過程設(shè)備設(shè)計(jì)虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)及考核體系*

盧海山，張翮輝，王志奇

(湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

過程設(shè)備設(shè)計(jì)，或稱為化工容器設(shè)計(jì)，主要面向化工行業(yè)，講授化工生產(chǎn)工藝所需各類壓力容器的設(shè)計(jì)知識(shí)，包括儲(chǔ)存、反應(yīng)、換熱和分離等設(shè)備，以培養(yǎng)學(xué)生開展化工容器創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。該課程具有理論枯燥、教學(xué)難度大和實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，而其課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)則是激發(fā)學(xué)生興趣、培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐與綜合創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，主要包括薄壁容器應(yīng)力測(cè)定、外壓薄壁圓筒失穩(wěn)和厚壁圓筒高壓爆破三個(gè)實(shí)驗(yàn)[1]。以薄壁容器應(yīng)力測(cè)定為例，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街饕槍?duì)石化行業(yè)生產(chǎn)中常用的典型臥式儲(chǔ)罐模型，測(cè)試不同形式封頭以及過渡區(qū)域的應(yīng)力，分析應(yīng)力分布規(guī)律，驗(yàn)證理論課堂的教學(xué)結(jié)論，以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)邊緣應(yīng)力的認(rèn)識(shí)[2]。隨著新工科理念的不斷深入，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的交叉融合、實(shí)踐創(chuàng)新提出了更高要求，傳統(tǒng)“重理論、輕實(shí)踐”的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式已經(jīng)難以滿足復(fù)合型人才的培養(yǎng)要求[3]。同時(shí)受此次“新冠疫情”影響，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式難以開展，各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[4]。

近年來(lái)隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展新方向，具有不受時(shí)空限制、成本低、無(wú)危險(xiǎn)性，而且便于開展設(shè)計(jì)型、研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)[5]。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的深入，如何建立一套適合于虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的考核評(píng)價(jià)體系則成為當(dāng)前面臨的新問題。該文將CAE虛擬仿真技術(shù)融入過程設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建虛實(shí)融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并形成一套以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向的全方位實(shí)驗(yàn)考核體系，以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果與質(zhì)量。

1 虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

針對(duì)過程設(shè)備設(shè)計(jì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的不足，該文將CAE仿真技術(shù)融入實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)，充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、時(shí)間、空間的限制，以及易于開展設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，以薄壁容器應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，構(gòu)建了虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

實(shí)驗(yàn)課前學(xué)生自主預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，完成測(cè)試容器的CAE虛擬仿真分析。實(shí)驗(yàn)前學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)講義及參考資料預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模斫鈱?shí)驗(yàn)原理，并熟悉實(shí)驗(yàn)裝置及整體流程。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生將實(shí)際的測(cè)試容器抽象為CAE虛擬仿真模型，確定模型載荷及約束條件，開展測(cè)試容器的虛擬仿真分析，獲取容器外壁的應(yīng)力分布曲線及變形圖。通過分析應(yīng)力分布曲線與變形圖，總結(jié)筒體與封頭過渡區(qū)域的應(yīng)力分布特性與變形協(xié)調(diào)特點(diǎn)，并與理論課堂結(jié)果進(jìn)行對(duì)比討論，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)封頭邊緣應(yīng)力分布特點(diǎn)及產(chǎn)生機(jī)理的理解。結(jié)合邊緣應(yīng)力分布曲線，設(shè)計(jì)應(yīng)力測(cè)試中的應(yīng)變片布置方案。最后撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)課中教師指導(dǎo)學(xué)生完成容器外壁應(yīng)力的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)課堂中，首先教師講解實(shí)驗(yàn)原理等，并根據(jù)預(yù)習(xí)報(bào)告反饋的情況，有針對(duì)性的進(jìn)行講解學(xué)生理解薄弱的部分。然后教師指導(dǎo)學(xué)生利用應(yīng)變電測(cè)法完成實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到各測(cè)試點(diǎn)的環(huán)向與軸向應(yīng)變，并根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計(jì)算出容器外壁應(yīng)力。在同一坐標(biāo)圖中繪制實(shí)驗(yàn)測(cè)試與CAE虛擬仿真的應(yīng)力結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比分析。引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)CAE虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并深入思考二者在工程應(yīng)用中的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)課后教師指導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新型拓展研究。實(shí)驗(yàn)課堂結(jié)束后，教師進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用CAE仿真技術(shù)研究具有復(fù)雜工程背景的案例，探索結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸、外部約束及載荷等條件對(duì)容器應(yīng)力分布的影響。通過這種研究性的拓展實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力，鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，并激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。最后學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2 全方位實(shí)驗(yàn)考核體系

