過程設備設計力學基礎課研究型教學探討及案例分析

蔣文春 李國成

摘要 過程設備設計力學基礎是過程裝備與控制工程專業(yè)基礎課,在工程科學與應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系中具有重要作用。結(jié)合課程特點和典型案例,探討如何進行過程設備設計力學基礎課研究型教學,從科研融入教學、基礎理論的講解與應用、課外學習研究、教學內(nèi)容的拓展和更新、考核方式改革等方面出發(fā),嘗試尋找一條培養(yǎng)創(chuàng)新型科學與工程應用人才的新途徑。

關(guān)鍵詞 過程設備設計力學基礎;研究型教學;創(chuàng)新能力

中圖分類號:G642 文獻標識碼:A 文章編號:1671-489X(2009)30-0011-03

Research-based Teaching and Case Analysis for Mechanics Basis of Processing Equipment Design//Jiang Wenchun, Li Guocheng

Abstract Mechanics basis of processing equipment design is the basic course of process equipment and control engineering, which plays an important role in the innovation personnel culture system. This paper explores the technologies of research-based teaching combined with the course characteristics and typical case. The discussion is focused on introducing research into teaching, the basic theory explanation and application, extra-curricular study and research, the expansion and updating of teaching content and the reform of examination methods. This work tries to find a new foster approach to scientific and engineering application human resources.

Key words mechanics basis of processing equipment design; research-based teaching; Innovation

Authors address College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Dongying, Shandong, 257061, China

目前,國內(nèi)許多大學將教學研究型大學作為奮斗目標。當今世界各國高校的教學改革都在圍繞如何培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、研究能力和實踐能力來展開。教學研究型大學的建立需要研究型教學。對于基層教師,在教學研究型大學建設過程中所起的作用為:轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教育觀念,大力推進教育教學改革,從以教師為中心向以學生為中心、教師為主導轉(zhuǎn)變,從講授型教學向研究型教學轉(zhuǎn)變。

過程設備設計力學基礎是過程裝備與控制工程專業(yè)基礎課程,主要講解化工設備機械設計的力學基礎理論。由于過程設備設計力學基礎內(nèi)容較多、理論性較強、學時偏少,同時傳統(tǒng)教學以教師講解為主,模式單一,影響學生對基礎力學理論的掌握,限制學生分析問題與解決實際問題的能力。為解決這個問題,近年來,筆者進行研究型教學,以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為目的,融學習與研究為一體,引導學生創(chuàng)造性地運用基礎理論知識,自主發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題。筆者曾跟隨首屆國家級教學名師獎獲得者、清華大學范欽珊教授從事研究型教學,本文結(jié)合范欽珊教授研究型教學理論以及本課程特點,探討如何在化工設備設計力學基礎這門課中進行研究型教學。

1 將科學研究融入教學

高校的教學和科研是相輔相成的,“教而不研則淺,研而不教則空”。關(guān)于教學與科研的關(guān)系,理論研究普遍認為,要通過教學帶動科研,通過科研促進教學。然而對于具體課程,要實現(xiàn)這一目標并非易事。因為將科研融入教學,需要具體的教學案例。案例要適合學生,學生要能夠利用所學基礎理論,來理解和參與到科研活動中來,才能夠促進教學。如果科研案例理論性太強,學生無法理解和參與,則達不到效果。

從2006年開始,筆者參與《微小型過程機械高溫封裝的仿真研究》這一項目,主要針對板翅式換熱器高溫釬焊技術(shù)進行研究。此項目得到國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金的資助。板翅式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、輕巧而牢固、適應性強、經(jīng)濟性好,被廣泛運用在石油化工、航空航天、原子能和國防工業(yè)等領域。在研究中發(fā)現(xiàn),板翅結(jié)構(gòu)應力計算尚沒有合適的方法,這個基本的力學問題尚沒有得到解決。這主要是由于板翅結(jié)構(gòu)非常復雜,現(xiàn)有規(guī)范都沒有涉及,國內(nèi)外尚沒有完整的計算方法。而本科生利用材料力學的相關(guān)基本理論知識,可以得到一些有用信息。將此作為研究型教學的案例,非常合適。

為此,筆者在課堂上把這個問題進行介紹:板翅式換熱器的基本單元由翅片、隔板、封條和倒流片組成,它是在隔板(金屬平板)上放一翅片,再在其上放一隔板,然后兩邊以邊緣封條密封而組成一個基本單元;將許多基本單元用專用夾具裝夾牢固后,采用真空釬焊的方法制成板翅式換熱器的芯體(基本結(jié)構(gòu)見文獻[5]),要求計算隔板和翅片的應力。

