基于“新工科”的“過程流體機械”教學方法研究

陳建義

摘要：“新工科”是教育部針對“中國制造2025”、“互聯網+”新興產業人才需求而提出的工程教育改革新思路，新工科的“新”不僅體現在新興專業上，更體現在工程教育的新理念、學科專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量、分類發展的新體系等五個方面?！斑^程流體機械”是一門傳統專業的主干課程。本文試圖從新工科的視角，重新審視該課程的教學體系和教學方法，并從四個方面對教學過程做粗淺的探究。首先是以案例式教學、研討交流的方式，激發學生主動學習的熱情，形成知識傳授與工程能力培養并重的教學方法；其次，通過引入流體機械新概念、新技術以及全生命周期的概念，構建新的教學體系；第三是從多領域、多學科交叉并兼顧經濟性等出發，設置培養創新能力的實踐教學平臺；最后提出通過參觀石油石化裝備展以及企業生產實習和培訓等方式，實現工程與創新教學的課堂延伸，達到工程教育與企業需求的相融合，為實現“新工科”要求下的人才培養目標奠定基礎。

關鍵詞：新工科；CDIO；工程教育；創新能力；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）48-0154-03

隨著工業4.0的提出和互聯網科技與工業技術的互相滲透，世界正在興起一場新的工業科技革命，同時產業變革加速進行，綜合國力競爭愈加激烈。我國實施創新驅動發展、“中國制造2025”“互聯網+”“一帶一路”等重大倡議，以新技術、新業態、新產業為特點的新經濟蓬勃發展，這又對我國高等工程教育提出了新的挑戰。為此，教育部教育司日前下發了《關于開展新工科研究與實踐的通知》[1]，提出了高等工科教育 “新工科”建設的人才培養思路?！靶鹿た啤苯ㄔO是一種新的工程教育發展模式，它不僅要解決如何培養具備更強創新創業能力、跨界整合能力的新型工程科技人才的問題，更著眼于面向未來新技術和新產業發展，著力推動學科交叉融合和跨界整合，并構建工程教育的新理念、新結構、新質量和新體系。所以，新工科雖然是以新經濟、新產業為背景提出的，其建設目標之一就是要設置和發展一批新興工科專業，但另一方面也旨在推動現有工科專業的改革和創新。這種改革和創新的一個關鍵就是對現有專業傳統課程教學體系和方法進行改革?！斑^程流體機械”是一門講授流體高效輸送設備的課程。它是許多傳統專業的主干課程，也是一門多學科交叉融合的專業技術課程。長期的教學實踐表明，該課程在強化學生工程意識、培養學生工程創新能力方面大有可為?！靶鹿た啤睂こ碳夹g人才知識結構轉換、工程創新能力提升的要求，為課程的改革指出了方向。本文擬從新工科的視角，重新審視該課程的教學體系和教學方法，并從教學方法、教學體系、實踐教學平臺以及課堂教學延伸等四個方面對教學過程做初步的探究。

一、以CDIO的教學思想，構建知識傳授與工程能力培養并重的教學方法

“CDIO工程教育模式就是將企業產品生產全過程映射至高校人才培養的全過程[2]。就是在整個教學過程中，將被動學習的學生轉換角色，成為一個能夠應對挑戰的工程師角色。CDIO模式下的教學，突出的是學生主動參與學習的程度和高標準的工程教育內容及實踐。因此，CDIO的教學理念與“新工科”的建設理念是相通的。為此，以CDIO的工程教育思想，構建培養工程能力和創新能力的教學方法具有很好的借鑒作用。遵照這一思路，本課程將探索“教師講解結合研討交流”的教學方法。其中教師講解部分多采用案例式教學，而研討交流主要采取學生課堂即時討論和課后查閱資料再匯報交流的形式。該方法的核心是將知識傳授與工程實際密切結合，提高學生綜合運用所學知識進行觀察、分析和解決工程問題的能力。要點是：針對本課程內容繁多、實踐性強的特點，在課程講授中，采用思想實驗、模擬演示等方式，讓學生先從感性上認知流體機械（泵、壓縮機）的結構和工作原理，再啟發學生從能量轉換角度，提出不同的流體增壓和輸送方案；然后，通過深入的理論講解，并結合討論和辯論，分析評價學生所提方案的優劣；再配以課后的綜合作業、專題調研和探索創新研討，實現讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習，強化教學效果。與傳統的教學模式相比，新的教學方式貫徹了“做中學”角色轉換的CDIO教學理念，體現了知識傳授與工程能力培養并重的特色，可提升學生學習的主動性和熱情，教學效果也得到了提高。