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要對(duì)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行單一維度的考核評(píng)價(jià)。這種考核方法維度單一、方式簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)隨意，不能充分客觀反映學(xué)生的實(shí)際水平，而且無(wú)法對(duì)部分抄襲報(bào)告的學(xué)生實(shí)行懲罰；同時(shí)虛實(shí)融合模式的引入，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核評(píng)價(jià)體系也提出了新的要求。針對(duì)傳統(tǒng)考核方法的不足，結(jié)合虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的特點(diǎn)，構(gòu)建以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向的全方位實(shí)驗(yàn)考核體系，包括考核維度、考核方式和考核標(biāo)準(zhǔn)。通過這種立體化的考核方式，教師可及時(shí)掌握來(lái)自學(xué)生的反饋信息，從而形成教學(xué)閉環(huán)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

2.1 考核維度

虛實(shí)融合模式下過程設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、抽象建模、工具運(yùn)用、操作實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、結(jié)果分析、文檔撰寫等多方面的綜合能力與素質(zhì)。根據(jù)這一教學(xué)目的，以學(xué)生為中心構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、仿真運(yùn)用、實(shí)驗(yàn)操作、分工協(xié)作、數(shù)據(jù)分析、撰寫報(bào)告等六個(gè)考核維度，覆蓋了實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中、實(shí)驗(yàn)后的整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，注重考核學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?shí)驗(yàn)前的考核維度包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和仿真運(yùn)用，主要考核學(xué)生能否通過獨(dú)立預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)講義獲取必要的實(shí)驗(yàn)知識(shí)的能力，以及能否將實(shí)際容器力學(xué)分析問題簡(jiǎn)化建立CAE虛擬仿真分析模型的抽象建模能力。實(shí)驗(yàn)過程中，則從實(shí)驗(yàn)操作與分工協(xié)作兩個(gè)維度考核學(xué)生的實(shí)踐操作和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。實(shí)驗(yàn)課堂后，根據(jù)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，從數(shù)據(jù)分析與撰寫報(bào)告兩個(gè)維度評(píng)價(jià)學(xué)生處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)以及撰寫文檔的能力。

2.2 考核方式

虛實(shí)融合模式下的考核體系比傳統(tǒng)模式更加強(qiáng)調(diào)以學(xué)生中心，通過引入自我評(píng)價(jià)、相互評(píng)價(jià)、教師評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，對(duì)實(shí)驗(yàn)全流程中學(xué)生多方面的表現(xiàn)進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，避免單一教師評(píng)價(jià)容易受教師主觀意識(shí)影響的缺陷，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中、以目標(biāo)為導(dǎo)向的理念。實(shí)驗(yàn)前的階段，首先學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)和虛擬仿真完成情況進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，然后教師根據(jù)預(yù)習(xí)報(bào)告和學(xué)生自評(píng)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)操作中，一般以小組形式開展實(shí)驗(yàn)操作，因此采取互評(píng)與教師評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，即小組成員之間對(duì)實(shí)驗(yàn)操作、分工協(xié)作等進(jìn)行互相評(píng)價(jià)，而教師則以指導(dǎo)者的身份對(duì)小組團(tuán)隊(duì)的操作、協(xié)作能力進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)課后，教師對(duì)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行定量考核。三種評(píng)價(jià)方式相結(jié)合涵蓋了實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的每個(gè)階段、各個(gè)方面都得到充分客觀的考核。

2.3 考核標(biāo)準(zhǔn)

由于考核維度廣、考核方式多，因此需要制定一套完整的合格標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)習(xí)報(bào)告主要反映學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)掌握情況，因此條理清晰、結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)容詳實(shí)是合格的基本要求；CAE虛擬仿真分析的關(guān)鍵核心在于實(shí)際問題的抽象建模，其合格標(biāo)準(zhǔn)為所建立的仿真模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，約束與載荷正確。實(shí)驗(yàn)操作過程中，應(yīng)理解實(shí)驗(yàn)原理，能夠熟悉操實(shí)驗(yàn)儀器，知曉安全防護(hù)措施，同時(shí)與小組成員能夠很好的分工協(xié)作，不會(huì)出現(xiàn)配合不協(xié)調(diào)、協(xié)作不愉快的情形。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求為實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃黻U述清晰，實(shí)驗(yàn)步驟條理清楚，圖表數(shù)據(jù)展示符合規(guī)范，結(jié)果分析討論嚴(yán)謹(jǐn)無(wú)誤，拓展研究體現(xiàn)創(chuàng)新。

3 結(jié) 語(yǔ)

為發(fā)揮過程設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力方面的重要作用，將CAE虛擬仿真技術(shù)融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，構(gòu)建了虛實(shí)融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。針對(duì)該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，分別從考核維度、考核方式、考核標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)方面，形成以學(xué)生為中心、目標(biāo)為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)考核體系，全方位考核評(píng)價(jià)虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ行гu(píng)價(jià)新模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，以構(gòu)成教學(xué)閉環(huán)，持續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。