流體機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

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摘要：針對(duì)流體機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及問題，為增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和自主創(chuàng)新能力，開展了改進(jìn)教學(xué)模式、增設(shè)自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，構(gòu)建開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)多種流體機(jī)械嚙合特性及工作機(jī)理測(cè)試的開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?；趧?chuàng)新能力培養(yǎng)的流體機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革可提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，切實(shí)加強(qiáng)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(shí)和自主創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力；流體機(jī)械類課程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

一、流體機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)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(jī)械”課程是支撐本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求的主體。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該門課課程目標(biāo)達(dá)成及學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。但隨著工程教育認(rèn)證及新工科建設(shè)工作的開展，目前實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及模式的優(yōu)化

隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型高效流體機(jī)械正越來越多地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。但反觀本專業(yè)流體機(jī)械類課程所開展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容還主要是離心泵、往復(fù)活塞式壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的簡(jiǎn)單工作性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，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(jī)（泵）及轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)（泵）等新型高效流體機(jī)械沒有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，導(dǎo)致人才培養(yǎng)與科技進(jìn)步和現(xiàn)實(shí)行業(yè)脫節(jié)，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。鑒于此，在培養(yǎng)方案修訂過程中，將流體機(jī)械類課程的實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)置“專業(yè)實(shí)驗(yàn)”課程，從課內(nèi)實(shí)驗(yàn)變?yōu)楠?dú)立課程，增加了授課內(nèi)容和授課學(xué)時(shí)量。實(shí)驗(yàn)類型也在原來的認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等不同層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施和測(cè)試分析的能力，滿足學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，更好地實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)。另外，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式依舊采用傳統(tǒng)的講授法。這種被動(dòng)式的知識(shí)傳授方式不能很好地激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)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(shí)驗(yàn)方案制定等環(huán)節(jié)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)前的資料查閱、儀器設(shè)備預(yù)調(diào)確定多個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，然后通過小組討論確定最終的實(shí)驗(yàn)方案，并按照選定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，每個(gè)學(xué)生必須獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。最后各小組再針對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的豐富

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及模式的優(yōu)化對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)還停留在實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和選取上，并不是本質(zhì)的創(chuàng)新。此外，流體機(jī)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(jì)思路，并由此延伸而申請(qǐng)了多個(gè)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“新型熱發(fā)動(dòng)機(jī)三維設(shè)計(jì)與發(fā)電系統(tǒng)研究”等，參加了多個(gè)創(chuàng)新大賽“滾子葉片泵的三維設(shè)計(jì)與仿真”等，但是在項(xiàng)目和大賽的實(shí)施過程中，沒有開放性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為支撐，導(dǎo)致學(xué)生的設(shè)計(jì)結(jié)果并不能得到良好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及優(yōu)化改進(jìn)，不能很好地滿足學(xué)生開展研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的要求。為了支撐上述要求，切實(shí)提高學(xué)生的原始創(chuàng)新能力，在實(shí)際的教學(xué)活動(dòng)中，要求流體機(jī)械類課程授課老師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員積極創(chuàng)造條件開放實(shí)驗(yàn)室。一方面利用教師所承擔(dān)的科研項(xiàng)目及所搭建的科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(xiàng)目；另一方面在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中需要構(gòu)建開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為學(xué)生開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究提供平臺(tái)。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(shí)現(xiàn)多種流體機(jī)械嚙合特性測(cè)試及工作機(jī)理驗(yàn)證的開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

二、開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（一）開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

流體機(jī)械類課程開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的三維模型，主要包括空間軸系嚙合系統(tǒng)支撐平臺(tái)、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。空間軸系嚙合系統(tǒng)支撐平臺(tái)是嚙合特性測(cè)試組件安裝的基礎(chǔ)，該支撐平臺(tái)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(jì)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(jī)械從動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)定向滑動(dòng)，平行軸從動(dòng)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(tái)縱向滑軌的導(dǎo)軌槽配合實(shí)現(xiàn)定向滑動(dòng)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(shí)現(xiàn)緊固定位。另外，在轉(zhuǎn)子軸孔外側(cè)面均設(shè)計(jì)有帶有調(diào)節(jié)螺釘?shù)亩松w，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向位置的精確控制。垂直軸從動(dòng)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(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)子軸的軸向調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

（二）開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用

在流體機(jī)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(lì)學(xué)生針對(duì)不同類型流體機(jī)械提出一些創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，并根據(jù)這些創(chuàng)新性設(shè)計(jì)思路，延伸申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，參加“大學(xué)生過程裝備實(shí)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(jī)械類課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并利用三維數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法來驗(yàn)證嚙合副型面的嚙合特性和創(chuàng)新性。本文所設(shè)計(jì)的開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)即可提供學(xué)生進(jìn)行研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究。學(xué)生自主設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，一方面可以結(jié)合三維數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果來驗(yàn)證創(chuàng)新性設(shè)計(jì)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(jì)方法。可為學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目及各種類型的創(chuàng)新性大賽提供驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)于促進(jìn)學(xué)生自主創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有重要的作用。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文分析了過程裝備與控制工程系流體機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備的開放性差等問題，提出了獨(dú)立設(shè)置“專業(yè)實(shí)驗(yàn)”課程，增加學(xué)時(shí)、增設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性和研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)措施，針對(duì)可開展的創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目欠缺的問題，提出利用科研試驗(yàn)臺(tái)及構(gòu)建開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)多種流體機(jī)械嚙合特性測(cè)試及工作機(jī)理驗(yàn)證的開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。最終形成了基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，切實(shí)加強(qiáng)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(qiáng) 王君 單位：中國(guó)石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院