基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的流體機械類課程實驗教學改革與實踐

王增麗 王皓 李強 王君

摘 要：針對流體機械類課程實驗教學的現狀及問題，為增強學生的創(chuàng)新意識和自主創(chuàng)新能力，開展了改進教學模式、增設自主實驗設計，構建開放性創(chuàng)新實驗平臺等實驗教學改革；并結合直接數值建模方法和主要零部件3D打印技術，構建了可實現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。基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的流體機械類課程實驗教學改革可提升實驗教學效果，切實加強學生分析和解決過程裝備領域復雜工程問題的能力，鍛煉學生的創(chuàng)新意識和自主創(chuàng)新能力。

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

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）20-0035-03

Abstract： In view of the current situation of experimental teaching in fluid machinery courses and its problems， the reform of experiment teaching such as improving teaching mode， setting up independent experiment design， and constructing open innovation experiment platform are carried out to enhance students' innovative consciousness and independent innovation ability. The open experimental platform for testing the meshing characteristics and working mechanism of fluid machinery was constructed in combination with direct numerical modeling method and the 3D printing technology. Experimental teaching reform of the fluid machinery courses based on innovation ability training can improve the experiment teaching effect， strengthen students' ability to analyze and solve complex engineering problem of process equipment and exercise students' innovation consciousness and innovation ability.

Keywords： innovation ability； fluid machinery course； experiment teaching reform； open experimental platform

隨著新工科建設工作的開展及我校過程裝備與控制工程專業(yè)“工程教育認證”工作的推進，人才培養(yǎng)目標需要逐漸向加強工科學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力等方向轉變[1，2]。過程流體機械課程作為專業(yè)核心課程，是支撐人才培養(yǎng)目標的關鍵課程。而實驗教學則是過程流體機械這類應用性和實踐性強的課程授課過程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，實現學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力提高的重要手段[3]。

從目前我校流體機械類課程的實驗教學情況來看，已開展的實驗教學內容還主要是常規(guī)流體機械的工作性能測試實驗[4-6]。現有教學內容和裝置無法迎合流體機械技術的發(fā)展和進步，也不能給學生提供自主創(chuàng)新研究的平臺。而且實驗教學模式也大都是傳統(tǒng)的講授式教學，不利于激發(fā)學生的興趣和創(chuàng)新欲望[7-9]。為了解決上述問題，其他學校針對流體機械類實驗教學也進行了一些改革：通過三維建模構建流體機械基本結構模型，并模擬拆卸過程，從而加深學生對相關流體機械結構的認識[10]；在實踐環(huán)節(jié)增加拆裝實訓教學過程，以加強學生的實踐動手能力及其對流體機械內部結構的理解[11]；為了解決實驗教學要求提高而實驗經費保障相對滯后的矛盾，網絡虛擬實驗教學方法又被提出并應用于實驗教學環(huán)節(jié)[12，13]。但是目前上述方法仍主要針對于往復壓縮機、離心泵和離心壓縮機這類常規(guī)的流體機械，沒有涉及其他新型高效流體機械，且實驗裝置的開放性也沒有得到改善，不利于學生進行探索研究性實驗，遠遠滿足不了對學生工程實踐能力、創(chuàng)新精神和國際視野等能力培養(yǎng)的要求。

鑒于此，本文在分析了過程裝備與控制工程專業(yè)流體機械類課程實驗教學現狀及問題的基礎上，從實驗教學內容、教學模式和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面提出實驗教學改革。在此基礎上，結合直接數值建模方法和3D打印技術，構建可實現多種流體機械嚙合特性測試及工作機理驗證的開放性創(chuàng)新實驗平臺，為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，大力提升學生的工程實踐能力和自主創(chuàng)新能力提供基礎。

一、流體機械類課程實驗教學改革

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

（一）實驗教學內容及模式的優(yōu)化

隨著技術的進步，新型高效流體機械正越來越多地被應用于工業(yè)生產的各個領域。但反觀本專業(yè)流體機械類課程所開展的實驗教學的內容還主要是離心泵、往復活塞式壓縮機和風機的簡單工作性能測試實驗，內容較陳舊[5]。很多石化行業(yè)應用廣泛的螺桿壓縮機（泵）及轉子式壓縮機（泵）等新型高效流體機械沒有相應的實驗裝置，導致人才培養(yǎng)與科技進步和現實行業(yè)脫節(jié)，不利于學生創(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置“專業(yè)實驗”課程，從課內實驗變?yōu)楠毩⒄n程，增加了授課內容和授課學時量。實驗類型也在原來的認知性實驗和驗證性實驗基礎上，增加了綜合性實驗、設計性實驗和研究創(chuàng)新性實驗等不同層次的實驗項目，為學生提供不同層次的鍛煉和提高，以培養(yǎng)學生實驗設計、實施和測試分析的能力，滿足學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，更好地實現人才培養(yǎng)目標。

