課題驅(qū)動的液力傳動課程改革研究
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【摘要】本文對工程機械專業(yè)的專業(yè)課“液力傳動”課程改革進行以課題驅(qū)動為基礎(chǔ)的探討研究。首先分析該課程在教學培養(yǎng)中的必要性以及現(xiàn)階段國內(nèi)外該課程的教學現(xiàn)狀，提出對教學單元內(nèi)容設(shè)計單獨的課題來提高課堂效率，激發(fā)學生的主動學習能力。并針對具體課題設(shè)計了相應的教學實施方案，來體現(xiàn)教師主導學習內(nèi)容，學生成為學習主體的現(xiàn)代教學特征。
引言
液力傳動作為區(qū)別于液壓傳動的特殊傳動方式，以其獨有的原理、結(jié)構(gòu)與特點廣泛運用在汽車傳動、船舶以及工程機械中，相比較于液壓傳動，液力傳動需要學生具備的理論基礎(chǔ)知識更為廣泛與專業(yè)，針對教育部提出的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的要求，需要用新穎的教學方式來提高學生對于課程的全面掌握以及對于實際工程案例的分析解決問題的能力。目前傳統(tǒng)的液力傳動課程的教學方法即講授式教學與實驗教學相結(jié)合難以滿足對于“卓越”人才的培養(yǎng)要求。
一、課程現(xiàn)狀分析
國內(nèi)高校中開展該門課程的工科院校較少，原因在于液力傳動屬于液壓傳動的一個分支，在工程機械中應用廣泛但難以作為通用型專業(yè)課，而我院設(shè)有工程機械專業(yè)方向，旨在培養(yǎng)可在科研院所或工程機械裝備和智能制造裝備領(lǐng)域內(nèi)從事工程機械設(shè)計、制造、集成維護以及管理營銷等方面的工作的本科生。而隨著現(xiàn)代設(shè)計工具的不斷更新，課堂中也需要與工業(yè)實際前沿結(jié)合，突出了使用現(xiàn)代工具的重要性，即在扎實的理論基礎(chǔ)上，能夠針對工程機械裝備、智能制造裝備等的復雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，對裝備制造過程進行建模、預測、模擬與優(yōu)化，并能夠理解其局限性。為了激發(fā)學生的學習動機與學習興趣，目前在課堂上廣泛采用了問題導向式教學，例如項目驅(qū)動法以及任務驅(qū)動型教學，任務驅(qū)動教學是根據(jù)教學內(nèi)容向?qū)W生下達任務需求，使學生在完成于教學內(nèi)容有關(guān)的任務過程中，掌握相關(guān)教學內(nèi)容的知識與應用。而如果對每一個教學內(nèi)容設(shè)計出單獨的學習單元課題，通過明確任務目標，學生分組討論，學生自主查閱資料并在教師指導下完成任務的具體方式，體現(xiàn)了教師主導教學內(nèi)容，學生為學習主體的特征。國外自20世紀40年代起在汽車行業(yè)大規(guī)模采用液力傳動裝置，并在工程機械中不斷推廣，而目前我國的液力傳動行業(yè)，自主研發(fā)能力不足，存在的最大問題就是人才極度匱乏。在現(xiàn)有的課堂中，單純的講解書本中的理論知識，學生較難在24個課時中掌握并運用，因此，本文采用理論知識與現(xiàn)代仿真工具結(jié)合，并用實際工程機械案例結(jié)合課本內(nèi)容，使得學生在學習理論的同時有更為具象化的理解，并且深入地掌握理論與工程實際的結(jié)合運用。
二、課程主體設(shè)計
并在授課過程中不斷向?qū)W生引入目前工業(yè)發(fā)展中的先進技術(shù)與應用方式，例如，目前國際上先進的液力變矩器效率超過90%，國產(chǎn)液力變矩器的效率多在80%左右，要實現(xiàn)效率的提升，需要在液力元件的協(xié)調(diào)控制、液壓補償系統(tǒng)的精細控制以及三維流動的優(yōu)化設(shè)計等方面的研究來提高液力變矩器的傳動效率。本門課程安排24個課時，其中采用課題驅(qū)動的課程整體設(shè)計方案如表1所示。在液力偶合器的教學單元中，提出基于CFD的液力傳動內(nèi)部三維流動的數(shù)值模擬，利用計算機流體動力學來進行液力偶合器的流場數(shù)值模擬和流場分析，通過流場分析，向?qū)W生展示三維化的流場運動狀態(tài)，更加具體形象的理解偶合器內(nèi)部液流的循環(huán)運動，描述由相對運動和牽連運動復合成的環(huán)流運動；可以通過流場分析結(jié)果中液流矢量圖來加深學生對于速度三角形的理解;通過改變循環(huán)圓的大小以及葉片結(jié)構(gòu)得到的不同的偶合器特性來驗證設(shè)計方法。以兩個班80名學生為例，以8名學生為1個學習小組，分為十組。按組進行以下內(nèi)容的任務安排：1.前期進行調(diào)查研究報告，了解目前國內(nèi)外液力偶合器的發(fā)展應用現(xiàn)狀，并抓住一兩個值得探討的突出技術(shù)點。2.了解有限元分析軟件以及計算流體力學仿真分析軟件，結(jié)合課堂上的液力偶合器內(nèi)部液流流動的理論知識，進行基于CFD的液力偶合器內(nèi)部三維流動的數(shù)值模擬仿真探索，給出幾組具體的條件變量設(shè)置方案。3.針對計算機仿真的后處理結(jié)果，分析影響液力偶合器性能的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而驗證教材中偶合器的設(shè)計方法。由于在兩周8個課時內(nèi)，要求學生建模液力偶合器并得出正確的仿真計算結(jié)果難度較大，建議根據(jù)學生總結(jié)出的條件變量設(shè)置方案，由教師完成計算機模擬部分，并講計算結(jié)果交由學生自行分析。在液力變矩器課程單元，同樣按照上一課題中的學習小組，但其中的研究對象替換成液力變矩器。在分析了液力變矩器的計算機仿真結(jié)果后，與液力偶合器的流場進行對比，使得學生對于兩者之間的區(qū)別與相似有更加透徹的理解。在液力傳動裝置課程單元中，引入基于AMESim的工程機械液力傳動系統(tǒng)設(shè)計與校核作為該教學單元的拔高課題。根據(jù)前期分配的學習小組，進行小組課題自我學習，要求每一個學習小組在課后自行查閱資料，選擇某一種工程機械的液力傳動系統(tǒng)進行綜述性分析，并采取課堂匯報的方式展示學習過程，最后嘗試用AMESim仿真平臺搭建模型，具體仿真過程由教師選擇一組進行，并在課堂講授結(jié)果分析方法。
三、課題教學結(jié)果預期
關(guān)于液力傳動的三維流動模擬在研究領(lǐng)域已經(jīng)開展十余年，液力傳動的內(nèi)部流動情況在現(xiàn)代流動測試技術(shù)的支持下已實現(xiàn)可視化，應當將這一成果運用到課堂教學當中去，使學生熟悉了解針對液力傳動裝置的現(xiàn)代設(shè)計方法，對學生今后的科研與實際工作具有重要的指導作用。因此，本文提出的基于課題驅(qū)動的課程改革研究契合學校創(chuàng)新應用型本科人才的培養(yǎng)模式，能夠激發(fā)學生自主學習的興趣和能力。
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作者:朱牧之 單位:南京工程學院
