理实一体化教学模式在气动工程训练中的应用

摘 要 在高等教育工程训练气动教学环节中，采用理实一体化教学模式开展教学活动。在教学过程中以基本气动回路为主要教学内容，对学生提出设计要求，增加学生学习主动性。结合基本理论与实践操作，丰富工程训练教学内容，提高工程训练教学质量。

关键词 气动回路；理实一体化；气动实训

中图分类号：G642.44 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2014）04-0119-03

1 引言

机电一体化等相关专业的高等教育过程应以服务为宗旨，以就业为导向，以生产实践教学为培养手段，以提高实践能力为培养目标，为车辆、食品、机械等制造性行业培养有工程素养、有实践技能的一线优秀操作与指导人员。工程训练是工科学生在高等教育阶段最重要的实践环节，在应用型复合人才培养过程中具有不可替代的位置。气压传动是以压缩空气为工作介质来传递动力的控制信号的一门自动化技术。随着工业生产自动化技术的发展，气压传动在工业生产的各部分得到了广泛的应用。

气压传动实训是现代工程训练中比较新颖的实践性教学模块，是对学生进行机电一体化专业工程实践能力培训的重要过程，其教学成果可完善现代工程训练体系，提高高等教育的教学质量与教学水平。

目前国内部分高校因经费缺少、重视程度不够等原因，气压传动实训环节在各高校中开展的并不多。特别是在一些重点院校中，大量的教育经费被分配到了实验室等教学环节，而对于与生产实际紧密联系的实践教学环节投入明显不足。

为了解决上述问题，本文提出理实一体化教学模式下的气动工程训练教学方式，以工程实训教学为背景，引入气动教学内容，改善传统的实训教学模式，对实训教学方案进行创新和改进。给学生提供充分的发挥空间，为培养具有创新意识和创新能力的工程技术人才提供技术支持和开展平台。

2 理实一体化气动工程训练教学内容的设计

传统的工程训练教学过程中，对气压传动等实用性强的新型实训内容并不重视，开展教学活动的高校十分少见，教学内容也并不规范。理实一体化气动工程训练教学内容在以往教学模式基础上进行改进，结合实践性教学环节中最有利于学生掌握教学内容要求的方式展开教学活动。

气动工程训练教学内容设计如下。

教学主题：气压传动工程实训的操作与设计。

教学目标：掌握气压传动基本物理知识；掌握气动控制元件的原理及特点；掌握连接简单气动回路的方法；掌握简单气动回路的设计方法。

教学情境：教师讲解为基本形式，讲解过程中穿插学生日常生活实际中常见的各类气压传动案例。

教学形式：归纳式、实践活动式等。

教学用具：气源装置、气缸、方向控制阀、节流阀，连接管若干。

教学步骤：1）通过讲解、示范演示的方式使学生了解气压传动的基本工作原理；2）指导学生自行连接压力控制回路、速度控制回路、往复动作回路、顺序动作回路、延时动作回路等气动基本回路；3）指导学生以二位五通手动换向阀的排气节流速度控制回路为基础，设计不同要求的气动控制回路。

教学课时：4课时/机械类，3课时/非机械类。

教学思路：通过讲解、操作等教学活动，学生可以理解各基本气动回路的工作原理。

教学流程如图1所示。教学过程中的主要内容可根据具体情况进行选择。例如，单作用气缸速度控制回路如图2所示；顺序动作回路如图3所示。

3 理实一体化气动工程训练的教学实例

本文以二位五通手动换向阀的排气节流速度控制回路及其等效回路的设计为例，采用理实一体化教学法，在工程实训过程中对学生进行基本工程训练。

所需元件：一个气缸、一个二位五通手动换向阀、两个节流阀、若干根连接管。

教师操作：连接系统。首先把二位五通手动换向阀的进气孔P接到气源上，二位五通手动换向阀上的出气孔A接到气缸的下端，另外一个出气孔B接到气缸的上端，排气孔O1、O2各接一个节流阀。回路连接结构如图4所示。

