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摘 要：现有液压实验教学存在教学效率低、教学内容少且不能实现教学资源共享等问题。基于此，本文提出一种虚实结合的液压教学实验平台。一方面，该实验平台综合了液压、电气、测控等接近 20 个实验教学内容，可以将学生向机电液一体化的复合型人才方向培养；另一方面，学生可以通过网络登录虚拟实验室网站对实验设备进行模拟操作并观察实验过程。此外，该平台可以实现教学资源的在线开放与共享，提升“新工科”背景下液压实验教学的内涵建设并为相关工科专业液压实验教学提供一定参考。
关键词：虚实结合；液压；实验教学
本文引用格式： 王伟平，杜文芳，周连佺， 等 . 虚实结合的液压实验教学研究与探索 [J]. 教育现代化 ,2021,8(39):25-28.
research and Exploration of Hydraulic Experiment Teaching based on the Combination of Virtual and real
WANG Weiping，DU Wenfang，ZHOU Lianquan，LIU Wenyi，ZHANG Jialu（College of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangsu Normal University，Xuzhou Jiangsu）
Abstract: The existing hydraulic experiment teaching has some problems, such as low teaching efficiency, less teaching content and unable to realize the sharing of teaching resources. Based on this, this paper proposes a hydraulic teaching experimental platform which combines virtual with real. On the one hand, the experimental platform integrates nearly 20 experimental teaching contents, such as hydraulic, electrical, measurement and control, etc., which can cultivate students in the direction of electromechanical and hydraulic integration; On the other hand, students can log in the virtual laboratory website through the network to simulate the operation of the experimental equipment and observe the experimental process. In addition, the platform can realize the online opening and sharing of teaching resources, enhance the connotation construction of hydraulic experiment teaching under the background of "new engineering", and provide some reference for hydraulic experiment teaching of related engineering majors.
Keywords: combination of deficiency and excess; hydraulic pressure; experimental teaching
一 引言
在当前“新工科”背景下，社会对本科高校的教育教学水平提出了更高要求 [1-2]。新的实验教学理念与实践是目前亟需探索的一个方向。在高校实验教学领域，液压与气压传动实验是工科院校机电专业必修课程，而液压实验台是向学生直观展示流体传动原理从而构建知识体系的最主要的设备 [3-4]。然而目前传统的液压实验教学中存在以下突出问题。
（1）存在一定教学隐患
目前传统的液压实验教学仍为线下教学，然而受疫情等不可抗力因素影响并考虑到课堂管理的问题，实验教学应尽量避免学生的大范围聚集尤其是实验设备较少时。从实验室安全的角度考量，由于液压实验台同时涉及强电和弱电并且某些液压系统压力较高。当学生没有按照规定操作时，往往存在一定的安全隐患 [5]。
（2）教学内容偏少
现有的液压教学实验平台往往可以完成的实验内容较少，缺乏对多种液压回路尤其是比例控制回路的模拟教学，已经不能满足教学与实际应用的需要 [6]。此外，现有的教学实验平台通常只适合进行液压系统的教学，而其中涉及到的自动控制、电气自动化、电子技术、传感器原理、计算机软件等方面的内容往往无法向学生进行展示和教学，难以把学生培养成机电液一体化的复合型人才。
（3）难以达到预期教学效果
一方面，在实际实验教学中，实验教师往往承担一个班甚至多个班的教学任务。即使采取分组教学的方式，仍然避免不了教学效果有所降低的问题。另一方面，当单次教学中学生过多时，将导致学生无法掌握实验的完整内容且不能从多个角度观察实验过程及结果。因此，采取一种行之有效的实验教学方法提高教学效果势在必行 [7]。
（4）教学效率较低
液压教学实验平台涉及机械、液压、电气、测控等诸多环节，体积较大且其价格与其他实验设备相比较为昂贵。受设备数量的限制，单次教学中每台机器对应学生数为 5-8 人。如果想要较为全面且牢固地掌握平台中所包含的液压系统原理、传感器测试原理以及电气元件原理等，则需要每个学生单独动手操作、拆卸及编程，而不仅仅为观摩实验。因此，根据以往实际教学经验，如果要达到良好的教学效果，实训时间平均 6 小时 / 次。
