流體機械類課程實驗教學(xué)改革與實踐

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摘要：針對流體機械類課程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及問題，為增強學(xué)生的創(chuàng)新意識和自主創(chuàng)新能力，開展了改進教學(xué)模式、增設(shè)自主實驗設(shè)計，構(gòu)建開放性創(chuàng)新實驗平臺等實驗教學(xué)改革；并結(jié)合直接數(shù)值建模方法和主要零部件3D打印技術(shù)，構(gòu)建了可實現(xiàn)多種流體機械嚙合特性及工作機理測試的開放性實驗平臺?；趧?chuàng)新能力培養(yǎng)的流體機械類課程實驗教學(xué)改革可提升實驗教學(xué)效果，切實加強學(xué)生分析和解決過程裝備領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識和自主創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力；流體機械類課程；實驗教學(xué)改革；開放性實驗平臺

一、流體機械類課程實驗教學(xué)改革

過程裝備與控制工程專業(yè)開設(shè)的“過程流體機械”課程是支撐本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求的主體。實驗教學(xué)是該門課課程目標(biāo)達成及學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。但隨著工程教育認證及新工科建設(shè)工作的開展，目前實驗教學(xué)中存在的問題逐漸顯現(xiàn)。下面就具體問題展開分析并提出教學(xué)改革。

（一）實驗教學(xué)內(nèi)容及模式的優(yōu)化

隨著技術(shù)的進步，新型高效流體機械正越來越多地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。但反觀本專業(yè)流體機械類課程所開展的實驗教學(xué)的內(nèi)容還主要是離心泵、往復(fù)活塞式壓縮機和風(fēng)機的簡單工作性能測試實驗，內(nèi)容較陳舊[5]。很多石化行業(yè)應(yīng)用廣泛的螺桿壓縮機（泵）及轉(zhuǎn)子式壓縮機（泵）等新型高效流體機械沒有相應(yīng)的實驗裝置，導(dǎo)致人才培養(yǎng)與科技進步和現(xiàn)實行業(yè)脫節(jié)，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。鑒于此，在培養(yǎng)方案修訂過程中，將流體機械類課程的實驗獨立設(shè)置“專業(yè)實驗”課程，從課內(nèi)實驗變?yōu)楠毩⒄n程，增加了授課內(nèi)容和授課學(xué)時量。實驗類型也在原來的認知性實驗和驗證性實驗基礎(chǔ)上，增加了綜合性實驗、設(shè)計性實驗和研究創(chuàng)新性實驗等不同層次的實驗項目，為學(xué)生提供不同層次的鍛煉和提高，以培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計、實施和測試分析的能力，滿足學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，更好地實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)。另外，現(xiàn)有的實驗教學(xué)模式依舊采用傳統(tǒng)的講授法。這種被動式的知識傳授方式不能很好地激發(fā)學(xué)生的主動性和開拓創(chuàng)新能力。故在原來的講授式教學(xué)模式基礎(chǔ)上，增加了小組討論及實驗方案制定等環(huán)節(jié)。實際實驗教學(xué)過程中，要求學(xué)生通過實驗前的資料查閱、儀器設(shè)備預(yù)調(diào)確定多個實驗方案，然后通過小組討論確定最終的實驗方案，并按照選定的實驗方案進行實驗操作，每個學(xué)生必須獨立完成實驗。最后各小組再針對測得的數(shù)據(jù)進行討論和分析，得到相應(yīng)的規(guī)律和結(jié)論。這種啟發(fā)研討式教學(xué)方法增加學(xué)生的自主性和參與程度，有利于鍛煉學(xué)生從實驗角度研究自然規(guī)律或解決本專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題的能力，并形成良好的科學(xué)作風(fēng)和開拓創(chuàng)新能力。

（二）創(chuàng)新研究型實驗項目的豐富

實驗教學(xué)內(nèi)容及模式的優(yōu)化對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)還停留在實驗方案的設(shè)計和選取上，并不是本質(zhì)的創(chuàng)新。此外，流體機械類課程學(xué)習(xí)過程中引導(dǎo)學(xué)生提出了一系列創(chuàng)新設(shè)計思路，并由此延伸而申請了多個大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目“新型熱發(fā)動機三維設(shè)計與發(fā)電系統(tǒng)研究”等，參加了多個創(chuàng)新大賽“滾子葉片泵的三維設(shè)計與仿真”等，但是在項目和大賽的實施過程中，沒有開放性的實驗平臺作為支撐，導(dǎo)致學(xué)生的設(shè)計結(jié)果并不能得到良好的實驗驗證及優(yōu)化改進，不能很好地滿足學(xué)生開展研究創(chuàng)新性實驗的要求。為了支撐上述要求，切實提高學(xué)生的原始創(chuàng)新能力，在實際的教學(xué)活動中，要求流體機械類課程授課老師和實驗技術(shù)人員積極創(chuàng)造條件開放實驗室。一方面利用教師所承擔(dān)的科研項目及所搭建的科研實驗平臺，支持學(xué)生參加各種創(chuàng)新性比賽及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目；另一方面在實驗教學(xué)過程中需要構(gòu)建開放性實驗平臺，為學(xué)生開展創(chuàng)新性實驗研究提供平臺。為此，本文結(jié)合直接數(shù)值建模方法和主要零部件3D打印技術(shù)，構(gòu)建了可實現(xiàn)多種流體機械嚙合特性測試及工作機理驗證的開放性實驗平臺。

