基于虛擬仿真的“制冷壓縮機”課程教學與實踐訓練改革

［摘 要］ 基于“卓越工程師培養計劃”的課堂教學要求，結合“制冷壓縮機”課程大綱及教學內容，提出了基于虛擬仿真平臺的“制冷壓縮機”課程教學與實踐訓練改革。在教學內容方面，通過歸納教學內容，加強學生對于知識內容的掌握，并使教學內容與前沿技術和工程應用緊密聯系，拓寬學生的眼界；在教學方法方面，通過引入模擬軟件和虛擬實驗，豐富授課方法，激發學生的學習興趣；在實踐訓練方面，著重強調理論知識的應用，開發多層次、多模塊的實驗實踐訓練體系，培養學生的理論知識應用能力、動手能力、解決實際工程問題的能力、創新思維、團隊協作能力等綜合素質。

［關鍵詞］ 制冷壓縮機；虛擬仿真；課程教學；實踐訓練

［基金項目］ 2021年度重慶大學本科教學教改項目“基于虛擬仿真平臺的《制冷壓縮機》課程教學與實踐訓練改革”（2021Y23）；2022年度重慶大學本科教學教改項目“智慧能源背景下《動力工程計算方法》理論與實踐教學的深化改革”（2022Y13）

［作者簡介］ 孫 皖（1988—），男，山東臨沭人，博士，重慶大學能源與動力工程學院副教授，主要從事制冷與低溫技術、制冷壓縮機研究；劉江巖（1992—），男，湖南湘潭人，博士，重慶大學能源與動力工程學院講師，主要從事空調制冷研究；徐肖肖（1980—），女，浙江溫州人，博士，重慶大學能源與動力工程學院教授，主要從事熱泵空調研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）13-0061-04 ［收稿日期］ 2023-10-31

引言

“卓越工程師培養計劃”是教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010—2020年）》的重大改革項目，旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措［1-4］。

重慶大學能源與動力工程本科專業入選國家“卓越工程師培養計劃”，其中“制冷壓縮機”課程是能源與動力工程專業一門重要的專業課程。制冷壓縮機是蒸氣壓縮式制冷空調系統的關鍵部件，對于制冷空調行業產品的節能、HCFCs制冷劑的替代以及制冷產品在應用領域的拓展有著至關重要的作用。“制冷壓縮機”課程以工程熱力學、流體力學、傳熱學等專業知識為基礎，以解決工程應用中的具體問題為目標，是從理論轉向實踐、從專業過渡到技術的紐帶和橋梁。因此，該課程的教學過程是造就制冷行業創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才，以及培養卓越工程師基本素質的重要階段。這就要求教學中不僅要考慮學生對理論知識的理解和掌握，還要注重培養學生分析、解決實際問題的能力。

一、現狀分析

（一）教學內容方面

制冷壓縮機種類較多，包括往復活塞式、轉子式、渦旋式、螺桿式、滑片式以及離心式等，在目前加強基礎、淡化專業、拓寬學生知識面的新形勢下，多數高校將各類壓縮機精煉為一門課程，教學內容多且授課總學時大幅減少，使得該門課程具有概念多、分類多、層次多的主要特點，這就導致學生學習時內容繁復、思路不清晰、知識點龐雜，在介紹各類產品設備型式和分析具體系統結構等內容時，無法形成直觀的全方位展示［5］。

（二）教學方法方面

“制冷壓縮機”課程大部分內容概念抽象、計算公式多，導致學生較難理解，如涉及介紹回轉式壓縮機時，與傳統的往復活塞式不同，回轉式壓縮機工作原理是利用工作容積的大小或位置發生周期性的變化來實現氣體增壓，需要學生具有一定的幾何空間想象能力。為了形成一套完整的制冷壓縮機知識體系，本課程除了介紹各類壓縮機的工作原理、總體結構、主要零部件、輔助設施等記憶理解方面的知識，還涉及了熱力性能計算、動力學分析等內容，這對學生數學計算能力具有較高的要求。傳統的板書式教學或簡單的多媒體教學，僅僅依靠課程中簡單的圖片和動畫，并不能很好地達到使學生深刻理解和熟練應用教學內容的目的。