基于以上分析，本文提出并设计了一种虚实结合的液压教学实验平台。学生可以在合适的时间和地点利用模拟控制实验设备从而完成实验任务。该实验平台可开展近 20 项液压方面实验内容并可进行测控及软件编程实验，拓展了液压实验教学的广度和深度、延伸了实验教学的时间和空间。此外，这种液压教学实验平台能够解决设备以及实验教师不足的问题，还可以为有相同教学要求的高校提供实验教学服务从而实现资源共享。
二 虚实结合的液压教学实验平台架构
虚实结合的液压教学实验平台采用 B/S 架构， 即采用浏览器和服务器组成整体框架，如图 1 所示。
主机与服务器之间的数据交换采用串口通信实现， 可以对采集的数据进行显示、存储并生成报表等多种操作。网络通信采用 DataSocket 技术而远程网页访问采用 NI 的 Web 发布工具。学生可以在诸如图书馆、宿舍等地点通过网络登录虚拟实验室网站而不需要在电脑上下载客户端。虚拟实验室网站采用HTTPS 协议，通过传输加密和身份认证保证了传输过程的安全性，如图 2 所示。
学生通过点击虚拟实验界面的操作按钮即可模拟控制实验室设备。此外， 虚拟实验室的仿真软件具备二次开发功能，学生可以通过编程开发需要的测试及显示模块从而获得和实际实验相同的体验。
三 液压综合教学实验台总体方案
当前我国不同高校以及东西部地区存在教育资源不合理及不均匀现象。在“一带一路”倡议的推动下，建设具有资源共享性、综合性的虚实结合的实验平台具有其现实意义，也为高校培养复合型、创新型人才提供驱动力 [8-11]。本文所提出的液压教学综合实验平台是在此背景下将学科专业与信息技术进行深度融合的具体实践，其内容不仅仅涉及液压方面，也可同时进行相应的电气控制培训、测控原理及编程教学等 [12]。
（一） 流体传动与控制实验教学部分
实际实验室中的液压实验台如图 3 所示，其可满足接近 20 项的液压教学实验。
液压系统及测控原理如图 4 所示，其主要由以下部分组成：两个液压泵、比例调速阀、位移传感器、液压缸、减压阀、接近开关、顺序阀、比例溢流阀、压力继电器及压力表。学生可以通过虚拟实验室软件界面模拟控制液压阀的信号并获取相应的执行器虚拟的位移及压力信号。
（二） 电气控制系统实验教学部分
电气控制系统如图 5 所示，其由电机启停电路、手动自动转换电路、智能数显仪表电路、直流电源、比例阀调节电路和放大电路、电磁换向阀驱动电路、开关、指示灯等组成。
（三） 测控系统实验教学部分
图 6 是测控系统界面。由于传感器输出的是4~20mA 的电流信号，因此需要通过信号调理模块将其转换为 2~10V 的电压信号。信号由低通滤波器去除传感器噪声后通过 USB 数据采集模块输入电脑。当执行器碰到接近开关后，其信号将触发 DI 中断。
系统经过判断后将输出 DO 指令通过中间继电器驱动控制阀换向从而令执行器向相反方向运动。软件界面和控制程序采用 Visual C#.NET2010 编写，其具有标准 Windows 界面，拥有多线程、多任务的操作环境， 模块化设计方式。AI 和 AD 的响应和采集使用线程中断方式。学生可以进行进一步地编程开发，实现新的显示或测控需要。此外，学生可以得到执行器的压力、轨迹等相应曲线并可以生成 excel 文件。
四 结 语
本文介绍了一种虚实结合的液压教学实验平台。该平台具有以下优势：
1.该实验平台可开展液压、电气、测控等近 20 种实验。通过该实验平台可让学生掌握多种液压系统的基本原理，多种液压元件及电气元件的功能和性能并具有初步的编程能力。
2.学生可以在合适的地点及时间通过网页登录的形式在虚拟实验室网站进行模拟操作，提高了实验教学的效率及效果并在一定程度上避免了实际实验操作中对学生可能产生的安全隐患。
3.由于不同地区、不同高校之间的教育资源存在差异性。这种实验教学可以实现教学资源的共享， 提升整体教育水平，为液压实验教学提供一种新的思路与实践。
参考文献
[1]封彦 , 张振方 , 万明 . 新工科背景下地方本科高校在线开放课程的建设思路与应用探索 [J]. 高教学刊 , 2020(30):13-15.
[2]刘春来 , 丁祥海 , 阮渊鹏 . 新工科背景下数字化工程管理人才培养模式探索与实践 [J]. 高等工程教育研究 ,2020(5):49-54.
[3]陈敏捷 , 羊荣金 , 沈孟锋 . 虚拟现实技术在液压传动实验教学中的应用研究 [J]. 实验技术与管理 ,2018, 35(4):136-139.
[4]赵孟文 , 樊泽明 , 王瑞峰 . 基于互联网的液压元件理论与实验同步教学系统设计 [J]. 液压气动与密封 , 2020, 48(2): 106-113.
[5]李玲玲 , 徐广普 , 姚瑶 , 等 . 溢流阀性能实验液压教学实验台的故障分析与改进 [J]. 液压气动与密封 ,2019,(6):80-84.
[6]周连佺 , 鹿洪禹 , 笪炎炎 . 计算机自动控制液压综合实验台的研制 [J]. 液压气动与密封 , 2013,(7):22-25.
[7]时连军 , 李新平 , 周虹 . 改进液压实验台提高实验教学水平 [J]. 实验室研究与探索 ,2000(3):96-97.
[8]纪艺娟 , 高凤强 , 郭一晶 , 等 . 基于 LabVIEW 和 USRP 的通信原理虚实结合实验平台设计 [J]. 实验技术与管理，2019, 36 (3):155-158.
[9]陈真 , 戴永寿 . 基于虚实结合实践平台构建面向创新能力培养的实验教学模式 [J]. 实验技术与管理 , 2020,37 (9):223-225.
[10]钟凌云 , 叶耀辉 , 杨明 , 等 . 虚实结合的层次化中药炮制学实验教学改革探索 [J]. 实验室研究与探索 , 2020,39(6):180-184.
[11]王永慧 , 程知群 , 马学条 , 等 . 电子信息类专业虚实结合实验教学项目建设与实践 [J]. 实验室技术与管理 , 2019,36(6):184- 188.
[12]陈远玲 , 李中山 , 黄炳琼 , 等 . 基于 LabVIEW 的组合式液压实验台通用测试平台 [J]. 实验室研究与探索，2008(7):72-74.
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