回路分析（讲解）：打开气源（压缩空气），看图中的原始状态是PB通，AO1通。即：压缩空气由P孔进入从B孔出来直接进入气缸的上端，活塞杆下降，下降的同时气缸里面活塞底部的气体由气缸下端的孔排出到二位五通手动换向阀的A孔，再然后到O1，调节O1侧的节流阀，控制气缸下端排出气体的量，排气的量直接影响气缸上端进气的量，从而就会看到气缸下降的速度发生变化，气缸运行速度的快慢取决于节流阀调节的大小。

教学互动：问答形式。让学生思考问题：如何实现气缸上升？

教师操作：换向，即动一动二位五通手动换向阀的小手柄。

现象分析：二位五通手动换向阀换向到了另一档位上，进气孔P不再和B通而是与A通（即PA，BO2）， 这时气源的气体（压缩空气）就进入到了气缸的下端，活塞杆上升，活塞上部的气体由气缸上端的孔排出到二位五通手动换向阀的另外一个出气孔B，再然后到O2。调节O2侧的节流阀，控制气缸上端排出气体的量，排气的量直接影响气缸下端进气的量，就会看到气缸上升的速度发生变化。

教学总结：此回路中气缸上升与下降的进气量没有受到任何元件的限制，气缸的运行无论是上升还是下降，之所以产生速度变化是原因气缸两个方向排出气体的量分别受到两个节流阀的限制，调节各节流阀气缸运行的速度随之发生变化——排气节流速度控制回路。

创新设计：给学生提供基本元件，按教师要求对气动回路进行设计。

1）设计要求：用二位四通手动换向阀代替二位五通手动换向阀。答案如图5所示。

教学总结：用二位四通手动换向阀代替二位五通手动换向阀同样可以做出排气节流速度控制回路。

思考题：二位四通手动换向阀做出的排气节流速度回路与用二位五通手动换向阀做排气节流速度回路的区别在哪里？

解答：显然用二位四通手动换向阀做出的排气节流速度回路气缸上升、下降的速度是一致的，因为二位四通手动换向阀只有一个排气孔。二位五通手动换向阀做的排气节流速度回路上升、下降的速度是不一致的，因为二位五通手动换向阀有O1、O2两个排气孔。

2）设计要求：用二位五通手动换向阀做出的排气节流速度回路达到二位四通手动换向阀做出的排气节流速度回路的效果。

方案1：把图4的O1、O2两侧的节流阀调等量。

方案2：在二位五通手动换向阀的O1、O2位置接一个三通，整个回路接一个节流阀，如图6所示。

4 理实一体化气动工程训练教学的预期效果

理实一体化气动工程训练教学的教学模式旨在使理论教学与实践教学相结合。密切结合教授与工程实践的合作，相互学习，共同提高。将实践教学同理论教学结合起来，让学生直接参与到生产实践中，在实践操作过程中带着设计目标，使学生真正理解理论知识，掌握气压传动的基本原理、工作过程等，增强学生的学习兴趣，使学生在学习、实践及总结的过程中提高能力，达到事半功倍的教学效果。通过教学互长的形式，积极互动，探讨创新，在教学中将理论与实践相结合，充分发掘学生的创新、研发能力，培养学生的分析问题、解决问题的综合能力，使课堂的教学质量和效率得到更大幅度的提高。

理实一体化气动工程训练教学成果应用到工程训练中心气动教学模块当中，计划开设两学时的实践/实验教学课程，每年可承担5000人次的教学任务。本教学模式的成果不但可以大大降低工程训练的教学成本，还增加了实训内容，扩充工程训练内容，达到较好的教学效果。

本设计成果可应用于机械、汽车、材料、交通、管理、通信、电子、仪电、生物与农业等学科本科生的工程实训教学环节。此外，本设计成果也可用于高等教育本科生教学阶段高年级学生的生产实习教学过程。

5 结论

提出一种新的理实一体化气动工程训练教学解决方案，培养学生的工程设计、创新等综合能力，提高工程训练教学质量。对原始的气动教学经过改革创新，结合教学实践，用教学的实际案例在气动工程训练教学中启发学生的开创性思维，调动学生的动手操作积极主动性，培养更多理论能力扎实、工程实践能力强的机电一体化复合型人才。

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