1. 引言
随着计算机技术的快速发展，虚拟仿真技术应运而生，它是采用虚拟的计算机技术对真实系统的一种仿真技术。随着虚拟仿真技术的成熟发展，其在教育领域也逐渐得到应用，为学校教育提供了一个实用的教学手段。
虚拟仿真技术给高校带来了翻天覆地的升级，使得教学效果更佳，在国内外应用广泛。在国外，虚拟仿真技术较早地开始应用，英国Open University的开放科学实验室 [1] 、美国斯坦福大学、美国耶鲁大学、印度甘露大学 [2] 等高校都根据学科需求应用了虚拟仿真技术进行教学。雷德兰兹大学利用便携式计算机替代实验仪器和设备展开实验教学。亚利桑那州立大学也采用平板电脑等智能设备进行实践教学。在中国，越来越多的高校基于虚拟仿真技术建立相关的课程教学。广西大学王晟强等人 [3] 将虚拟仿真技术应用于气象学教学中，将气象要素、大气水分变化、气象灾害防御等进行了虚拟仿真教学。河海大学张鹏辉等人 [4] 在海洋科学类实践教学中实现了虚拟仿真教学，使学生更加直观地了解海洋科学。广西医科大学黄向阳等人 [5] 在医学影像教学中也展开了虚拟仿真技术的应用研究，激发学生的学习兴趣。西北政法大学刘言 [6] 建设了心理学虚拟仿真实验教学平台，丰富了心理学教学方式。东华大学朱明等人 [7] 对计算机网络课程进行了虚拟仿真教学的改革研究。对比国内外虚拟仿真技术的应用和发展，国外的技术发展较为成熟。虽然我国起步较晚，但我国对此技术尤为重视，因此其发展较为迅速，并且可以借鉴国外的发展，少走弯路。
2. 虚拟仿真技术在液压控制系统中的应用
2.1. 液压控制系统课程概述
液压控制系统课程在流体传动与控制领域内是一门经典的基础课程，课程包括液压放大元件、液压动力元件、机液伺服系统、电液伺服阀、电液伺服系统、液压伺服系统设计等内容，是液压、自动控制以及嵌入式计算机技术的综合课程。随着工业技术的快速发展，液压伺服控制得到了迅猛发展，在航空工业、国防工业和一般工业领域都得到了广泛应用。液压控制系统课程作为基础课程，随着技术的发展，也要采用新技术以提高授课效率，使得学生能够更快地吸收知识，因此将虚拟仿真技术引入到液压控制系统课程的教学当中，根据高校授课实际情况，构建出课程知识的应用情境，探索可行的虚拟仿真教学方案是非常重要的。
2.2. 虚拟仿真技术在教学中的应用
1) 围绕学生，以学生为主体，通过问卷调查或者与学生对话的方式对课程进行分析与探究，进而掌握学生在液压控制领域内的知识分布情况。同时，分析课程所涉及的企业需求，从而联系实际，对教学内容与方法进行改革。
2) 积极探索基于虚拟仿真技术的教学模式。将液压控制系统中的知识点进行分类，构建出重要知识点的情境，通过调查分析，构建出所涉及知识点的虚拟仿真软件，并且应用到教学过程中。
3) 教师和学生相互沟通，基于虚拟仿真教学平台，创造良好的教学环境和氛围。教学过程中，教师结合课程内容和目标，完善虚拟仿真教学平台软件。
此外，学生是课堂的主体，在教学过程中，除了利用好虚拟仿真教学平台外，还应关注学生的教学效果和知识诉求，根据学生的反馈不断改进教学方法。虚拟仿真教学具体实施流程如图1所示。
Figure 1. Implementation process of virtual simulation teaching
图1. 虚拟仿真教学实施流程
图1中，虚拟仿真教学在实施中，以教学目标为出发点，引入虚拟仿真技术，构建虚拟仿真教学平台，平台内以《液压控制系统》课程的教学资源为主，教学时采用虚拟仿真教学平台，通过设计教学内容，使学生更加直观地了解并掌握课程的重难点知识。
3. 液压控制系统虚拟仿真教学平台构建
《液压控制系统》是一门以理论为基础的课程，描述了液压系统数学模型，课程重难点深奥，因此基于虚拟仿真技术搭建虚拟仿真教学平台，一方面培养学生初步的液压控制系统实验仿真技能，启发学生对液压控制系统的兴趣，使学生能够知道液压控制系统元件或者方案适合何种场合，另一方面培养学生知识创新和技术创新能力。通过建立起虚拟仿真教学平台，使学生也能够进一步掌握《液压控制系统》课程中的重要知识点：滑阀静态特性分析、阀控液压缸系统、机液位置伺服系统以及电液伺服系统。
