流體機械類課程研究型實驗教學方法探索與實踐

王 君， 孫卓輝

(中國石油大學(華東) 化學工程學院，山東 青島 266580)

流體機械類課程研究型實驗教學方法探索與實踐

王 君， 孫卓輝

(中國石油大學(華東) 化學工程學院，山東 青島 266580)

流體機械具有種類多樣、結構復雜和介質高危等特點，流體機械類課程是工科院校的重要課程。分析了現有有關流體機械實驗教學中存在的不足，提出設計研究型實驗教學方法；根據所設定的綜合性實驗任務，學生通過研究型學習自行設計實驗方案，經過比較討論使之完善，根據實驗室條件確定最終可行的實驗方案；搭建并組裝實驗設備，完成實驗教學。結合3D打印、虛擬仿真、工作過程模擬，提出一種基于仿真模擬的研究型實驗教學方法；闡明了這種實驗教學方法的實施步驟。介紹了對指導教師、實驗室條件和管理方面的要求。該實驗教學方法有助于提高學生的創新能力和解決實際問題能力。

研究型學習； 實驗教學方法； 流體機械； 3D打印； 虛擬仿真； 實驗室建設

0 引 言

流體機械種類繁多、原理各異、工況條件千差萬別，包括：各種液體泵、氣體壓縮機、氣液混輸泵，如離心泵、往復壓縮機、雙螺桿混輸泵等，是石油化工生產過程中的不可或缺的重要設備，其功能是實現與流體之間的能量轉換，對流體進行增壓輸送；其工作環境大多數情況是在高溫高壓下，且介質易燃易爆，具有腐蝕性和高危險性；同時其內部工作過程具有不可視、不可及等特點。

有關流體機械方面的課程，如“過程流體機械”“泵與壓縮機”“泵與風機”等，具有應用性強、實踐性強、內容覆蓋面寬等特點[1-2]，覆蓋較多的專業，如：過程裝備與控制工程、油氣儲運工程、熱能工程、石油工程等，是其核心專業課或專業基礎課；其培養目標是使學生掌握多種流體機械的結構形式、工作原理、性能特點和工程應用；所培養的學生能夠從事各種類型流體機械的操作管理、使用選型、維修維護、設計改造和科研開發等方面的工作。不但要求學生掌握堅實的理論基礎，而且還要具有工程實踐意識、分析和解決實際問題的能力、新技術研發和創新能力；因此流體機械課程的實驗教學[3-4]在學生培養中具有重要的作用。

流體機械類課程的實驗教學內容通常包括：往復壓縮機性能實驗、離心泵性能和汽蝕實驗、風機性能實驗等。現有的實驗教學中存在的問題有：①實驗內容過于陳舊且固定不變，實驗內容覆蓋面小，沒有包括其他類型的新型高效流體機械，無法迎合流體機械技術的發展和進步，無法培養學生的創新性；②實驗教學模式始終不變，教師向學生講解實驗原理、操作步驟和注意事項，學生按規定的實驗方法和步驟，被動地完成實驗任務[5-6]；學生對實驗流程、裝置運行特點及實驗設備沒有深入的體會和理解；這種被動式的學習，學生感到枯燥乏味，激發不了學生的興趣和創新欲望；③實驗設備落后，一套實驗設備只能對應一個實驗內容；④實驗內容只是最常用幾種流體機械的簡單性能實驗。⑤實驗教學效果不好，沒有提供學生自己思考并處理問題的機會，沒有提高學生的工程意識和解決實際工程問題的能力；沒有達到加深學生對所學內容的理解，很多同學依舊不會設計實驗，不會分析問題，甚至沒有深入理解流體機械的原理，不利于培養學生創造性和綜合素質。

