(shí)立德樹(shù)人為主題，以家國(guó)情懷、工匠精神、科技報(bào)國(guó)、工程倫理、工程思維、綠色發(fā)展為六條主線，建立了32個(gè)課程思政案例庫(kù)。結(jié)合授課內(nèi)容，從工程案例、理論內(nèi)容、前沿技術(shù)等方面挖掘課程蘊(yùn)含的思政元素[4-5]，豐富課程思政案例庫(kù)，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)與價(jià)值引領(lǐng)的有機(jī)融合。以第二個(gè)教學(xué)模塊（液氣壓元件：液壓泵、液壓缸、液壓閥）中課程思政的融入為例。在液壓泵部分，引入中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化中的古代水車(chē)，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感；同時(shí)引入大國(guó)重器液壓中國(guó)心——高壓泵，培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立愛(ài)國(guó)、敬業(yè)的價(jià)值觀，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解關(guān)鍵技術(shù)要掌握在自己手中的重要性。在液壓缸部分，引入大國(guó)重器1600噸起重機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的使命感。在液壓閥部分，引入填海造陸的“神器”——大國(guó)重器“天鯤號(hào)”，培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)學(xué)生的家國(guó)情懷。1.2.3"完善教學(xué)資源，改革教學(xué)方法，健全評(píng)價(jià)維度，系統(tǒng)化推進(jìn)課堂教學(xué)改革1）完善教學(xué)資源，建立教學(xué)資源庫(kù)。打造動(dòng)態(tài)豐富的課件，建立了65個(gè)動(dòng)畫(huà)資源庫(kù)，50個(gè)教具庫(kù)，把抽象的問(wèn)題形象化、具體化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；利用學(xué)習(xí)通平臺(tái)不斷完善線上教學(xué)資源，建立了95個(gè)線上資源庫(kù)，主要包括章節(jié)導(dǎo)學(xué)及導(dǎo)學(xué)測(cè)試、教學(xué)課件、隨堂測(cè)驗(yàn)、小組任務(wù)、作業(yè)庫(kù)、拓展資料等六大核心內(nèi)容。2）改革教學(xué)方法，綜合運(yùn)用線上線下、翻轉(zhuǎn)課堂、以賽促學(xué)等方法，開(kāi)展自主、合作、探究式教學(xué)。課前：教師上傳資料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)及相關(guān)知識(shí)的探索學(xué)習(xí)；課中：在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，融合多種教學(xué)方法，如具象展示、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、案例教學(xué)、小組討論、實(shí)踐教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、拓展延伸等。課后：構(gòu)建以賽促學(xué)的教學(xué)模式，夯實(shí)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，提升綜合素質(zhì)。3）健全評(píng)價(jià)維度，實(shí)行“1+N”課程綜合評(píng)價(jià)改革。課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)完善的課程評(píng)價(jià)模式。課程構(gòu)建了“1+N”的評(píng)價(jià)模式，“N”指的是多種形式的過(guò)程性評(píng)價(jià)，“1”為終結(jié)性評(píng)價(jià)，主要是期末考試，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示?！?+N”的評(píng)價(jià)模式實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果全過(guò)程、全方位考核評(píng)價(jià)，并在授課結(jié)束后，借助超星學(xué)習(xí)通，設(shè)計(jì)課程滿意度調(diào)查問(wèn)卷，評(píng)價(jià)項(xiàng)目為對(duì)授課內(nèi)容的獲得感、思考能力提升、組內(nèi)發(fā)言質(zhì)量等的滿意度。問(wèn)卷調(diào)查既督促學(xué)生課后鞏固與反思，也促進(jìn)教師進(jìn)行授課效果評(píng)估。1.2.4"理論與實(shí)踐相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力引入國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，讓FluidSIM液壓仿真軟件走進(jìn)課堂，同時(shí)讓學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)課驗(yàn)證通過(guò)虛擬軟件和平臺(tái)設(shè)計(jì)的方案，實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)的有機(jī)結(jié)合（圖5），提高實(shí)踐課的學(xué)習(xí)效率。