《過程流體機械》案例庫建設與案例教學實踐應用研究

郭俊江，劉 浪，唐石云，葛武杰，陳麗軍

(貴州理工學院化學工程學院，貴州 貴陽 550003)

隨著“復旦共識”與“天大行動”的達成，新工科已成為改革話語中最為醒目的關鍵詞。國家和地方實施創新驅動發展、“互聯網+”、國際國內雙循環新格局等重大戰略對高等工程教育改革提出了迫切要求[1]。同時，隨著《關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》【教發[2015]7號】的出臺，部分普通本科高校教學模式從理論型向應用型轉變的需求變得十分迫切。在這一背景下，地方高校對應用類專業課程的教學應當更加注重培養學生的理論聯系實際、解決實際問題的能力。

對于眾多地方工科院校而言，都在已有教學理論體系的基礎上充分借鑒國內外工程教育的先進經驗和理念，結合各自的培養目標，努力探索新的教學模式[2]。其中，案例教學法相較于傳統方法，不僅注重知識、理論傳授，而且在拔高學生推導理解能力以及解決實際問題能力等多方面都具有十分顯著的優勢。

《過程流體機械》的傳統教學模式是以灌輸方式向學生生硬地傳授專業知識，嚴重制約了學生學習潛能，損害了學生自主學習的興趣和積極性。尤其是關《過程流體機械》中相對抽象的課程內容和理論計算，傳統模式的課程講解對于引發學生的學習興趣十分困難，使得學生接受和應用課程知識的能力不足，無法滿足我國對于應用型人才的培養目標。因此，探索《過程流體機械》的新型教學模式顯得尤為必要。目前,已經有文獻報道了在《過程流體機械》教學方法上的探索、嘗試和改革等方面的研究工作[3-4]。

案例教學法在工程科學課程中應用較多，如在《化工熱力學》課程中馮新等[5-6]將生活中一些常見的現象(如天然氣的液化壓縮和貯存、機動車輪胎充氣等問題)引入《化工熱力學》教學，有效引導學生透過現象看本質，極大地提高了學生的學習興趣。劉兆增等[7]以工程視角結合卓越工程師培養目標對《過程流體機械》(如離心泵、離心式壓縮機和往復式壓縮機)以教學案例的形式展開討論，可以極大地提高學生分析和解決問題的能力。從反饋結果看，案例教學使得教學內容更加形象生動，可以有效激發學生學習積極性，培養學生工程意識和創新思維，提高教育教學質量。但總體上，目前案例教學在《過程流體機械》課程中的應用相對較少，因此探索案例教學法在《過程流體機械》課程中的應用與研究顯得尤為必要。本文以《過程流體機械》課程為例，結合校情，探討該課程的案例庫建設及案例教學法實施思路與模式，以期為其他專業實踐課程的案例庫建設和案例教學提供有益參考。

1 過程流體機械案例庫建設必要性

案例教學可以看作理論教學形式的一種效果顯著的輔助教學方法，對于培養學生實踐以及工程思維能力具有十分關鍵的作用。《過程流體機械》作為過程裝備與控制工程專業的必修專業課程，同時也是實踐性較強的一類專業核心課程，其教學目的是讓學生熟悉經典的過程流體機械的基本工作原理、主要結構、工作特性以及能夠表征其生產能力的技術經濟指標，具備典型過程流體機械的性能計算以及選型的能力[8]。目前《過程流體機械》教學案例雖然多數設計較為嚴謹，但由于反應的問題比較有針對性以及地域的局限性，很難在各地方高校普遍化應用。許多新型化工行業，如國家“十四五”規劃特別提到的新能源開發、新材料新工藝等相關案例極度匱乏。因此有必要對《過程流體機械》教學案例庫進行收集、整理、分析和更新。積極從工程角度出發，同時結合實際應用，為過程裝備與控制工程專業的學生在化工、石油、冶金、能源、輕工、環保、醫藥、食品、機械及勞動安全等過程工業方面的工作打下堅實的基礎。

