仿真技术任务驱动教学案例分析
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摘要：阐述仿真技术应用于任务驱动教学的案例中，得到了对应任务的仿真素材，其结果可为课程教学改革提供参考，也可促进教师尝试应用仿真技术，提升教学效果。
关键词：仿真技术，方向控制阀，案例分析，任务驱动
“液压传动技术”是机电类专业开设的核心专业课程[1]，既有一定的理论性，又有很强的实践性，被广泛应用于工程机械、冶炼、化工、航空、军事等领域[2]。我国新型工业化道路发展理念的提出，也对高职院校“液压传动技术”课程改革提出了更高的要求，学生需在掌握基本的液压传动原理以及认识液压元件结构的基础上，具备能够分析典型液压传动系统以及对基本液压回路进行搭建与调试的职业能力。本文以液压传动技术课程中的“淬火炉液压控制系统”案例为例，利用仿真技术在任务驱动教学中对案例进行设计与教学应用。
1研究背景
教学内容分析。“淬火炉液压控制系统”是应用液压传动原理构成的简单液压系统，是“液压传动技术”课程中方向控制回路章节的典型教学案例。其中，重约500kg的淬火炉的顶盖是由一个单作用缸提起[3,4]，淬火炉顶升液压缸示意图如图1所示,是典型的方向控制回路去控制其升降。通过对该案例内容的学习，学生可以进一步了解方向控制回路的组成，掌握方向控制元件的结构原理。然而，教材中关于液压元件与回路的介绍多为抽象的平面结构图、冗长的文字描述，学生对知识较难产生深入理解。若教师在授课过程中应用仿真软件辅助教学，通过仿真模型对二位三通换向阀等液压元件内部流量特性进行曲线分析，引导学生深入了解液压元件的内部结构特性。也可以让学生通过仿真软件搭建方向控制回路，增强理论联系实际的能力。同时，通过学习任务的驱动，学生学习目标得以明确，学习效率得以提高，为后续课程学习奠定良好基础。教学现状。目前的高职院校学生普遍缺乏明确学习目标，存有厌学情绪。但大部分学生内心是追求上进的，只是不知道该做什么，需要教师加以引导。除此之外，传统教学方式对液压理论知识的讲解过于死板，趣味性不强，导致学生对专业术语无法理解，对元件内部结构无法产生相应的实物映像，久而久之逐渐丧失了学习兴趣。加之现代工业对于液压控制系统各方面性能的要求越来越高，传统的液压系统设计思路仅能够满足静态特性下的性能分析，已相对过时。利用仿真技术去设计和分析液压系统的动态性能已逐渐成为当前的主流趋势，企业需要会使用仿真技术的人才。但现有教学中还延习着传统的教学方式，缺少仿真技术在教学中的应用。
2教学设计思路及过程
本研究基于高职学校《液压传动技术》课程的教学实际与学生实际学情，以任务驱动的理论基础为指导，借助仿真资源，创新教学方法，进行了仿真技术在任务驱动教学中的案例分析，期望可为“液压传动技术”课程教学提供新参考，促进教师关注并尝试应用仿真技术，辅助教学提升教学效果。图2所示为淬火炉液压控制系统的教学设计。（1）通过“任务驱动”引导学生了解方向控制阀的结构原理。[任务1]根据二位三通换向阀工作原理图和仿真素材，交流讨论阀的结构原理并分析阀内部流量特性曲线。教师讲解该换向阀的工作原理图，如图3所示。该阀有左、右位2个工作位置和进油口P、出油口T和连接执行元件的油口A共3个通路口。该滑阀以电磁驱动，称二位三通电磁换向阀，其图形符号如图3（c）。当电磁铁执行位置不同时，阀所导通的方向也不同。当电磁铁通电时，阀芯向右运动，油口P和A接通，与T断开，如图3（a）。当电磁铁断电时，弹簧推动阀芯复位，油口A和T接通，与P断开，如图3（b）。利用仿真软件对二位三通换向阀的内部结构及流量特性做进一步分析。首先，利用AMESim软件中的HCD库和液压库对二位三通电磁换向阀进行建模如图4所示，通过搭建仿真模型的方式讲解二位三通电磁换向阀的内部结构组成。其次，设置模型中各元件的子模型参数和仿真运行条件。最后，运行仿真，得出仿真曲线，要求学生以小组为单位讨论分析仿真结果中的二位三通换向阀内部流量特性曲线，如图5所示。学生据图5可知，在仿真运行的10s中，红色曲线呈下降趋势，说明左侧阀口流量值随着阀芯的移动逐渐降低。同时，蓝色曲线呈上升趋势，说明右侧阀口随着阀芯的移动，流量逐渐升高，则代表油口A-T逐渐接通，与P断开。
