面向新工科培養模式的汽輪機原理課程教學方法的思考

張川 王保文

摘要：以產業交叉融合為特點的新經濟的快速發展，迫切需要更多具有創新能力和多學科交叉整合背景的新型工科人才。高等學校的工科教育將朝著以創新型和綜合化為特點的新工科的方向發展。這對我國工科本科生的教學提出了“厚基礎、寬口徑”的新要求。教師如何充分利用有限的學時資源，使本科生在感性認識少的前提下，達到“寬”與“專”并重的專業課教學效果，是當前新工科培養模式下教育改革的重點與難點。本文提出了一種從合理規劃教學內容充分提升課堂教學效果、靈活采用多種教學方法和手段突出教學重點和改進實踐教學環節鞏固并加深課堂教學效果的方法入手，進行汽輪機原理課程教學改革的方法，以有效提升教學效果，獲得“寬”與“專”并重的教學目標。該探索為滿足新工科培養模式所要求的提高創新能力和多學科交叉背景的工科本科專業課程的教學提供了有益的參考。

關鍵詞：新工科；汽輪機原理；教學方法；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）43-0190-03

“汽輪機原理”是能源與動力工程類專業一門重要的專業必修課，通過該課程的學習，不僅能使學生掌握關于“汽輪機”這一大型精密熱力機械的能量轉換原理與過程、運行和控制、零部件強度和材料等諸多方面的科學規律，更是引導他們從事相關的工程設計、設備制造和運行維護等領域的工作，乃至進一步深入相關科學研究的良好教學載體。但是，由于汽輪機原理的教學內容不僅需要承接先修的工程熱力學、傳熱學、流體力學、理論力學和材料力學等基礎性理論課程，還延伸關聯著后續的熱力發電廠、發電廠集控運行等相關的專業課程，因此該課程具有理論性、實踐性和綜合性都很強的特點，故而教師講授和學生學習的難度都很大[1]。當前，隨著以產業交叉融合為特點的新經濟的快速發展，我國迫切需要更多具有創新能力和多學科交叉整合背景的新型工科人才。探索培養面向新時代的多樣化和個性化并重的人才培養模式，加快發展和建設新工科教育，是時代的迫切需要。為此，高等學校的工科教育也將從以往注重過專和過窄的專業知識應用，逐步朝著以創新型和綜合化為特點的新工科的方向發展[2]。這種發展趨勢在對工科的本科教學提出了“厚基礎、寬口徑”這一新要求的同時，也引起了基礎課學時和比例增加，而專業課程學時減少的新矛盾。而且，幾乎所有工科類的專業課程都具有實踐性強、研究領域涉及多種學科、教學內容龐雜和抽象等共性特點。如何充分利用有限的學時資源，使本科生在感性認識少的前提下，獲得“寬”與“專”并重的專業課教學效果。成為新工科培養背景下，高等學校的專業課程教師共同面臨的教學重點和難點。本文針對上述問題，圍繞汽輪機原理課程的本科教學，分別從教學內容的規劃、教學方法的改進和實踐環節的協同等方面來進行有益的探索，以提升教學效果。

一、合理的規劃教學內容，以充分提升課堂教學效果

教師在課堂教學的環節，需要在充分考慮學生現有的知識結構和認識水平的基礎上，采用循序漸進的教學方式，通過合理重組教學內容，引導學生不斷從“舊知”中引入“新知”，以便達到預期的教學效果。著名教育學者美國猶他州立大學的戴維·梅里爾教授認為，有效的教學過程必須遵循認知的客觀規律。即從“激活舊知”、“示證新知”、“應用新知”到“融會貫通”的首要教學原理[3]。教學中不能只注重“示證新知”而忽略了其他環節的作用。例如在講解第一章“級的工作原理”之前，可以將第二章“多級汽輪機”中關于描述汽機本體中的汽缸、隔板、噴嘴、主軸、葉輪和動葉等結構和作用的部分提前講解。通過合理規劃教學內容，使學生增強了感性認識之后，就能夠容易理解第一章中的蒸汽在級中的熱力過程，這一抽象的熱物理過程。隨后，就可以結合先修的工程熱力學和流體力學知識，逐步引導學生抽象出蒸汽對動葉片的作用力、做功以及級內各項損失等相關的內容。通過對教學內容做更合理的規劃，能夠有效地避免學生由于直接抽象熱物理過程所帶來的茫然感，達到提升課堂環節教學效果的目的。此外，個別教學內容還可以被安排到指導性的教學環節中。例如，可將第一、三章中關于“汽輪機級的熱力設計原理”、“扭葉片級”、“變工況下汽輪機的熱力核算”等內容，可以集中安排到課堂教學環節之外的“汽輪機課程設計”環節進行講解。這樣既可以在課堂教學環節中，更有針對性的突出理論部分的教學內容。又能避免相同教學內容在不同教學環節中重復的情況發生，從而更高效的利用有限的學時資源。