利用多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，豐富實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，有效彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)課時(shí)不足，充分提高學(xué)生的課程實(shí)踐能力，真正達(dá)到理論知識(shí)從實(shí)踐中來(lái)再回到實(shí)踐中去的教學(xué)效果。1.2.5"四維一體教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的應(yīng)用通過(guò)調(diào)壓回路的性能及應(yīng)用，來(lái)說(shuō)明四維一體教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用。課前：教師上傳學(xué)習(xí)資料，包括本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)、導(dǎo)學(xué)視頻、導(dǎo)學(xué)測(cè)試等資料。課程教學(xué)目標(biāo)包括知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。知識(shí)目標(biāo)：1）掌握單級(jí)調(diào)壓回路、遠(yuǎn)程調(diào)壓回路、二級(jí)調(diào)壓回路、三級(jí)調(diào)壓回路、多級(jí)調(diào)壓回路的組成，工作原理和性能；2）熟悉單級(jí)調(diào)壓回路、遠(yuǎn)程調(diào)壓回路、二級(jí)調(diào)壓回路、多級(jí)調(diào)壓回路的應(yīng)用。能力目標(biāo)：1）培養(yǎng)學(xué)生的分析能力，能夠分析多種調(diào)壓回路；2）培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐設(shè)計(jì)能力，能夠利用FluidSIM軟件對(duì)基本回路進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真；3）培養(yǎng)學(xué)生的推理能力，能夠舉一反三，針對(duì)同一作用的回路有多種設(shè)計(jì)思路。素質(zhì)目標(biāo)：1）通過(guò)對(duì)無(wú)級(jí)調(diào)速回路的學(xué)習(xí)，逐步建立科學(xué)思維，理解“簡(jiǎn)單是高級(jí)形式的復(fù)雜”這一理念——越是高級(jí)的東西，往往越簡(jiǎn)潔。同時(shí)，培養(yǎng)從原點(diǎn)出發(fā)的工程思維和創(chuàng)新思維，認(rèn)識(shí)到創(chuàng)新往往從簡(jiǎn)單之處開(kāi)始；2）通過(guò)溢流閥在不同調(diào)壓回路中的不同作用，啟迪學(xué)生適應(yīng)新工科多學(xué)科融合新模式，爭(zhēng)做“斜杠青年”，解決好中國(guó)制造的問(wèn)題。課中：教師主要針對(duì)重難點(diǎn)（單級(jí)調(diào)壓回路、遠(yuǎn)程調(diào)壓回路、二級(jí)調(diào)壓回路、三級(jí)調(diào)壓回路、多級(jí)調(diào)壓回路的工作原理和性能）進(jìn)行講解，通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、小組討論，完成對(duì)單級(jí)調(diào)壓回路、遠(yuǎn)程調(diào)壓回路、二級(jí)調(diào)壓回路的學(xué)習(xí)。通過(guò)將現(xiàn)代技術(shù)引入課堂和采用翻轉(zhuǎn)課堂的方式，引導(dǎo)學(xué)生自主完成三級(jí)調(diào)壓回路的設(shè)計(jì)、仿真和講解。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際案例（如典型液壓機(jī)回路）進(jìn)行擴(kuò)展延伸教學(xué)，深入講解調(diào)壓回路的應(yīng)用。在課堂中講解無(wú)級(jí)調(diào)壓回路的設(shè)計(jì)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生理解創(chuàng)新往往從簡(jiǎn)單出發(fā)，從原點(diǎn)開(kāi)始。同時(shí)，介紹無(wú)級(jí)調(diào)壓回路的前沿技術(shù)，引出液壓技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)——機(jī)電液一體化，這符合新工科提出的多學(xué)科融合理念。課后：布置小組作業(yè)，并通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)課進(jìn)一步鞏固理論知識(shí)，充分實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合。1.2.6"教學(xué)成效課程經(jīng)過(guò)教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，取得了較為顯著的教學(xué)成效。首先，課程達(dá)成度顯著提升，從學(xué)生成績(jī)來(lái)看，高分段人數(shù)明顯增加。在全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中取得了省級(jí)一等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)的優(yōu)異成績(jī)。此外，通過(guò)問(wèn)卷星開(kāi)展的關(guān)于學(xué)習(xí)效果、線上線下授課方式、評(píng)價(jià)模式和思政教育等方面的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生反饋良好，尤其在思政教育評(píng)價(jià)中，頻繁出現(xiàn)工匠精神、科技創(chuàng)新等關(guān)鍵詞，反映出課程思政的有效融入，如表2所示。2"結(jié)束語(yǔ)液壓與氣壓傳動(dòng)是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)