从曲线整体的流量变化量中也可以看出，流量变化量的累积和进口流入的总流量数值是相同的。随着阀芯的移动A-P与A-T始终处于三通状态，即如果阀芯在极限位置时，只有一个位置是导通的，另一个位置则处于关闭状态。[任务2]根据单向阀仿真素材，交流讨论单向阀的结构原理并分析阀内部压力与流量特性曲线和滞环曲线。单向阀作用是控制油液仅单向流动。①教师利用AMESim软件中的HCD库对单向阀进行详细模型搭建如图6所示，结合仿真元件模型讲解单向阀结构组成。②设置模型中各元件的子模型参数和仿真运行条件。③运行仿真，得出仿真曲线，要求学生以小组为单位讨论分析仿真结果中单向阀压力流量面积特性曲线、滞环曲线如图7、图8所示。学生依据图7可知，红色线为内部压力曲线，蓝色线为流通面积曲线。当阀内压力小于2bar之时，阀门无法开启，无油液通过；当压力升高至2bar时，阀门逐渐开启，阀门开口面积也随之增大。当压力升高至3.48bar时，为最大开启压力，此时流经阀口的流量为最大开启流量15.5L/min，阀门全部打开，最大流通面积为12.88mm2。阀运动过程存在阻力，因此会产生滞环曲线。结合图8分析，当阀的内部压力达到2bar时，阀门逐渐开启，流量随之增大。阀从开启到稳定打开有一部分环形曲线，也就是滞环曲线，代表该过程需要响应时间，且阀运动过程存在阻力。当阀门全部打开后，滞环消失，说明阀运动过程中已无阻力。（2）通过“任务驱动”引导学生应用AMEsim仿真软件搭建并验证回路。[任务1]自主应用AMEsim仿真软件搭建淬火炉液压回路，完成仿真任务。根据给定的已知数据去计算系统的主要参数，给定淬火炉液压控制系统已知条件，学生通过理论公式计算系统主要参数。[任务2]学生小组合作搭建淬火炉液压回路，交流讨论。教师利用AMEsim仿真软件，阐述回路建模需要的液压元件，指导学生应用软件正确搭建回路，设置回路模型中各元件子模型参数，检查学生回路模型搭建是否正确。学生正确搭建回路，最终确定各元件仿真参数。淬火炉液压控制系统仿真模型草图如图9所示。[任务3]仿真运行，分析仿真结果，验证回路参数设置的正确性。教师进行仿真运行，得出系统压力仿真结果曲线和活塞杆速度曲线如图10、图11所示。要求分析两组曲线回答以下两个问题：系统压力大致为多少bar,稳定速度大致为m/s。学生分析验证仿真结果，据图10知，当时间为5.31s时，系统压力大致为25bar，与计算结果一致。据图11知，活塞杆运动速度大致为0.085m/s，与计算结果一致。仿真数值与理论计算数值一致，说明仿真结果是正确的，因此证明方向控制回路的设计以及元件参数设置的数值是正确的。
3结语
将仿真技术应用于任务驱动的案例教学中，可以较好达成以下目标。（1）该教学模式有利于学生精准性学习，明确学习目标。通过任务引导的形式将学生的学习内容变得具体化、精准化、明确化，使教学重点突出，更加具有针对性；仿真技术的应用可解决学生在设计回路过程中缺少创新思维，应用已有知识解决实际问题能力不足的问题；仿真技术与任务驱动教学法的结合可使学生很快进入学习状态，感受任务之间的关系和联系，更易捕捉到任务中的思考点，通过将理论与仿真实践的结合让学生更好地分析问题和解决问题。（2）该教学模式有利于学生趣味性学习，理解教学内容。通过将仿真技术应用于“液压与气动技术”课程教学中，让理论教学、仿真实践紧密结合起来，可将抽象化的传统理论知识内容，变成仿真模型，通过曲线的形式帮助学生分析元件内部不可见的流体特性，让知识变得更加形象、有趣味性，可更好地提升学生的学习兴趣，发挥学生的自主能动性，提高学生的职业能力素养。（3）该教学模式有利于学生建构性学习，体会实践意义。通过对“淬火炉液压控制系统”章节教学内容进行创新设计，让学生在理解和掌握液压元件理论知识的基础上自主设计案例中涉及的方向控制回路，尝试将所学知识应用于实践。任务驱动则成为一个很好的教学引导方式，可解决教师教学重点不突出，学生所学理论知识与实践操作脱节的问题，让学生体会到理论知识应用到实践的重要意义。遵循了学生的知识建构主义发展规律，使学生形成了系统化的学习经验。
参考文献
[1]赵雷,杨奕,张利国,张华,杨川.基于混合式教学的“液压与气压传动”在线开放课程设计[J].实验技术与管理,2018,35(05):159-162.
[2]赵亚英.基于AMEsim的淬火炉液压系统研究[J].山东工业技术,2018(05):246-247.
[3]梁全,谢基晨,聂利卫.液压系统AMEsim计算机仿真进阶教程[M].北京：机械工业出版社.2016.
[4]史敬灼.“电力电子技术”课程问题导向式授课方法[J].电气电子教学学报,2019,41(06):100-102+121.
作者：陈思思 郑继明 杨义秀 单位：贵州师范大学