針對存在的問題，提出流體機械類課程研究型實驗教學方法；包括：采用方案設計研究型實驗教學方法，用于選擇流體機械的實驗內容；采用基于三維(3D)造型、3D打印技術的研究型實驗教學方法，用于新型流體機械關鍵零部件的創新設計；采用基于虛擬仿真、數值模擬的研究型實驗教學方法，用于流體機械的虛擬裝拆、工作過程模擬。從而提高學生自主學習的積極性和主動性、鍛煉學生的實驗動手能力、培養學生實踐創新能力、牢固學生所學知識和提升學生科研素質。同時分析了對教師要求，討論了實驗室的建設和管理[7-10]；對于提高流體機械類課程的實驗教學水平和實驗室建設具有重要的意義。

1 流體機械研究型實驗教學方法

研究型學習方法是指在教師的指導下，學生通過研究型學習方式、主動地分析問題和解決問題，從而在知識學習、能力培養和素質形成等方面達到學習目標的過程[11]；該方法以分析、研究和解決工程實際問題的過程為目標，以師生互動、同學合作為形式，將學習知識與研究問題相結合；具有學習方式的研究型、學生學習的主體性、教師教學的主導性和教學活動的互動性等為特征。

1.1 方案設計研究型實驗教學

方案設計研究型實驗教學是指：給定實驗任務和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現[12-13]。方案設計性實驗是訓練學生運用本門課程或相關課程的綜合知識，對學生實驗技能和實踐方法進行綜合訓練的一種復合性實驗，著重培養學生的分析和解決問題的能力。該方法具有綜合性、研究型和設計性等特點，能夠培養學生創新性思維，實現學生自主實驗和方案設計性實驗，構建了一個實驗內容豐富、且具有創新高度的實驗教學結構。具體包括以下步驟：①教師設定實驗任務；②通過研究型學習，學生自行設計實驗方案；③通過師生討論，根據實驗室條件，完善并確定可行的實驗方案；④按照實驗方案組建和準備實驗設備；⑤完成實驗。

1.1.1 方案設計性實驗任務的設定

方案設計性實驗任務的確定是該實驗教學方法中非常重要的環節；方案設計性實驗任務應具有綜合性、典型性、一定的覆蓋面、可操作性及具有一定的深度，其實驗內容涉及本課程的綜合知識；來源于教師長期從事的流體機械教學、科研和產品開發過程中中的啟示；實驗內容應涉及流體機械的工作原理、性能特點和運行操作等方面。其目的是使學生將所學的專業理論知識綜合運用于實踐，使學生樹立實驗的整體觀，增強學生的工程意識和科研意識。在確定實驗任務時，可分多個層次的實驗任務：基本實驗、綜合實驗和探索性實驗；學生可以根據自身的情況選擇不同層次的實驗。

所以實驗任務應具備如下特點：①綜合性，包含流體機械的原理、運行特點、操作和測試等多方面的基本知識；②與工程實踐問題緊密聯系，且需要及時更新；③有利于學生開闊思維，培養創新性思維，發現新問題；④所需的實驗裝置易于實現。

所采用過的實驗任務案例如下：

案例1 設計一種離心泵運行工況，使得離心泵能夠發生汽蝕，并測試汽蝕工況的運行特點及性能曲線，這樣的實驗任務既包含了原有的實驗內容“離心泵汽蝕實驗”，又能體現出綜合性，能夠培養學生的創新能力。

案例2 選擇一種類型的液體泵，將液體從特定的入口條件輸送到特定的出口條件，設計出實驗裝置，測量泵的性能曲線，這種實驗任務不但包括了現有的實驗內容“離心泵性能實驗”，而且與實際工程問題更為接近，且實驗內容可包含離心泵、螺桿泵、往復泵和液環泵等。

1.1.2 采用研究型學習設計實驗方案

實驗方案的設計是該實驗教學方法的核心。采用學生研究型學習方法，促進了學生學習的主動性，提高了獨立解決問題的能力。如在案例1中，學生通過研究型學習自行完成實驗方案設計，在實際教學中，學生曾經提出多種方法產生汽蝕的方法并設計了實驗方案：降低離心泵入口液面高度、調節管路阻力損失、改變介質的溫度、增大離心泵入口真空度等。在正式實驗過程中，能夠加深學生對實驗的理解，同時也能夠反思學生自己所提出的實驗方案存在的問題。又如在案例2中，學生通過研究型學習熟練掌握各種泵的運行條件、操作條件、管路條件和測試方法；同時也強化了對不同類型流體機械工作原理這類基礎問題的理解，使之能夠觸類旁通。