（三）實踐訓練方面

實踐環節是學生在理論學習的基礎上所進行的最為直觀、最能檢驗理論教學效果的有效方式，也是面向工程應用培養創新人才的重要環節。但目前該課程的教授主要以理論教學為主，實驗課程課時相對較少，即使開設了相關實驗課程，但由于受實驗設備和資源的限制，大部分高校還是以傳統活塞壓縮機的拆裝大實驗為主，一方面這種集體性實驗不能保證每名學生得到充分的實踐訓練，另一方面對于學生學習制冷壓縮機的新機型、新技術未有相應的實踐訓練課，同時簡單的拆裝實驗報告并不是檢驗理論知識應用于工程問題的有效方式。

針對本課程存在的教學內容多且部分內容滯后、傳統教學方法效果有限、實踐訓練與工程應用欠缺等問題，本論文提出以培養高質量工程技術人才為中心思想，基于虛擬仿真平臺對課程的教學內容、教學方法、實踐訓練進行探索與改革。

二、課程改革內容

（一）歸納教學內容，緊密聯系前沿

在理論教學內容方面，首先應梳理課程內容，避免簡單地按目錄教學，應對具有相同特點的教學內容進行總結歸納教學，比如對于容積式壓縮機中的《往復活塞式》《滾動轉子式》《渦旋式》《螺桿式》等章節，其均介紹了壓縮機的工作原理、熱力計算、振動與噪聲、密封等內容，應多進行對比教學，使學生能夠全方位立體地了解各類壓縮機的工作原理與特點；其次，可以以實際工程中的前沿技術和熱點問題為指引，引入新型制冷劑壓縮機、跨臨界CO2制冷壓縮機、鐵路汽車交通運輸空調制冷壓縮機、熱泵空調壓縮機等內容，歸納教學內容，使之與前沿技術和工程應用緊密聯系。課程還應強調工程實踐中的倫理和可持續性考慮，使學生了解在選擇制冷劑和系統配置時，需要考慮環境影響和能源效率，以滿足現代工程實踐的要求。

（二）豐富授課方法，激發學生學習興趣

在教學方法方面，引入模擬軟件和虛擬實驗。制冷系統的實驗室設備可能不易獲得或操作成本較高，因此，引入計算模擬軟件和虛擬實驗可以彌補這一缺陷。通過制冷壓縮機3D部件和裝配圖、工作原理動畫、系統回路等資源庫，使學生可以以更為直觀、便捷、感興趣的方式學習壓縮機結構、工作原理、抽象概念、熱力計算、動力分析等內容。另外，學生可以使用這些工具模擬制冷系統的運行，了解不同參數對性能的影響。這不僅為學生提供了更便捷的學習方式，還有助于他們深入理解制冷系統的運行機制。教學中可以引入實際工程案例，以展示制冷壓縮機在不同應用中的重要性。學生可以分析這些案例，了解制冷系統的設計、故障排除和維護方面的實際挑戰。通過這種方式，他們將更好地理解制冷壓縮機的實際應用，以及在工程實踐中如何應對各種問題。鼓勵學生參與小組討論和項目，以激發合作和互動。學生可以一起探討制冷系統的設計、性能優化或環境考慮等話題，這有助于培養學生的團隊合作和問題解決能力，并激發他們的興趣。

（三）注重實踐訓練，培養創新思維

在實踐工程訓練方面，著重強調理論知識的應用。基于虛擬仿真平臺，開發基礎運用實驗、綜合設計實驗、創新研究實驗的多層次、多模塊的實驗實踐訓練體系，培養學生的理論知識應用能力、動手能力、解決實際工程問題的能力、創新思維、團隊協作能力等綜合素質。為學生提供實習機會，使他們有機會在實際工程項目中應用所學的知識。這將加強他們的實際技能，了解行業的需求和挑戰。鼓勵學生參加制冷和能源效率方面的競賽，以提高他們的創新思維和問題解決能力。這些競賽為學生提供了鍛煉創新技能的機會。

三、實踐訓練實例

本文以《滾動轉子式制冷壓縮機的工作容積與氣體壓力》章節內容為例，具體說明了課程教學與實踐訓練改革在學生基礎知識掌握、教學方法改進、實踐訓練等方面的體現。該章節內容主要包括了滾動轉子式壓縮機的氣缸容積與工作壓力隨轉角變化的規律、結構參數偏心距對于吸氣容積的影響、吸氣孔口前邊緣角及排氣孔口后邊緣角對于工作過程的影響分析。本文基于Matlab構建了滾動轉子式制冷壓縮機的計算軟件，如圖1所示。