2 過程流體機械案例庫建設方法

(1)明確案例庫的教學形式和目的

明確教學案例庫主要是通過老師結合工程實際應用進行整理、設計，隨之進行課堂教學的一種輔助教學形式，可以通過實物、視頻展示以及網絡資源對涉及的教學內容進行展開式學習，可以有效強化學生對相關知識的重難點的記憶和掌握。比如，離心泵氣蝕原理，針對氣蝕這個抽象概念的學習過程中建立比較豐富的案例庫，并配以適當的教學設計。教師在講解知識的同時，通過對工程案例進行深層次分析，并且在學生層面形成開放式討論，在多種形式的結合下可以十分顯著地提高教學成效，加深學生對于這一抽象理論的認識。

(2)找準案例庫建設原則

《過程流體機械》課程具有融合多學科理論、工理結合、覆蓋面廣、實踐性強的特點。因此，教學案例庫的建設原則應該以過程流體機械在化工、石油等行業中運用為背景去設計相應的教學案例，以具體實物和過程中發生的情景作為切入點，并突出理論教學與實際應用相結合的特點，涉及的問題和解決問題的方法要著力體現工程技術、經濟評價等知識的綜合運用。在案例設計過程中需要保證其鮮明的行業特色，選用案例盡可能多地關聯和應用專業課程中講授的理論、方法、知識點，使得案例庫與課程體系相匹配，成為培養方案和課程體系中不可或缺的重要組成部分。

(3)對教學案例進行收集、評價、整合與篩選

案例來源渠道眾多，教師可以通過網絡資源或企業獲取。由于案例素材眾多，因此教師對搜集到的案例素材進行評價，素材應該吻合實際的教學體系，同時能夠讓同學借用理論知識去回答和解決案例中出現的事故。合理刪除與課程教學無關的信息，甚至需要對部分案例進行設計與修改。因此，教師應精選案例素材，使入選案例之間、案例與教材之間以及案例與培養目標之間形成一個有機整體，以更好地服務教學。在功能上，案例應突出知識的應用、問題的解決和能力的培養，有針對性地培養學生實踐應用能力和科學創新思維。

3 工程案例教學分析

3.1 離心泵汽蝕教學案例

關于離心泵氣蝕案例教學分析。汽蝕是離心泵無法通過結構設計進行避免而且具有嚴重危害的一種現象。對于相關知識點的理解，我們可以設計如下案例。如某化工廠選購一臺吸水的離心泵，離心泵流量范圍在200～220 m3，正式投入使用過程中發現離心泵產生較大的噪音，震動劇烈且達不到設定的壓力值，我們在設計的案例中也給出了離心泵的具體參數，最終讓學生判定所給泵是否能夠正常工作。

在問題解析過程中，首先提出離心泵產生汽蝕的主要原因，汽蝕是由于所輸送流體在泵入口到葉輪如口有所下降，如過這個壓力降低且剛好低于所輸送液體的飽和蒸汽壓，那么液體就會發生汽化產生氣泡，同時溶解在液體中的氣體也會以氣泡的形式逸出。隨著葉輪做功那么產生的氣泡在高壓區會發生潰滅產生空穴，從而會造成周圍高壓流體對材料高頻次，高沖擊應力的載荷，進而對材料造成破壞，這種綜合現象就是汽蝕現象。其次，教師可以有效引導學生進行開放性討論，學生可以靈活利用有效氣蝕余量和必須氣蝕余量的概念以及相應計算表達式去判斷該離心泵是否發生了氣蝕故障，進而判斷該泵是否能夠正常工作。當然在設計案例過程中應當給出能夠正常工作和不能夠正常工作的多個案例。最后，對于不能夠正常工作的泵(有效汽蝕余量小于必須汽蝕余量的情況)，要求同學們結合計算原理分析有效的解決方法。例如，降低流體流量大小，降低吸入裝置的安裝高度或改成倒灌的形式等都可以有效改善氣蝕故障。讓同學們結合案例分析以及開放性討論掌握汽蝕產生機理以及汽蝕預防措施等相關知識點。

