1、1962023 年 4 月下Agricultural Mechanization Synthetic Study农机化综合研究“流体力学与液压气动技术”课程改革与实践*张广成，沈伟（上海理工大学机械工程学院，上海 200093）摘要：【目的】“流体力学与液压气动技术”是机械类专业的基础课程，机电专业的学生在学好这门学科理论知识的同时，要结合实践达到完全掌握的目的。【方法】课题组提出了线上理论教学与虚拟实验融合的一体化教学方式，分析了用仿真实验代替线下实验可解决线下实验难的问题，并结合实际工程案例，以多路阀液压系统为背景，通过虚拟仿真实例，使学生在线上学习的情况下，能够将理论知识运用到虚拟仿真实
2、验中，弥补线下实验的空白；同时建议在课程中融入思政教育，引导学生树立正确的人生观和价值观，以实现思政教育和专业教学内容的有效衔接。【结果】依托网络教学平台实现理论与实验混合式教学，虚拟仿真实验与理论知识相结合，可实现“虚实虚”的良好循环，有效解决了课程学时不足、实验条件不够、理论内容枯燥等问题，同时通过软件仿真可使学生充分理解理论知识并掌握相关仿真软件，拓展学生专业知识，为学生就业奠定坚实的基础。关键词：“流体力学与液压气动技术”；教学方法；融合教学；多路阀中图分类号：G642.0 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.059Reform a
3、nd Practice of“Fluid Mechanics and Hydraulic Pneumatic Technology”Courses*Zhang Guangcheng,Shen Wei(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093)Abstract：Objective“Fluid Mechanics and Hydraulic Pneumatic Technology”is a basic course for mechanica
4、l majors.Students of mechanical and electrical majors should fully grasp the theoretical knowledge of this subject while combining with practice.Method The research group put forward an integrated teaching method of online theoretical teaching and virtual experiment,analyzed that replacing offline e
5、xperiment with simulation experiment can solve the problem of offline experiment difficulty,and combined with practical engineering cases,taking the hydraulic system of multiple valves as the background,through virtual simulation examples,students can apply theoretical knowledge to virtual simulatio
6、n experiment and make up for the blank of offline experiment when learning online;At the same time,it is suggested that ideological and political education should be integrated into the curriculum to guide students to establish correct outlook on life and values,so as to realize the effective connec
7、tion between ideological and political education and professional teaching content.Result Relying on the network teaching platform to realize the mixed teaching of theory and experiment,the combination of virtual simulation experiment and theoretical knowledge can achieve a good cycle of“virtual-rea
8、l-virtual”,effectively solving the problems of insufficient course hours,insufficient experimental conditions,and boring theoretical content.At the same time,through software simulation,students can fully understand theoretical knowledge and master relevant simulation software,expand their professio