輸入參數設置主要包括滾動轉子式壓縮機的氣缸半徑、轉子半徑、偏心距離、轉子長度、吸氣開始角、排氣開始角及壓縮多變指數；輸入結構參數后，點擊“運行”按鈕，可以獲得氣缸工作容積、相對偏心距e/r（r為轉子半徑）及e/R（R為氣缸半徑）、吸氣容積與壓縮容積隨著轉角的變化曲線以及基于容積內壓力隨轉角的變化曲線，如圖1所示。基于此虛擬仿真可開展的教學設計有以下方面：（1）氣缸工作容積與結構參數（氣缸半徑、轉子半徑、偏心距離及轉子長度等參數）的關系，可以反映出氣缸容積的有效利用率。（2）相對偏心距對于吸氣容積及壓縮容積的影響規律。隨著相對偏心距的增大吸氣容積也隨之增大。（3）吸氣孔口前邊緣角與排氣孔口后邊緣角的位置選擇依據。由吸氣容積與壓縮容積隨轉角的變化曲線可以看出，轉角在0°～30°及330°～360°范圍內，吸氣容積與壓縮容積隨轉角的變化極小，因此滾動轉子式壓縮機的余隙容積很小，另外由于吸氣孔口前邊緣角的存在造成的回流對于吸氣過程的影響也很小。（4）結構參數及熱力參數（包括排氣開始角及壓縮多變指數）對于基于容積內壓力隨轉角變化曲線的影響。

結語

“制冷壓縮機”課程教學與實踐訓練改革要結合教學內容、教學方法及實踐訓練，從歸納教學內容、緊密聯系前沿，豐富授課方法、激發學生學習興趣，注重實踐訓練、培養創新思維三方面入手，以解決工程應用中具體問題為目標，在教學中考慮學生對理論知識的理解和掌握，以多媒體、互動式教學、案例分析及小組討論等多種授課方法，注重培養學生分析、解決實際問題的能力，造就制冷行業創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才，并培養卓越工程師基本素質。

參考文獻

［1］楊文煥，李衛平，于玲紅，等.基于給排水卓越工程師培養的課程實踐教學方法改革［J］.教育教學論壇，2014（24）：52-53.

［2］吳江，任建興，潘耀芳，等.基于培養模式改革的卓越工程師計劃探索與實踐［J］.中國電力教育，2013（32）：30-31.

［3］韓建海，杜輝，仝克勤，等.校企協同育人構建卓越人才培養新模式［J］.教育教學論壇，2015（13）：30-31.

［4］劉煥衛，高興奎，周秋淑.基于“卓越計劃”的制冷壓縮機教學改革［J］.科技視界，2015（25）：79.

［5］何永寧，張業強，邢林芬，等.以容積效率為主線的制冷壓縮機課程教學改革與實踐［J］.教育教學論壇，2020（32）：175-176.

Reform of Teaching and Practical Training for the Refrigeration Compressor Course Based on Virtual Simulation： A Case Study of Teaching Scroll Compressor

SUN Wana，b， LIU Jiang-yana，b， XU Xiao-xiaoa，b

（a. Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems， b. School of Energy and Power Engineering， Ministry of Education， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： In accordance with the requirements of the “Excellent Engineer Training Program”， this paper proposes a reform for the teaching and practical training of the Refrigeration Compressor course based on a virtual simulation platform. Aligning with the course outline and content， the reform aims to enhance students’ mastery of knowledge by summarizing teaching content， connecting it closely with cutting-edge technologies and engineering applications to broaden students’ perspectives. In terms of teaching methods， the introduction of simulation software and virtual experiments is advocated to diversify teaching approaches and stimulate student interest. Regarding practical training， emphasis is placed on the application of theoretical knowledge. The development of a multi-level， multi-module experimental training system is suggested to cultivate students’ comprehensive abilities， including the application of theoretical knowledge， practical skills， problem-solving abilities in actual engineering scenarios， innovative thinking， and teamwork collaboration skills.

Key words： Refrigeration Compressor; virtual simulation; course teaching; practical training