在學生采用研究型學習方法設計實驗方案過程中，其關鍵在于：①給學生較長的時間去思考、設計、修改和完善實驗方案，可在該部分內容講課的時候，就將實驗任務布置給學生，學生在學習課程內容的過程中，即開始思考，產生靈感；②教師在講課過程中，要針對相關問題進行提示，將可利用的方法都加以說明，供學生選擇，這樣加深對相關問題的掌握；③學生在課余時間，通過查找相關資料，完成實驗方案設計；④教師要在課堂上進行實驗方案討論，修改和完善實驗方案，根據實驗室建設情況，最終確定實驗方案。

1.1.3 對比討論確定實驗方案

將學生所提出的實驗方案進行對比和討論，分析其優缺點和適用范圍，使之完善；根據實驗室條件，最終確定學生所設計的可行的實驗方案。通過問題討論，使得學生明白解決實際問題時，必須考慮其實際適用條件；讓學生之間檢查所提出的實驗方案的正確性與可行性，明確其實驗方案的不足，并找到合理的解決方法，加強了不同實驗方案之間的比較，增加了對所學知識的理解，并能夠運用到實際中；同時也排除了一些理論上可行，而在實際操作中存在眾多缺點的方案；所以該方法增強了學生解決實際問題的能力和工程實踐能力；在學生所提出的實驗方案中也不乏包含一定的創新性，有助于豐富實驗方法、開發新型實驗裝置。

如在案例1中，學生提出的產生離心泵汽蝕的方法有：①降低離心泵入口液面高度，②增大離心泵入口真空度，③改變介質的溫度，④調節管路阻力損失；方法①要求較大的實驗室空間，方法②簡單易行；方法③是一種理論上可行，實際操作中難以實現的；方法④難以進行定量的測量。學生在該方法的實驗方案設計中不乏一定的創新性，有一定的價值。

1.1.4 組建實驗設備完成實驗教學

根據所確定的實驗方案，教師可事先準備好實驗裝置，也可與學生一起完成實驗裝置的準備；并按照學生所設計的實驗方案完成實驗。

隨著實驗任務和實驗方案的不斷豐富，促進了實驗室建設；可采用各種實驗設備和各種測量儀器并聯切換的方法，滿足多種實驗方案；實驗設備盡量小型化、模塊化和多樣化，易于滿足相應的裝拆、維護和管理。由此搭建的實驗裝置具有如下特點：①同一套實驗裝置能進行多個實驗內容；②實驗設備和測量儀器能夠得到充分的利用；③實驗內容和實驗流程易于更改、不固定，適應于更多的實驗內容；④實驗室的功能也得到擴大，不但能夠承擔實驗教學，而且能夠承擔科學研究、大學生實踐創新和創業訓練等。由此改善了原有一套裝置只能完成一項實驗的現象。

1.2 基于仿真模擬、3D打印的研究型實驗教學

1.2.1 流體機械零部件的3D設計

3D設計是新一代數字化、虛擬化、智能化設計平臺的基礎，它是建立在平面和2D設計的基礎上，讓設計目標立體化，更形象化的一種新興設計方法[14]。針對流體機械主要零部件的形狀復雜性，如：離心泵葉輪、雙螺桿泵轉子、螺桿壓縮機轉子、渦旋壓縮機動渦旋等；采用常用的3D設計軟件SolidWorks、Pro/E，對其進行3D設計；由此學生能夠對核心部件進行設計。流體機械核心零部件的設計是決定其先進性的關鍵所在，通過學生的3D設計，不但使得學生掌握流體機械的核心部件的結構、設計，而且也能促進學生在核心部件設計和造型方面的創新。