9、nal knowledge,and lay a solid foundation for students employment.Keywords:“Fluid Mechanics and Hydraulic Pneumatic Technology”;teaching methods;integrated teaching;multiway valve“流体力学与液压气动技术”是机电类专业一门重要的专业课程，在机电类专业培养计划中占有非常重要的地位，学生不仅要学习课程的理论知识，还要将理论与实践相结合，并融合思政教育，通过实验更好地理解并运用理论知识。为让学生更好地掌握本课程的内容，提高学生
10、的操作实践技能，课题组利用项目式教学、信息化手段、虚拟仿真软件、AR技术等，开展线上理论教学与虚拟实验融合的一体化教学，通过虚拟实验来弥补线下实验的不足。在教学方式改革上，陈宏胜等探讨了智慧课堂在教学过程的应用1，王昊等对“液压传动技术”课程进行线上线下混合式教学改革2，肖能齐等将“讲、练、演”教学改革运用到课程教学过程中3。近年来，线上教学成了一种新型教学手段，然而线上教学加大了实践教学的难度，通过线上虚拟仿真技术在一定程度上能够弥补线下实验的不足。课题组以多路阀液压系统作为背景，利用线上软件仿真分析代替线下实验，通过Amesim和Fluent仿真软件对多路阀的性能进行仿真分析，从而基金项目
11、：上海理工大学“2023年度教师发展研究项目”（CFTD2023YB18）；上海市自然科学基金（19ZR1435400）作者简介：张广成（1989），男，江苏南京人，博士研究生，副教授，研究方向为液压节能技术。2023 年 4 月下197Agricultural Mechanization Synthetic Study农机化综合研究达到理论实践一体化教学效果，让学生更好地理解掌握液压知识；同时考虑思政教学目标，将思政教学融入理论教学和虚拟实验教学中，将价值引领、知识传授和实践能力培养相结合。1 线上虚拟实验案例1.1 液压气动技术虚拟实验分析线上虚拟实验的目的是弥补线下实验教学效果的不足，让
12、学生通过线上虚拟仿真软件进行仿真分析，将所学的理论知识运用到线上虚拟仿真实验中，在一定程度上达到线下实验的实践效果。在进行虚拟仿真前，选择专业的仿真软件非常重要。Amesim作为液压领域相对权威的仿真软件，是一款复杂的系统建模仿真平台，涵盖多学科，它的应用库经过标准化处理，各部分也得到相应的优化。在“液压与气压传动”课程中会应用到机械库、液压库、信号控制库、液压元件设计库（HCD）等，其操作相对简单，找到所需的各个元件并将它们按规则连接起来即可，对所建模型进行适当调参后，可以得到相应的仿真计算结果，从而进行更深入的研究分析，也可以借助该平台研究其他任何元件或系统的稳态和动态性能。该软件操作便捷
13、，仿真计算的结果能得到相关曲线，学生能够得到更加直观的反馈。行走工程机械是工程机械的重要品种之一，被广泛应用于国家基础设施建设、水利工程建设、建筑工程等领域中。在行走工程机械中，多路阀是其核心组成部分，为液压系统的重要控制元件，通常以多个换向阀为主体，可集中控制多个执行元件的动作，具有结构紧凑、压力损失小、寿命长、操作简单等优点。在工程机械领域中，大部分换向控制都依靠多路阀实现，其中以电液比例多路阀最为常用。利用Amesim仿真软件对多路阀模型进行搭建并预制相关故障，可通过总结相关仿真数据，使学生掌握多路阀系统中各个元件的负载特性及各个液压回路的相关功能。针对实际工程案例，结合理论背景知识，引
14、入基本的动力元件液压泵和执行元件，课程实践中涉及负载敏感泵、压力补偿器、主阀、溢流阀、节流阀、调速阀等常用液压元件，最终按照原理搭建出多路阀液压系统的基本回路。要完成所设定的教学任务，学生必须对每一个元件、多路阀系统中每一个液压回路都能掌握。1.2 流体力学虚拟实验分析在流体力学中，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）以计算数学和理论流体力学为基础，它主要是通过计算机描述现实中流体流动、传热、组分传输等，并模拟出相应的流动过程，从而得到流体在特定时间、地点等条件下的即时信息。它的主要优点是费用低、效率高，对于设备资金投入多、实验周期长、实施比较难
15、的研究，CFD的优势更加突出4-5。因此，有针对性地将工程研究和CFD结合，可以对工程设计进行优化，减轻试验的负担。目前，CFD 技术一直在稳定发展并日益走向成熟，基本涵盖了流体机械领域。通过CFD技术，可以得到结构内所有区域的流体信息，如速度、压力、能量损失、压力脉动等，对流体机械结构的设计和优化有着重要的影响。Fluent仿真软件是CFD的主要求解器。Fluent求解器经过长时间发展已经成熟，具有完善的人机交互界面，采用优先体积法求解N-S方程组，拥有两种求解器，分别是“耦合”和“分散”，能够很好地求解层流、湍流、燃烧等问题。在后处理方面，处理后的结果可以应用压力轮廓图、速度流线图、流场中
16、的云图进行可视化，也可以设置力、流量监测器以及不同的求解平面，并且可以生成文字性的报告。转捩作为流体中一种常见的现象，即指从层流到湍流的过渡。转捩点的计算和预估是流体仿真中的关键部分。使用Fluent软件对多路阀中的流体进行分析，在掌握了流体流动的质量守恒、动量守恒和能量守恒三大物理守恒定律后，可依据这三大定律分析多路阀中的力学特性。首先进行阀芯节流槽过流面积解析，得到各节流槽过流面积，然后在不同工况下对多路阀进行流固热耦合数值模拟仿真，分析不同工况下多路阀流场内流体速度、压力分布、节流温升、气穴气蚀以及阀芯变形的情况。“流体力学与液压气动技术”课程结合实际工程案例，以多路阀液压系统为背景，以线上的形式进行理论教学与虚拟仿真实验，向学生展示液压系统的搭建过程，通过仿真软件演示相关流体和液压系统的变化规律，使学生们即使在线上学习也能够通过仿真软件进行虚拟实验，可以灵活运用理论知识，更加深入地理解液压的基本原理，同时为学生们将来的实践奠定坚实的基础。2 线上理论教学和虚拟实验融合思政教育的意义由于线上教学具有灵活性，在进行线上理论授1982023 年 4 月下Agricultural Me