首先介紹課題背景、研究內(nèi)容與要解決的問題。當學生了解了課題背景之后,尤其是了解到耐高溫板翅結(jié)構(gòu)在高溫氣冷堆發(fā)電和制氫系統(tǒng)領域有廣闊的應用前景,而我國在此領域還沒有掌握關(guān)鍵的制造技術(shù)時,課堂氣氛十分活躍,學生熱情高漲,興趣濃厚。課后,學生主動去圖書館、上網(wǎng)搜集資料,同時了解到很多相關(guān)知識,開闊了眼界。

后來分析,過程設備設計力學基礎就是一門理論性很強的學科,傳統(tǒng)的授課以理論講解、公式推導為主,十分枯燥。學生即使理解并記住幾個公式,卻不知道如何運用理論知識去解決實際問題。而通過科研項目的介紹,學生了解到基礎理論在生產(chǎn)實際中的用武之地時,興趣被調(diào)動起來,以較高的主動性和積極性參與到研究型教學中來,這就是科研融入教學所起的作用之一。

科研項目的介入提高了教學內(nèi)容的先進行、科學性。將科研項目融入教學,采用的教學案例要堅持以下幾點:1)案例要具有工程應用背景;2)案例要適合學生,理論性不能太強;3)學生能夠利用課程基礎理論,解決實際問題;4)案例不在數(shù)量,重在質(zhì)量,具有典型性,能夠觀貫穿課程教學的始終。

2 重視基礎理論的講解與應用

課程教學的關(guān)鍵是使學生掌握基礎理論知識,而困擾學生的問題是如何應用基礎理論知識來解決實際問題。因此,要通過科研案例,讓學生利用所學基礎理論知識,解決實際問題。一方面能夠促進學生對基礎知識的理解,另一方面能夠讓學生認識到基礎理論知識學習的重要性。

對于所提問題,對學生進行講解和相關(guān)提示后,部分學生能夠解決問題。對于翅片強度,假設由于介質(zhì)壓力作用在上下兩隔板而產(chǎn)生的垂直于隔板表面方向的總應力全部由翅片承受,根據(jù)力的平衡方程,可以得到翅片中的應力為。式中,σ為翅片中的應力,為相鄰通道的壓力差,為翅片厚度,a為翅片內(nèi)距。

對于隔板,受到大量翅片支撐的隔板可以近似看成受均勻側(cè)壓力的連續(xù)梁,每個翅片均可以近似為一支點。將任意2個相鄰翅片間的隔板獨立出來,簡化為一個簡支梁,根據(jù)相關(guān)計算公式,可以得到隔板中最大彎曲正應力:。式中,為壓力差,a為翅片內(nèi)距,b為隔板厚度。

通過以上分析發(fā)現(xiàn),利用力的平衡原理以及簡支梁的基本知識,可以推導出翅片和隔板中的應力。而這2個基本知識,是材料力學最基本的知識點。由此可以發(fā)現(xiàn),加強基本理論知識的講解,對于提高學生解決問題的能力至關(guān)重要。

3 引入有限元軟件,進行課外學習研究

研究型教學就是要鼓勵學生“在學習中研究,在研究中學習”,鼓勵學生不要滿足于書本上的知識,要研究和掌握書本上沒有的東西。為此,在教學過程中鼓勵學生閱讀和教學內(nèi)容相關(guān)的科研和教學論文,鼓勵學生自己去查閱,培養(yǎng)學生搜集資料、閱讀文獻的能力,逐步養(yǎng)成研究問題的良好習慣。在課外作業(yè)中,改變題海戰(zhàn)術(shù),在基本題訓練基礎上,鼓勵學生研究一些“學習研究問題”。這些學習問題,可以是基本內(nèi)容的延伸和擴展,也可以是過程實際或者科學研究問題。

對于過程裝備與控制工程專業(yè)的本科生,掌握壓力容器應力分析和強度校核的方法至關(guān)重要。同時,掌握一個計算機分析軟件對將來就業(yè)和讀研也非常重要。為此,將有限元軟件引入過程設備設計力學基礎這門課的教學中來,讓學生學習有限元軟件ABAQUS,主要讓學生學會利用有限元軟件進行應力分析與強度校合。當時,這種做法具有很大的爭議。部分教師認為,有限元法理論性很強,本科生難以掌握。采取的做法是:簡單介紹有限元法的概念,基本理論知識不作深入講解,重要講解軟件的應用。實踐證明,這種做法是正確可行的。學生能夠?qū)W會使用有限元軟件,進行應力分析。一屆學生學會使用有限元軟件后,讓優(yōu)秀的學生給下一屆的學生講解軟件的應用,取得良好的效果。在跟隨范欽珊教授從事研究型教學過程中,范欽珊教授曾讓南京工業(yè)大學的學生到上海大學講解有限元軟件的使用,取得很大的反響和良好的效果。后來發(fā)現(xiàn)當初的擔心是多余的,因為很多研究生都使用有限元軟件,但他們對有限元的理論知識掌握也不是很深,關(guān)鍵是學會如何使用軟件。