二、以“新工科”為指導，構建新的課程教學體系

“新工科”強調的是學生工程意識的培養，突出的是培養滿足“中國制造2025”，“互聯網+”等國家戰略要求的創新人才。為達成這些目標，“過程流體機械”教學體系的改革既要考慮到本課程與先修課程和后續教學環節的銜接，又要考慮適應流體機械發展和用人單位的需求。為此，本課程教學內容刪除了部分與先修課程重復的內容，改進或補充了部分新內容，具體包括：

1.在流體機械歷史和發展趨勢簡介中，增加人類利用流體機械的歷史的描述以及目前的發展趨勢；特別是通過若干典型應用實例（如乙烯工業、西氣東輸中的流體機械）的簡要分析，指出其主要特點，分析流體機械面臨的高參數、大型化、自動化、高可靠性的發展趨勢，并重點比較國內外存在的技術差距，激發學生的學習積極性。

2.在流體機械選型設計和操作維護章節學習中，考慮到畢業生大多從事選型和操作維護方面的工作，很少從事流體機械結構設計工作，因此刪減部分設計內容，相應增加石油化工領域所用流體機械的選型設計、性能比較和操作維護等方面的內容。同時，結合“新工科”建設的目標，引入全生命周期的概念，從流體機械的選型設計、操作使用、維護管理乃至設備報廢等各個環節，以及從工藝性能、能量利用效率、投資維護費用、安全可靠性和環境影響等方面，全面分析評價選型方案的合理性。

3.引入流體機械新概念和新技術的介紹，一方面，結合現場實際，讓學生了解流體機械的發展概況。例如，在講解離心泵和壓縮機工作原理時，重點采用簡化的一元流動理論進行分析，再附帶介紹三元流動理論的應用；在離心壓縮機性能曲線和零部件部分，還補充壓縮機性能測試技術、喘振控制方案、新型干氣密封以及新型滑動軸承等知識的介紹；在活塞壓縮機部分，補充國外最新的用于乙烯壓縮的超高壓壓縮機的工作原理、結構特點、設計制造難點和操作維護要點等內容。另一方面，設立流體機械新概念創新訓練環節，要求學生從能量轉化的角度及其基本原理出發，先嘗試提出各種可能的方案，再結合方案實現的各種工程制約因素（如結構復雜性、制造“三化”的便利性、操作維護方便性、成本經濟性等），進行討論和評價。endprint

“新工科”建設是高等工程教育的新模式、新思路，只有突破傳統的教學模式，突出工程教育和新技術發展銜接的教學重點，引入全生命周期的課程教學內容，重新建立課程內容的層次架構，才能構建出新興產業要求的工程技術人才培養教學體系。

三、以工程教育實踐教學為重點，構建具有創新能力培養的實踐教學平臺

“新工科”倡導的是工程能力的培養，而工程技術問題是綜合的、復雜的，往往涉及多領域、多學科，同時還要考慮諸如經濟的，管理的，法律法規等非技術方面的因素[3]?，F代工程的這些特點，使得工程教育必須著力加強對學生工程意識、工程思維能力的培養以及工程實踐環節的訓練。首先應從解決工程問題和工程案例的角度，將學科中的相關基本知識、基本定律等進行組合分析，一方面著重培養工程意識和工程思維能力，另一方面結合解決方案的實用性、經濟性等方面，注重培養學生多學科知識點的綜合能力。其次，通過實踐教學使學生融會理論知識、貫通實踐方法、醞釀創新意識。以工程教育實踐教學為重點，構建具有創新能力培養的實踐教學平臺，對“新工科”建設目標的實現，對新興產業所需的工程技術人才培養具有不可替代的作用。