另外，現有的實驗教學模式依舊采用傳統(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)學生的主動性和開拓創(chuàng)新能力。故在原來的講授式教學模式基礎上，增加了小組討論及實驗方案制定等環(huán)節(jié)。實際實驗教學過程中，要求學生通過實驗前的資料查閱、儀器設備預調確定多個實驗方案，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，每個學生必須獨立完成實驗。最后各小組再針對測得的數據進行討論和分析，得到相應的規(guī)律和結論。這種啟發(fā)研討式教學方法增加學生的自主性和參與程度，有利于鍛煉學生從實驗角度研究自然規(guī)律或解決本專業(yè)領域內復雜工程問題的能力，并形成良好的科學作風和開拓創(chuàng)新能力。

（二）創(chuàng)新研究型實驗項目的豐富

實驗教學內容及模式的優(yōu)化對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)還停留在實驗方案的設計和選取上，并不是本質的創(chuàng)新。此外，流體機械類課程學習過程中引導學生提出了一系列創(chuàng)新設計思路，并由此延伸而申請了多個大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目“新型熱發(fā)動機三維設計與發(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，導致學生的設計結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，切實提高學生的原始創(chuàng)新能力，在實際的教學活動中，要求流體機械類課程授課老師和實驗技術人員積極創(chuàng)造條件開放實驗室。一方面利用教師所承擔的科研項目及所搭建的科研實驗平臺，支持學生參加各種創(chuàng)新性比賽及大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目；另一方面在實驗教學過程中需要構建開放性實驗平臺，為學生開展創(chuàng)新性實驗研究提供平臺。為此，本文結合直接數值建模方法和主要零部件3D打印技術，構建了可實現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計與應用

（一）開放性實驗平臺方案設計

圖1所示為本文設計的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。

空間軸系嚙合系統(tǒng)支撐平臺是嚙合特性測試組件安裝的基礎，該支撐平臺在中心位置處設置帶有矩形凸起的橫向滑軌，兩側分別設計螺栓緊固槽。橫向滑軌主要用于固定中心轉子的軸向精確定位支架，并起到調整中心轉子支架軸向位置的功能。橫向滑軌兩側設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)的回轉式流體機械從動轉子軸支架的導向和精確定位作用。

圖2所示為軸向定位支架的設計方案圖，中心轉子和平行軸從動轉子的轉軸均是水平布置，如圖2（a）所示，中心轉子軸支架的底端面開有矩形槽與橫向滑軌配合實現定向滑動，平行軸從動轉子軸支架結構基本相同，只是將滑軌槽改為與支撐平臺縱向滑軌的導軌槽配合實現定向滑動的矩形導軌凸塊。這兩組水平軸的轉子軸支架底座均可通過其上開設的螺栓孔與螺栓緊固槽連接并實現緊固定位。另外，在轉子軸孔外側面均設計有帶有調節(jié)螺釘的端蓋，實現轉子軸向位置的精確控制。如圖2（b）所示，垂直軸從動轉子軸支架主要包括轉子軸支架、上頂尖、下頂尖、端蓋和調節(jié)螺釘組成。轉子軸支架起到支撐從動轉子軸的作用，并通過上頂尖、下頂尖、端蓋和調節(jié)螺釘組成從動轉子軸的軸向調節(jié)系統(tǒng)。

（二）開放性實驗平臺應用

在流體機械類課程學習過程中，為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，鼓勵學生針對不同類型流體機械提出一些創(chuàng)新性的設計，并根據這些創(chuàng)新性設計思路，延伸申請大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，參加“大學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，學生需要根據流體機械類課程學習的基礎理論知識，提出創(chuàng)新設計，并利用三維數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。本文所設計的開放式實驗平臺即可提供學生進行研究創(chuàng)新性實驗研究。學生自主設計的新型嚙合副型面可以利用直接數值建模方法和3D打印技術，構建三維模型（如圖3所示），并安裝在該開放性實驗平臺上，一方面可以結合三維數值模擬的計算結果來驗證創(chuàng)新性設計的正確性；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)化設計方法。可為學生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓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的現狀，針對目前實驗教學中存在的教學內容及裝置陳舊，教學模式單一，實驗設備的開放性差等問題，提出了獨立設置“專業(yè)實驗”課程，增加學時、增設綜合性、設計性和研究創(chuàng)新性實驗等實驗教學的改進措施，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建開放性創(chuàng)新實驗平臺的措施。并結合直接數值建模方法和主要零部件3D打印技術，構建了可實現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)的實驗教學模式，切實加強了學生分析和解決過程裝備領域復雜工程問題的能力，提高了學生的自主創(chuàng)新能力。

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