1.2.2 3D虛擬裝配與運動仿真

基于虛擬裝配和運動仿真在新型流體機械創新開發、維護、操作培訓方面具有獨特的作用。在交互式虛擬裝配環境中，使用3D裝配軟件，將完成3D設計的零部件，象在真實環境中一樣對其進行各類裝配實驗，在裝配過程中，能夠進行碰撞檢測、裝配約束處理、裝配路徑和次序等，使得學生能夠對流體機械的可裝配性進行分析、對零部件裝配序列進行驗證和規劃。在裝配(或拆卸)結束后，記錄裝配過程的所有信息，并生成評審報告、視頻錄像等供隨后的分析使用。

通過3D運動仿真軟件，對流體機械的全部運動部件進行運動仿真，展現其運動規律；通過運動仿真，使學生深入地掌握流體機械內部結構、組成零部件間的運動關系；學生通過相關運動仿真實驗，獲得與真實情況一致的體驗，降低成本的同時提高了學習效果；使得流體機械內部的不可及、不可視、高風險、高污染等的操作過程不再受時間、空間限制，借助于虛擬仿真手段，形象生動地呈現在大家眼前，更具可操作性，鞏固和加深對所學理論知識的理解，激發了學生學習的積極主動性，提高了學生的學習效率，鍛煉在實踐中發現問題、分析問題和解決問題的能力；在培養學生的實踐能力、研究能力、創新能力和綜合素質等方面有著其他教學環節所不能替代的獨特作用。同時也有利于豐富流體機械種類的數據庫。

1.2.3 采用3D打印技術的創新實驗

流體機械是通過關鍵零部件的運動，使之與流體之間通過相互作用，實現流體的吸入、增壓、排出全過程；通過3D設計、虛擬裝配和運動仿真，還難以充分展示關鍵零部件(如：雙螺桿壓縮機陰陽轉子、單螺桿壓縮機星輪等)的結構，使學生難以充分認識關鍵零部件與流體之間的能量傳遞關系。通常需要觀摩零部件實體；而流體機械產品價格貴、體積大，難以在實驗室中實現實物展示；流體機械的關鍵零部件的加工需要專門的專用數控機床、和專門的加工工藝和加工過程，造價相當昂貴，操作非常復雜，周期長，且不易管理，因而面對種類繁多的流體機械，其關鍵零部件的加工是在實驗室內無法完成的。然而采用3D打印技術來打印流體機械的核心領部件可較易實施，使得這一問題迎刃而解。圖1所示為3D打印的相互嚙合的雙螺桿真空泵轉子。

圖1 通過3D打印的雙螺桿真空泵轉子

3D打印也稱增材制造，通過3D打印機，不需要加工刀具和設備，利用3D模型可快速地制造出復雜的結構工件，解決傳統工藝難以加工或無法加工的局限，解決高精度零部件的加工困難，適用于流體機械的關鍵零部件，尤其具有創新設計的流體機械零部件，如新型雙螺桿泵轉子；也可以3D打印典型流體機械的全部零部件，實現裝拆。結合研究型教學，采用3D打印技術，促進新型流體機械的開發設計，培養了的學生創新能力、設計能力及知識的融合，對于探索實驗室的發展起到了重要作用。整個過程不但激發了學生的學習興趣，同時打印出的關鍵零部件可供學生研究，引導學生以開放性實驗的途徑參與流體機械設備模型制作，這些模型的制備可以加深學生對其原理的理解，直接當作教學道具用于下一屆的學生的授課當中；同時也豐富了流體機械模型庫。

2.5 革蘭陽性球菌對抗菌藥物的耐藥性 從患者標本中分離出的3種革蘭陽性球菌對抗菌藥物的耐藥性見表4。

1.2.4 流體增壓過程的數值模擬

流體機械是完成與流體之間進行能量轉換的機械，以上3D設計、虛擬裝配、運動仿真、3D打印，都是針對流體機械本身，而沒有展示流體的狀態變化，為了研究流體在流體機械內部壓力、溫度、速度的變化規律，對流體流動過程進行工作過程模擬。