3.2 離心壓縮機喘振教學案例

關于離心壓縮機喘振案例教學分析。我們可以設計如下案例，如某石化橡膠工廠空壓站有4臺壓縮機，但是其中1號壓縮機多次反復發生停機故障，測試結果發現其管網特性曲線變陡，而且現場也能觀測到流量變小，噪音加劇的現象。

在問題分析過程中，首先給出離心式壓縮機發生喘振的一些現象，如壓力表和流量計大幅度波動；出口氣流忽進忽出；產生噪聲(吼叫)；產生大量熱量，電流波動等現象。通過對離心壓縮機的理論知識分析，讓同學們明白該壓縮機發生了喘振事故，并同時讓學生知道喘振發生的機理。其次，引導學生開放性討論，討論影響和產生喘振的主要因素。比如流量的變化，入口壓力，入口的溫度，壓縮機的轉速，輸送介質的相對分子質量，管網特性曲線等因素，讓同學們深刻明白這些參數的變化對于喘振發生的影響。最后，結合案例可知，實際測量發現管網特性曲線變陡，主要是因為管網阻力增加，導致保證相同的流量運輸所需要的流體壓力更高。然后讓同學們詳細討論可能引起阻力增加的原因，這個過程中我們也可以設計小組的形式進行分析討論。給與一定討論時間后由老師給出分析和結論。管網阻力增加的主要原因：一是由于壓縮機出口管路上的閥門故障，導致管網阻力增大；其次也可能是排氣通道堵塞，也會導致管網阻力增大。這樣可以強化學生對于喘振機理，引發喘振的因素及喘振相關的其他知識點進行學習理解以及強化記憶。

結合實際教學案例，引導學生開放性討論，可以讓學生從工程思維的角度去接觸和分析工程案例過程中所涉及的理論知識，并提出有效的解決方法，培養學生對工程問題的理解能力，強化學生的理論知識學習。

4 案例教學評價及改革

傳統教學方法主要以應試教育的形式為主，這極大地限制了學生自主學習能力，無法充分調動學生的學習興趣。相比之下，案例教學法可以結合工業實際的生產過程實例進行研討，學生在開放式探討過程中可以發揮主觀能動性，這對學生創造力、創新能力等的培養和提高具有很大裨益。為了配合案例教學，有必要對整個課程體系進行教學評價及改革。

傳統的教學評價通常采用總結性評價，評價主要以卷面成績為依據，無法完整表現出學生的學習效果。案例教學形式結合OBE教學模式，教學評價不止停留在學生的卷面成績還可以通過平時表現，課程討論的形式進行綜合體現，全面評價學生對于課程知識的獲取，專業素養的形成等情況。一方面，采用雨課堂可以有效對學生課前、課中和課后全過程的學習行為進行大數據收集，教師通過實時監測每位學生的行為表現，即時追蹤學生學習狀況，為教師的個性化指導與合理、客觀的評價提供有效證據[9]。另一方面，建立完善的評價機制和評分標準，在考核結果中充分體現學生對知識的掌握度和各項能力的成長情況。只有充分掌握了各項情況，教師才能夠在教學過程中以及教學結束后有針對性地改善和優化教學內容，并為提升教學效果盡一切努力。

5 結 語

《過程流體機械》作為一門實踐性很強的專業類課程，案例教學法的引入可以有效激發學生學習興趣，培養學生自主學習能力，提升學生對課程知識的掌握程度。《過程流體機械》案例庫的建設和教學實施，可以幫助學生培養工程思維，在結合理論學習的前提下使學生可以合理運用工程意識去分析和解決工程實際問題。此外，在引導學生自主分析和解決問題能力的基礎上，相關教學方法還可以有效培養學生的責任感和自豪感，契合《關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》的頂層要求。