3.1. 建立液压系统虚拟仿真实验平台的三维模型
针对《液压控制系统》课程，为实现虚拟仿真教学，需要建立虚拟仿真实验平台的可视化，为此首先需要搭建起课程资料的可视化模型，需要建立的仿真实验平台三维模型内容包括：
1) 常见的液压元件：定压阀、减压阀、溢流阀、电液伺服阀、液压缸；
2) 传统的液压回路：液压换向回路、液压调速回路；
3) 典型的电液伺服系统：机液伺服系统、比例伺服系统、压力伺服系统；
4) 液压能源系统：液压泵站；
5) 过滤器、液压管道等液压辅助元件。
3.2. 建立液压控制系统的仿真模型
建立的三维模型使得学生能够直观地了解液压控制系统，为进一步了解电液阀或者电液伺服系统的静动态特性，则要利用液压控制领域的软件进行仿真，通常采用AMESim平台。在AMESim平台中建立液压控制系统课程中各个知识点的仿真模型，从而形成模型库。模型库模块是虚拟仿真平台建立的基础，是底层数据的收集和整理，这部分工作最为复杂和关键。
对液压动力元件的结构要进行分析，以获取设计液压动力元件的关键结构参数，这个过程是参数设置中的关键。参数设置是将输入数据同仿真模型中的参数设置的接口，在建立了电液伺服系统的仿真模型后，以液压动力元件的关键结构参数设置为仿真模型的关键变量，这些关键变量为虚拟仿真平台数据接口所需的重要参数。
3.3. 建立液压控制系统虚拟仿真平台
在三维模型及仿真模型建立完成基础上，需要将三维模型和仿真模型进行融合，使得学生对液压控制系统的知识点有更加清晰的理解，同时培养学生的实践认知能力。本文利用Python建立起虚拟仿真平台，Python是一门近年来应用较为广泛的语言，并且不受操作系统的约束。AMESim将完整的Python软件嵌入到平台中，不仅可以采用脚本命令的形式进行批处理认为，或者对结果进行后处理，而且可以用于二次开发，开发出完整的应用程序。
液压控制系统虚拟仿真平台开发采用模块化程序设计，通过模块划分，各个模块既独立自主又相互联系，程序的功能框架如图2所示。
Figure 2. Functional framework of virtual simulation platform program
图2. 虚拟仿真平台程序的功能框架
虚拟仿真平台的设计程序整体包括四个模块：模型库模块、参数设置模块、运行计算模块以及数据处理模块。模型库模板可以导入多种类型的换挡缓冲阀，主要包括液压动力元件和电液伺服系统；参数设置模块是对导入的AMESim模型的仿真参数进行设置；运行计算模块是调用函数对模型进行计算，并保存计算后的数据；系统实际数据导入模块是能够导入对应模型的实验数据，包括了元件和液压系统的实际数据；数据处理模块是处理计算后的结果，并且能够将仿真数据和实验数据对比，并输出对比报告。
参数设置模块是本虚拟仿真平台程序中人机交互的重要模块之一，它是将输入数据同仿真模型中的参数设置的接口，在建立了液压控制系统的AMESim模型后，以液压动力元件的关键结构参数设置为仿真模型的关键变量，这些关键变量需要设置为全局变量，用python编程时可以将全局变量保存在字典中。
4. 结论
液压控制系统课程是机械电子工程专业中的一门基础课程，它不但是液压技术的一个重要分支，也是控制领域中的一个重要组成部分。将虚拟仿真技术引入高等教育教学中，能够实现教学方式的多样化，丰富课程的教学内容。本文基于虚拟仿真技术构建液压控制系统教学资源，将液压控制系统课程知识点转化为可操作、可视化的虚拟仿真教学。教师在教学中，以教学目标为主线，基于虚拟仿真教学平台，设计好教学内容。在虚拟仿真平台中导入实际液压元件和系统的实验数据，与仿真数据对比，并输出对比报告，从而达到理论与实践相结合的教学效果，培养学生在此课程中的实践能力和自主学习能力。
基金项目
本文研究受江西理工大学教学改革研究课题(XJG-2020-59)资助。
NOTES
*通讯作者。