采用計算流體力學Computational Fluid Dynamics軟件，對流體機械在工作過程中的流體區域進行計算，讓學生完成流體的工作過程模擬，加深學生對工作原理的理解，實現強化基礎、深化認知，使之觸類旁通；同時也增強學生的工程實踐意識。

如通過渦旋壓縮機工作過程的數值模擬，可直觀再現氣體在壓縮機內部其壓力、溫度、速度的變化規律。展示流體機械內部流體的能量轉換過程，使之由抽象到具體。是常規實驗無法完成的，同時數值模擬也能夠驗證一些創新性。

2 改革成效與實驗室的建設

2.1 研究型實驗教學方法的改革成效

(1) 所提出的研究型方案設計性實驗教學方法具有綜合性實驗、設計性實驗和研究型學習等特點；應用于流體機械類課程中的實驗教學過程中，有利于培養學生的自學能力、創新能力、解決實際問題的能力和實驗動手能力；具有良好的教學效果。綜合性實驗培養學生綜合應用知識和技能解決實際問題的能力；設計性實驗培養學生創新精神和獨立運用所學的知識和技能分析和解決問題的能力；研究型學習增加了學生自主學習的積極性和主動性，培養學生的創新性。

(2) 通過對典型流體機械3D設計、虛擬裝配、運動仿真、3D打印、工作過程數值模擬，展示了流體機械的全部過程，加深學生對所學內容的掌握，為學生在流體機械領域內的創新提供基礎。新型流體機械3D模型是研究型實驗教學開展的基礎和前提，3D打印技術可實現教學模型的個性化制作，工作過程的數值模擬將流體機械內部流體能量轉化過程由抽象變為具體。由此豐富了流體機械模型庫，能夠演示所提出的新型流體機械的原理。

(3) 研究型方案設計性實驗教學方法促進了實驗室的建設，改變了原有的一套實驗裝置只能完成一個實驗教學內容的問題，改變原有流體機械類課程中實驗教學中實驗內容始終不變的弊端，通過自行設計實驗任務，增加了實驗內容及其覆蓋面，實現了實驗教學任務和內容的更新。采用設備小型化、模塊化和多樣化的思路進行實驗室建設，以及相類似的實驗設備和測試儀器的并聯，使得實驗裝置的功能和實驗設備的利用率都得到提高，實現一套實驗裝置能夠完成多個實驗內容，能夠實現新型實驗裝置的開發。提出建設具有互換功能的實驗室建設思路，使得同一套實驗裝置能進行多種實驗內容，還要不斷地增加實驗內容，適應科研的發展。

(4) 擴大了實驗室的功能，有利于實現開放式實驗室，可面向不同專業的相似課程的實驗教學，實驗室不但能夠承擔實驗教學，而且能夠承擔科學研究、大學生實踐創新、卓越工程師的培養和學科競賽等，如：國家級的“挑戰杯”大賽、全國大學生過程裝備實踐與創新大賽、大學生工程訓練能力競賽等比賽。具有教學功能、科研功能、大學生創新功能。

(5) 提高了教師的能力和水平，能夠將教師的科研和教學充分結合。

2.2 實驗室的建設

在實驗室的管理中，加強在實驗室內對學生的管理，學生應嚴格遵守實驗室管理條例，嚴格在教師的監護下進行實驗。在實驗進程中要求進入實驗室的學生了解各個流體機械的功能，愛護實驗室儀器和設備，在技能操練中注重培養科學研究的基本素質，嚴謹的科學作風、嚴肅的科學態度、嚴密的科學方法，認真完成每一項實驗。

實現了開放式實驗教學模式，學生可以自由選擇實驗實訓項目、自主設計實驗流程、自行完成整個實驗內容，拓展了學生學習時空，并面向大學生第二課堂、畢業設計、創新實驗項目和科學研究全面開放，實現實驗教學資源共享。

