流體機械類課程實驗教學改革與實踐

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摘要：針對流體機械類課程實驗教學的現(xiàn)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(gòu)建開放性創(chuàng)新實驗平臺等實驗教學改革；并結(jié)合直接數(shù)值建模方法和主要零部件3D打印技術，構(gòu)建了可實現(xiàn)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?；趧?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

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(xiàn)。下面就具體問題展開分析并提出教學改革。

（一）實驗教學內(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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(xiàn)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(nèi)實驗變?yōu)楠毩⒄n程，增加了授課內(nèi)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(xiàn)人才培養(yǎng)目標。另外，現(xiàn)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(diào)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(shù)據(jù)進行討論和分析，得到相應的規(guī)律和結(jié)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(nèi)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(nèi)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(zhì)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(jié)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(gòu)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(jié)合直接數(shù)值建模方法和主要零部件3D打印技術，構(gòu)建了可實現(xiàn)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

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?？臻g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(cè)分別設計螺栓緊固槽。橫向滑軌主要用于固定中心轉(zhuǎn)子的軸向精確定位支架，并起到調(diào)整中心轉(zhuǎn)子支架軸向位置的功能。橫向滑軌兩側(cè)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(zhuǎn)式流體機械從動轉(zhuǎn)子軸支架的導向和精確定位作用。中心轉(zhuǎn)子和平行軸從動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸均是水平布置，中心轉(zhuǎn)子軸支架的底端面開有矩形槽與橫向滑軌配合實現(xiàn)定向滑動，平行軸從動轉(zhuǎn)子軸支架結(jié)構(gòu)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(xiàn)定向滑動的矩形導軌凸塊。這兩組水平軸的轉(zhuǎn)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(xiàn)緊固定位。另外，在轉(zhuǎn)子軸孔外側(cè)面均設計有帶有調(diào)節(jié)螺釘?shù)亩松w，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向位置的精確控制。垂直軸從動轉(zhuǎn)子軸支架主要包括轉(zhuǎn)子軸支架、上頂尖、下頂尖、端蓋和調(diào)節(jié)螺釘組成。轉(zhuǎn)子軸支架起到支撐從動轉(zhuǎn)子軸的作用，并通過上頂尖、下頂尖、端蓋和調(diào)節(jié)螺釘組成從動轉(zhuǎn)子軸的軸向調(diào)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(jù)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(jù)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(shù)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(shù)值建模方法和3D打印技術，構(gòu)建三維模型，并安裝在該開放性實驗平臺上，一方面可以結(jié)合三維數(shù)值模擬的計算結(jié)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?？蔀閷W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(jié)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(xiàn)狀，針對目前實驗教學中存在的教學內(nèi)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(gòu)建開放性創(chuàng)新實驗平臺的措施。并結(jié)合直接數(shù)值建模方法和主要零部件3D打印技術，構(gòu)建了可實現(xiàn)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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作者：王增麗 王皓 李強 王君 單位：中國石油大學（華東） 化學工程學院