正是基于對實踐教學平臺重要性的認識，“過程流體機械”課程在大綱要求的8個學時的教學實驗基礎上，進一步深化對教學內容的改革和教學平臺建設，新建了壓縮機、泵、閥門等的拆裝實驗室（具體包括：兩臺L型壓縮機、單級泵、多級泵、水平中開式油泵等10臺，安全閥，控制閥等10個），并逐步添置了流體機械密封、葉輪等部件拆裝實驗。對上述實物模型，鼓勵學生設定實驗主題，自己安排拆裝和操作，培養學生解決問題的實用性和有效性方面的能力，以強化學生在專業課基礎知識方面的教學效果，是課堂教學的一個有益的補充。

此外，為了拓展學生多領域、多學科知識綜合能力以及與經濟、政策和法律相關的工程能力，設計了若干啟發性的實驗項目，如多功能轉子教學實驗，壓縮空氣能汽車的工作原理與傳統的汽油車、柴油車等工作原理比較實驗，并要求學生從工程化、經濟性等角度入手進行分析研究，進一步提升學生的工程實踐和綜合分析能力，實現理論教學、實踐教學與創新訓練的銜接和貫通。

四、以工程教育與企業需求的融合，實現課堂教學的延伸

“新工科”建設的目標中除培養新形勢下的工程創新人才外，還必須培養學生具有自主學習和終身學習的意識，具有不斷學習和適應工業技術發展的工程能力[4]。因此，按照“新工科”的教學模式中，教學不僅僅是大學課堂的幾十個教學學時。為此，可以充分利用北京地區的資源優勢，將工程創新教育從課堂延伸出去，用實訓的方式，實現“新工科”要求的培養目標。首先，利用在京舉辦的石油石化裝備展等活動，組織學生參觀學習，開拓思維和視野，并直觀感受流體機械的發展趨勢。其次，在緊接本課程之后的企業生產實習環節，安排學生到燕山石化教培中心，在專業師傅的帶領下，進行離心泵、活塞壓縮機的專業拆裝以及測繪訓練，這不僅可有效補充學校教學資源的不足，而且極大提升了學生參與工程實踐的興趣。另外，在后續的專業綜合課程設計中，增加有關流體機械的綜合設計內容（例如活塞式壓縮機的核算、零件設計繪圖和簡單控制方案設計），讓學生對過程流體機械進行更加深入、全面的學習，進一步鞏固理論知識，并且在這系列的課程延伸中，不斷提高學生的工程視野，培養學生自主學習和終身學習的意識。

五、結論

培養滿足“中國制造2025”，“互聯網+”等國家戰略需求的新型工程技術人才，是我國高等工科教育目前的工作焦點。倡導把制造業人才培養與工程實踐和創新能力培養緊密結合，著力提高人才的工業文化素養，是教育部“新工科”工程教育的建設目標。為此，開展高等工程教育課程的教學方法改革，特別是與工程實踐緊密相關的專業課和專業基礎課教學方法的改革就顯得尤為重要?！斑^程流體機械”課程教學應該在保持扎實的理論基礎知識學習優勢的基礎上，著力探索工程教育新的教學理念和新的教學方法，為培養學生的創新精神、實踐能力和國際視野，為學生畢業后更好地適應新形勢下的工程設計、科學研究及其他技術工作奠定必要的基礎。

參考文獻：

[1]教高司函[2017]6號 教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知[Z]2017-2-21.http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201702/t20170223_297158.html

[2]韓雁，馮興杰，梁志星，張婧.工程教育模式下的教學效果分析[J].中國民航大學學報，2012，30（4）：38-41.

[3]袁慧，于兆勤，秦哲，新形勢下培養提高工科學生工程實踐能力的認識與實踐[J].高教探索，2007，（2）：61-63.

[4]陳萌，專業認證視域中公共計算機課程改革研究與探索[J].高教學刊，2016，（8）：133-134.endprint