二、靈活的采用多種教學方法和手段，以突出教學重點

汽輪機原理課程總的教學內容可以分為三大部分：①經典理論部分。主要包括“級的工作原理”和“多級汽輪機”。該部分主要講解汽輪機中的熱功轉換規律。通過運用質量守恒、能量守恒、動量定理以及工質的熱物理狀態方程和過程方程等建立起級的熱功轉換的定量數學關系。并以此為基礎，推導出汽輪機熱功轉換效率、熱功轉換能力和零部件受力等的相關定量計算式，最終獲得汽輪機各級的主要結構參數的計算公式。該部分是整個課程的理論精髓，也作為培養學生具備從工程實際中抽象出數學物理描述，進而開展科學研究能力的重要載體。對于這部分內容，如果僅采用傳統的板書教學方式，進行“滿堂灌”式的教學，往往不足以充分激發學生的熱情，且容易造成部分學生思維跟不上，甚至聽不懂的現象。為此，筆者在課堂上采用多媒體輔助板書教學的復合方法。通過展示發電廠的現場圖片、蒸汽在汽輪機內部流動的3D視頻動畫等生動的現代化教學手段，來提升理論部分的板書教學效果。并且在講解安排上，做到課前通過知識回顧來引入新的教學內容，課尾通過總結來突出重點和難點。另外，還努力在課堂講解過程中增加與學生的交流互動，以便根據他們的理解情況，實時靈活的調整教學的進度。②專業知識的多學科交叉延伸部分。該部分內容主要包括“汽輪機變工況特性”“汽輪機的凝汽設備”“汽輪機零件的強度”和“汽輪機調節系統”。這些內容是從經典的專業知識向更深入的專業方向延伸的教學內容。在教學中采用了分解啟發式的教學方法，通過教師的積極引導，來強化以學生為主體的工程教育模式。教師將主要知識點分成若干子問題，通過對子問題的聚焦思考，引導學生聽課，借以提高學生參與課堂的能力。例如可將汽輪機變工況的內容，分解成壓力變化對流量的影響、流量變化對焓降的影響和焓降變化對級的反動度與做功能力的影響這三個子內容。通過這些由淺入深逐步設置的子問題，最后揭示出壓力變化對汽輪機做功能力的影響和如何進行汽輪機負荷調節的規律。采用上述分解啟發式的教學方法，不但鞏固和加深了學生對基礎理論的認識，還鍛煉了他們運用專業理論解決實際工程問題的能力，收到了訓練工程思維的效果。③專業知識的綜合擴展部分。主要包括超臨界壓力汽輪機、熱電聯產汽輪機、燃氣-蒸汽聯合循環汽輪機、核動力汽輪機的結構、熱力特性和自動調節等。該部分教學內容往往是經典汽輪機專業知識與當代的具有多學科交叉背景的汽輪機技術新發展的結合。在課程教學中，通過引入這些最新的科研成果進行專題講座的方式，如“防固體顆粒侵蝕的流道設計”“針對高溫部件有效冷卻的特殊結構”和“三維扭轉葉片設計”等。就可以將行業對人才培養的最新要求，用產業和技術的最新發展的方式引入教學過程，從而突出新工科教學的前沿性、創新性和學科交叉性。使學生樹立以面向未來和領跑世界為目標的專業追求，并能逐步提升新工科人才培養的質量標準。以這部分教學內容為載體，還能進一步強化培養工科學生的家國情懷和全球視野，提升創新創業、跨學科交叉融合、自主終身學習等新工科人才所必備的核心理念。