流體機械的種類繁多、增壓輸送的流體性質不盡相同、應用環境和工況要求各異；現有的實驗室難以收集盡可能多的流體機械。通過對流體機械的三維設計實踐，可以逐漸豐富實驗室中流體機械的模型庫，將更多的特種流體機械、新型流體機械展現給學生，以迎合流體機械的飛速發展。

2.3 對指導教師的要求

指導教師的業務水平與素質是開展研究型實驗教學和基于仿真模擬、3D打印的研究型實驗教學方法的重要保證，教師要制定切實可行的實驗任務，并提供實驗條件；教師要對學生的實驗方案設計與實施給予必要的啟發和引導、對實驗方案進行把關，還要在實驗過程中對學生做必要的指導。因此對教師有如下的要求：

(1) 教師具有流體機械方面全面的理論知識、專業知識、熟練的技能和豐富的實踐經驗，具有從事流體機械相關工程實踐和科研的經歷。

(2) 教師能夠制定出適合培養學生多方面能力的實驗任務，并能在實驗任務、實驗方案、實驗裝置和實驗過程中，都能夠給予學生指導。

(3) 實驗任務和實驗方案設計等都應來源于生產實踐、新產品研發和科研過程，教師必須在實際生產與科研過程中吸收內化，并有效地再現給學生。

(4) 有較強的管理學生能力，同時還要根據學生的認知水平確定相應的實驗任務，培養學生的學習能力。

3 結 語

通過研究型學習，學生自行設計了實驗方案，而且充分考慮了實驗方案的優缺點，比較了多種實驗方案，最終確定了可行的實驗方案；又據此組建了實驗裝置，最終完成實驗。實驗方案設計采用研究型學習方法，加深強化了學生對所學內容的理解，培養了學生創新思維。在實施過程中，學生提出了很多有一定可行性的新觀點、新結構和新想法；實驗方案的討論和確定過程有利于理論聯系實際，能夠加強學生的工程意識，提高學生分析問題和解決實際問題的能力；同時還培養了學生的表達能力，促進交流，增強合作意識。

學生通過研究型學習，完成流體機械零部件的3D造型、虛擬裝配、運動仿真、3D打印，完成流體機械工作過程中流體增壓流動過程的數值模擬。加深學生對其工作原理、工作過程、關鍵零部件的掌握和理解；在實驗對象上，可以針對常規流體機械、特種流體機械、和新型流體機械，使得實驗教學能夠及時進行知識更新，迎合流體機械行業的飛速發展；學生通過實驗，增強了工程實踐意識，實現強化實踐；使之實現強化基礎、深化認知，觸類旁通；同時也促進學生在流體機械關鍵零部件設計、工作過程原理、流體增壓輸送方法等方面的創新。

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Exploration and Practice of Research-type Experimental Teaching Methods in Fluid Machinery Courses

WANGJun,SUNZhuohui

(College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

Fluid machineries have many characteristics of various types, complex structure and high risk medium; and fluid machinery is the major course in the college of engineering. The disadvantages of the existing relevant fluid machineries in the experiment teaching are analyzed in this paper; and a research-type designing experimental teaching method is proposed. According to the comprehensive experimental task, this method requires students to design the experimental scheme using research-type learning method; and then by comparison discussions the final feasible experimental schemes are perfected and determined based on laboratory conditions; finally, the experimental equipment is assembled and the experiment is completed. Combined with 3D printing technology, virtual simulation technology, the working process simulation, an experiment teaching method based on the research study is put forward, where this experimental teaching methods are illustrated. Requirements of tutors, laboratory condition and management are introduced. The proposed experimental teaching methods help to improve abilities of creativity and of solving practical problems of students.

research-based learning; experimental teaching method; fluid machinery; 3D printing; virtual simulation; laboratory building

2016-03-21

中國石油大學(華東)校級研究型教學方法改革項目(YK201404)

王 君(1976-)，男，吉林梅河口人，博士，副教授，研究方向：流體機械、化工機械。

Tel.：13589269049；E-mail: wangjun@upc.edu.cn

G 642

A

1006-7167(2017)02-0244-05