對于所提問題,讓學生學習有限元軟件ABAQUS,進行應力分析,并與理論分析結(jié)果進行比較,主要讓學生學會如何建立幾何模型、設置材料參數(shù)、劃分網(wǎng)格、施加載荷和計算分析等。學生掌握ABAQUS的用法以后,每人建立具有不同幾何尺寸的有限元模型,討論幾何參數(shù)的變化對應力的影響,并要求撰寫學習研究論文。學生共建立42個不同參數(shù)的有限元模型。

結(jié)果發(fā)現(xiàn),學生在規(guī)定時間內(nèi)很好地完成了任務。學生發(fā)現(xiàn),理論計算與有限元分析結(jié)果差距較大。在不同載荷下,翅片中最大應力σmax與a/δ均呈線性關(guān)系。對不同載荷下的應力與a/δ分別進行線性擬合,得到翅片應力計算公式:;。同樣發(fā)現(xiàn)隔板中最大彎曲正應力可以表達為;。

這個案例的特點是適合學生,學生能夠利用基礎理論知識來分析和解決問題。通過這個案例,學生對板翅結(jié)構(gòu)應力計算方法進行了理論推導,用有限元方法進行驗證和修正,獲得翅片和隔板應力計算公式,更重要的是認識到基礎理論知識學習的重要性。每個學生不僅學會使用軟件,學會處理數(shù)據(jù)和繪制圖表,而且學會撰寫學習研究型論文,綜合能力得到很大提高。這個軟件的學習,不僅會使學生在將來的工作中受益,對于讀研究生的學生受益更大,能夠使他們提前進入科研課題,提前獲得成果。

4 注重教學內(nèi)容的拓展與更新

對于大學課程,只局限于講書本上的定理、公式和習題是遠遠不夠的,必須注重教學內(nèi)容的拓展與更新。這種做法不僅能夠拓寬學生的知識面,而且能夠培養(yǎng)創(chuàng)新意識和科學精神。如講一點最近我國化工業(yè)的發(fā)展情況,及其給過程裝備與控制工程專業(yè)學生就業(yè)帶來的機會與挑戰(zhàn);講一點前沿科學研究問題,如過程裝備應力測試新技術(shù)、力化學交叉作用下過程裝備結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)等問題,提高學生的學習興趣;結(jié)合石油化工工程實例,告訴學生過程設備設計基礎力學問題是人們身邊的科學;結(jié)合石化生成事故,告訴學生過程設備設計基礎力學問題是維系生命和財產(chǎn)安全的科學,增強學生的責任感與使命感。

5 改革考核模式

研究型教學需要研究型考核模式。考試考核重在鼓勵創(chuàng)新,主要考核學生對基本概念的靈活掌握,分析問題和解

決問題的能力,促進創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。筆者借鑒相關(guān)做法,結(jié)合本課程的實際,擬通過以下幾個方面來評價學生的學習成績。

5.1 資格考試考試內(nèi)容為平時的課外作業(yè),考試方式為閉卷。卷面滿分100分,考試成績≥70分者,本課程即獲通過,在期末總成績中計入60分;考試成績<70分者為不及格。目的是確保課程基本要求的教學質(zhì)量,加強學風建設,遏制抄襲作業(yè)的現(xiàn)象。

5.2 水平考試考試方式為開卷。成績認定:卷面滿分40分,考試實際成績計入總分。水平考試重在基本教學的深度,沒有繁瑣的公式推導和數(shù)學運算,重在靈活運用與培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

5.3 課堂提問與測試課堂提問記入最后成績,激勵學生的課堂思維。在每一章教學的最后,進行隨堂測試,內(nèi)容為1～2道題目。測試過程中給學生適當提示,提高課堂教學效率。

5.4 學習研究論文考查學生綜合運用本課程基礎教學內(nèi)容以及有限元分析問題的能力。

6 結(jié)論

研究型教學理念體現(xiàn)了寓教于研的核心思想,是主體教育思想、素質(zhì)教育思想和創(chuàng)新教育思想的集中體現(xiàn)。以學生為主體,實行邊學習、邊研究、邊實踐的教育過程。過程設備設計力學基礎采用研究型教學模式,將具有工程背景的科研項目引入教學,設計適合學生的典型案例;引入有限元軟件進入教學,進行課外學習研究;注重課堂教學內(nèi)容的拓展與更新;改革考核模式。這些有利于培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力以及創(chuàng)新設計和科學研究的能力,有利于培養(yǎng)知識面寬、應變能力和開拓能力強、具備多種素質(zhì)的工程技術(shù)應用和技術(shù)創(chuàng)新人才。

參考文獻

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[3]范欽珊,鞠平,伍貽兆.把課堂教學放在抓質(zhì)量的突出位置[J].中國高等教育,2003,21:26-28

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