四十五年从无到有  液压传动团队让知识“活”了

  
记者 张诚

　　从2017开始筹备并试推行液压元件与系统虚拟仿真实验，到2018年获批国家级虚拟仿真教学一流课程，js官网机械学院液压传动课程团队只用了一年时间便拿下国家级课程认定。
　　这看起来的神速，却是液压传动课程团队45年不懈努力的结果。
　　液压传动课程是机械电子工程专业的主干课程之一，是机、电、液、控制多学科知识综合应用的典型代表。
　　自1974年，js官网开设该课程以来，教学团队一直致力于如何向学生生动的展示液压技术在实际中的运用，让知识真正“活”起来。
　　为了提高教学效果，团队一直在探索新的教学方法，分析传统液压实验局限性，采用虚拟仿真技术，利用虚拟仿真实验的优势，在已有的液压元件及系统性能试验台的基础上，建立了液压元件及系统仿真实验。

元件可视化 更直观

  液压元件及系统虚拟仿真实验包括元件认知、回路搭建、元件测试、系统测试等四个部分。其中，元件认知是最基础也最麻烦的部分。
  原来，液压传动实验会和很多液压元件打交道。然而，有的元件内部结构复杂，单靠学生的自主三维想象很难搞清楚其中的结构。
  课程团队决定将整个实验系统在虚拟平台可视化，帮助学生更好理解各个元件。
  他们找来了软件公司，可制作人员缺少专业背景，双方用了一年的时间，多次进行实地参观测量数据，观看相应元件的实体模型，才完成了软件脚本的写作。
  “我们对系统中涉及的设备、工具一一单独建模，配以360°展示和文字说明。”制作人员解释，在系统讲解某元件时，该元件会高亮显示；同时，系统会对该对应模型具体展示。部分复杂元件则借助透视图、剖视图和动画说明其结构和工作原理。高要求之下，整个系统单场景模型总数高达90，0000面，显示帧率达到每秒30帧甚至更多。
  虚拟实验系统还建立了丰富的液压元件和基础部件库，通过文字、图片或声音对其进行基本讲解。
  学生通过调用液压元件库中的对应元件，结合课堂、教材所学，运用相应工具可对其进行任意拆装和解剖，充分观察元件结构和内部关键部位的特征，还可以调用液压基础部件库，按照元件各部件的功能进行简化、重组，组合出不同结构和功能的新型液压元件，激发其创造力。

操作自主化 更挑战

  在熟悉和深入了解液压元器件的结构和工作原理后，虚拟实验系统开发了典型液压回路虚拟搭建模块。
学生根据给定条件、目标原理图，选择合适的工具进行液压回路的虚拟装配搭建。
  “把元件比喻成积木的话，搭建出的实际工况下的系统就是积木拼好之后的模型，怎么拼是一门学问。我们学液压传动这门课时主要精力是放在学元件学原理上，对于回路和系统这一个层面触及不太多，如何把自己学的理论知识用于实践是对我们很大的考验。”2017级机械电子工程学生李晨说。
  由于只给定目标原理图，可选择的元件类型、主要参数、连接和控制方式需要学生自己把握，加上元件的应用场景、元件安装的工具方法以及后续测试回路系统阶跃响应判断系统稳定性等问题，都给搭建过程带来不小的难题。
  “这些问题在课堂上是感受不到的，只有他们真正动手去实践过，才会印象深刻，也更加清楚整个系统的运作过程。”邓江洪说。 
　　李晨表示：“在虚拟仿真系统中，自己动手，调动所学完整的搭建出液压回路才感觉真的把知识学‘活’了。在这个过程中，同学们会一起讨论，老师也会实时答疑，这对于知识的整体把握很有帮助。”

设计实际化 更创新

　　液压传动实体实验因其具有很强的复杂性、不可视性和危险性，难以满足教学需要，制约了教学效果，导致学生无法参与实验的全部流程，等学生真正到了现场发现很难迅速调动学过的知识解决突发的实际问题。
  一个正确的液压系统如何搭建，实体实验危险，稍有差池，后果不堪设想。而在液压元件与系统虚拟仿真实验中，这些都会由电脑模拟完成。
  当学生完成搭建后，虚拟实验回路会检测元件的额定参数、传感器量程，检查元件安装方式是否正确、密封件是否安装、螺栓是否紧固等问题，实时提示错误和故障，引导学生运用所学理论知识分析判断并纠正错误，直到液压系统正确搭建完成。
  同时，为了强化学生的安全意识，系统测试模块还会模拟故障现场。
  密封件未安装，安装面或接头渗漏；安装阀件螺栓未紧固，启动泵电机后，油液从缝隙处喷射；压力设置超过安全值，管道破裂、油液飞溅……学生则需要根据所学，快速给出相应的解决方案。
  “我们既掌握了实践技能，又掌握了相关知识；既学习了课程，又学习了分析解决问题的方法。”李晨说。
  “我们和其他实验平台最大的区别在于实验的操作具有任意性、随机性，允许容错、试错，尽可能真实的展示实际工作现场的场景。”邓江洪说。
  学生反馈，虚拟实验生动有趣，提高了学习兴趣；在实物实验前，通过虚拟实验熟悉操作流程，也提高了实验室的利用效率。
  截至11月25日，液压元件及系统虚拟仿真实验点击量已有2万人次。