三、改進實踐教學環節，鞏固和加深課堂教學效果

汽輪機原理課程的實踐教學環節分為課程實驗和課程設計兩個部分。教學中可以將課程實驗穿插在理論學習的中間某一階段，并將其分為基礎性實驗和創新性實驗兩部分[4]。其中，基礎性實驗，如300MW汽輪發電機組模擬轉子的動平衡實驗，用以加強學生對理論教學環節的概念和理論的認識，同時提高動手能力。對于創新性的實驗，可以讓學生在教師科研團隊的指導下，利用科研項目的實驗裝置來開展。如300MW汽輪發電機組模擬轉子的振動實驗。需要通過分析振動信號來判斷振動類型，并通過計算與實際操作，達到降低或消除轉子振動的目的。通過開展創新性實驗，提高了學生靈活運用課堂知識解決實際問題的能力，既強化了課堂教學的效果，又增強了學生的創新能力。

汽輪機原理課程設計是在課堂教學環節完成后進行的，通常由老師指定若干題目作為任務布置給學生，學生需要在教師指導下自主完成相關設計。由于課程設計時間較長，大多安排兩周左右的時間。指導教師對該課程設計的進程實施了動態管理。例如將整個設計任務分成若干相對獨立的小模塊進行。通過這樣的模塊分解方法，可以有效的、分階段的建立起學生設計的信心和熱情，保證學生逐漸深入設計并最終獲得成功。這種模塊化的課程設計教學方式，使學生更容易體驗到工程設計的過程快樂，而不僅是追求設計的最終結果，有助于他們實現對課堂教學環節的內容實現系統化的掌握，從而達到首要教學原理中提出的“融會貫通”的效果。

四、結語

新的時代背景下，高等學校的教育改革將朝著新工科培養模式的轉變。對汽輪機原理的課程教學提出了“寬”與“專”并重的更高要求。通過合理的規劃教學內容，采用豐富的教學手段和強化協同的實踐教學，能夠確保培養理論聯系實際的創新型人才的目標。工科專業課的教學過程具有很強的師生互動性，教師應該積極把握好教學過程的主動性，落實以學生為中心的工程教育理念，遵循學生認知的基本規律，通過積極探索大膽進行教學改革，在實踐中不斷總結并提高。

參考文獻：

[1]康松，楊建明，胥建群.汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，2000.

[2]吳愛華，候永峰，楊秋波，郝杰.加快發展和建設新工科主動適應和引領新經濟[J].高等工程教育研究，2017，（1）：1-8.

[3]戴維·梅里爾，著.首要教學原理[J].盛群力，何珊云，鐘麗佳，譯.當代教育與文化，2014，6（6）：1-7.

[4]張財紅，李楠，關雪梅.對汽輪機原理課程實驗教學環節的研究與探討[J].當代教育與文化，2016，（12）：45-47.

Abstract：The rapid development of the new economy，characterized by industrial convergence，There is an urgent need for more new engineering talents with innovative ability and multi-disciplinary cross-integration background.The engineering education in colleges and universities will develop towards a new engineering subject characterized by innovation and integration.The teaching of science students put forward the "thick foundation，" The new requirement of "wide caliber".How can teachers make full use of limited resources to make undergraduates achieve the teaching effect of "wide" and "special" under the premise of less perceptual understanding？ It is the key and difficult point of the education reform under the current new engineering training mode.This paper puts forward a kind of reasonable regulation.The teaching contents should be drawn up to improve the classroom teaching effect，and the methods to emphasize the key points of teaching and improve the practical teaching links to consolidate and deepen the effect of classroom teaching should be adopted flexibly.The teaching reform of steam turbine principle course is carried out in order to improve the teaching effect effectively.The goal of "wide" and "specialized" teaching is obtained.This exploration provides a useful reference for the teaching of engineering undergraduate courses which meet the requirements of the new engineering training model to improve the innovative ability and multi-disciplinary cross-background.

Key words：new engineering；Steam Turbine Principle；teaching method；teaching reform