二、開放性實驗平臺方案設(shè)計與應(yīng)用

（一）開放性實驗平臺方案設(shè)計

流體機械類課程開放性實驗平臺的三維模型，主要包括空間軸系嚙合系統(tǒng)支撐平臺、三維嚙合副軸向精確定位支架、空間嚙合軸和其他功能組件?？臻g軸系嚙合系統(tǒng)支撐平臺是嚙合特性測試組件安裝的基礎(chǔ)，該支撐平臺在中心位置處設(shè)置帶有矩形凸起的橫向滑軌，兩側(cè)分別設(shè)計螺栓緊固槽。橫向滑軌主要用于固定中心轉(zhuǎn)子的軸向精確定位支架，并起到調(diào)整中心轉(zhuǎn)子支架軸向位置的功能。橫向滑軌兩側(cè)設(shè)置的六條帶有通槽的縱向滑軌主要用于滿足采用平面嚙合系統(tǒng)及空間嚙合系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)式流體機械從動轉(zhuǎn)子軸支架的導(dǎo)向和精確定位作用。中心轉(zhuǎn)子和平行軸從動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸均是水平布置，中心轉(zhuǎn)子軸支架的底端面開有矩形槽與橫向滑軌配合實現(xiàn)定向滑動，平行軸從動轉(zhuǎn)子軸支架結(jié)構(gòu)基本相同，只是將滑軌槽改為與支撐平臺縱向滑軌的導(dǎo)軌槽配合實現(xiàn)定向滑動的矩形導(dǎo)軌凸塊。這兩組水平軸的轉(zhuǎn)子軸支架底座均可通過其上開設(shè)的螺栓孔與螺栓緊固槽連接并實現(xiàn)緊固定位。另外，在轉(zhuǎn)子軸孔外側(cè)面均設(shè)計有帶有調(diào)節(jié)螺釘?shù)亩松w，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向位置的精確控制。垂直軸從動轉(zhuǎn)子軸支架主要包括轉(zhuǎn)子軸支架、上頂尖、下頂尖、端蓋和調(diào)節(jié)螺釘組成。轉(zhuǎn)子軸支架起到支撐從動轉(zhuǎn)子軸的作用，并通過上頂尖、下頂尖、端蓋和調(diào)節(jié)螺釘組成從動轉(zhuǎn)子軸的軸向調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

（二）開放性實驗平臺應(yīng)用

在流體機械類課程學(xué)習(xí)過程中，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，鼓勵學(xué)生針對不同類型流體機械提出一些創(chuàng)新性的設(shè)計，并根據(jù)這些創(chuàng)新性設(shè)計思路，延伸申請大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目，參加“大學(xué)生過程裝備實踐與創(chuàng)新大賽”等一系列的創(chuàng)新性大賽。在此過程中，學(xué)生需要根據(jù)流體機械類課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論知識，提出創(chuàng)新設(shè)計，并利用三維數(shù)值模擬和實驗的方法來驗證嚙合副型面的嚙合特性和創(chuàng)新性。本文所設(shè)計的開放式實驗平臺即可提供學(xué)生進行研究創(chuàng)新性實驗研究。學(xué)生自主設(shè)計的新型嚙合副型面可以利用直接數(shù)值建模方法和3D打印技術(shù)，構(gòu)建三維模型，并安裝在該開放性實驗平臺上，一方面可以結(jié)合三維數(shù)值模擬的計算結(jié)果來驗證創(chuàng)新性設(shè)計的正確性；另外一方面還可以直觀地觀察嚙合過程所存在的問題，并提出嚙合副型面的優(yōu)化設(shè)計方法?？蔀閷W(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目及各種類型的創(chuàng)新性大賽提供驗證性實驗平臺，對于促進學(xué)生自主創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)具有重要的作用。

三、結(jié)束語

本文分析了過程裝備與控制工程系流體機械類實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，針對目前實驗教學(xué)中存在的教學(xué)內(nèi)容及裝置陳舊，教學(xué)模式單一，實驗設(shè)備的開放性差等問題，提出了獨立設(shè)置“專業(yè)實驗”課程，增加學(xué)時、增設(shè)綜合性、設(shè)計性和研究創(chuàng)新性實驗等實驗教學(xué)的改進措施，針對可開展的創(chuàng)新研究型實驗項目欠缺的問題，提出利用科研試驗臺及構(gòu)建開放性創(chuàng)新實驗平臺的措施。并結(jié)合直接數(shù)值建模方法和主要零部件3D打印技術(shù)，構(gòu)建了可實現(xiàn)多種流體機械嚙合特性測試及工作機理驗證的開放性實驗平臺。最終形成了基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實驗教學(xué)模式，切實加強了學(xué)生分析和解決過程裝備領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，提高了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

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作者：王增麗 王皓 李強 王君 單位：中國石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院