流體動密封課程體系改革探索與實踐

張偉政　翟霄　俞樹榮　丁雪興

【摘 要】針對過程裝備與控制工程專業(yè)國家級特色專業(yè)建設(shè)及卓越工程師人才培養(yǎng)的要求，分析了流體動密封課程體系在實際中存在的問題，提出流體動密封課程教學體系改革的思路與措施，并進行了探索與實踐，全面提高學生的工程實際應用能力，增強了創(chuàng)新意識。

【關(guān)鍵詞】密封；課程體系；項目教學法；改革；實踐

在化工企業(yè)中，“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，究其原因是泄露。流體密封是流體機械、工藝設(shè)備、液壓設(shè)備、管道和閥門等的重要組成部分，密封件雖然不大，但往往能決定機器設(shè)備的安全性、可靠性和耐久性。尤其在化工機械設(shè)備上，密封裝置是其不可缺少的組成部分。為了使機械、設(shè)備能更安全更可靠地連續(xù)運轉(zhuǎn)，必須重視發(fā)展密封技術(shù)和培養(yǎng)掌握密封技術(shù)的工程技術(shù)人才。結(jié)合我校過程裝備與控制工程國家級特色專業(yè)的建設(shè)、卓越工程師的培養(yǎng)試點的需要，以及企業(yè)對密封人才的全方位素質(zhì)的需求，對流體動密封課程進行一系列的改革探索與實踐。

流體密封是一門涉及多學科的邊緣性的工程技術(shù)學科，涉及許多學科知識，包括流體力學、固體力學、動力學、摩擦學、熱力學、傳熱學、傳質(zhì)學、材料學等。過程裝備密封技術(shù)屬于過程裝備與控制工程專業(yè)的專業(yè)課，是構(gòu)建本專業(yè)特色方向的重要專業(yè)課之一。理論性和實踐性都很強，通過該課程的學習，使學生掌握流體密封的基本機理，主要密封裝置的基本結(jié)構(gòu)和使用特點，以及典型密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法，培養(yǎng)學生分析問題與解決問題的能力，為學生畢業(yè)后從事相關(guān)工作打下必要的基礎(chǔ)。

一、存在的問題

隨著專業(yè)口徑的拓寬、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的要求和社會需求的變化，原有的課程教學、畢業(yè)設(shè)計存在許多不足：

1.理論課程內(nèi)容多學時少，特色體現(xiàn)不足缺乏前沿性；教學方法、教學形式相對單一；實驗教學環(huán)節(jié)薄弱等

密封是一門多學科交叉性邊緣學科，涉及的學科領(lǐng)域非常廣，以機械密封或浮環(huán)密封為例，要解決這些密封問題，就要考慮定子和轉(zhuǎn)子元件由于受力和溫度作用產(chǎn)生的變形以及振動、磨損對流體膜的流體動力特性的影響，也就是說要從流體動力學、彈性理論、傳熱學、摩擦學和振動理論等方面去研究分析密封的問題。而專業(yè)課課時一般是32學時，要在這么短的時間內(nèi)讓學生熟悉和掌握密封的基本理論，以及墊片密封、填料密封、機械密封、非接觸式密封等典型結(jié)構(gòu)的選型和設(shè)計計算，還是有一定難度的。

目前流體密封技術(shù)課程教學還是采用“教師講，學生聽”被動的教學模式，把教師掌握的現(xiàn)成知識和技能傳遞給學生，讓學生按照教師的安排和講授去得到一個結(jié)果。這種比較單一的教學方式存在許多不足的地方，比如學生接受的信息量有限；只能按照教師的安排和講授完成部分內(nèi)容，而沒有鍛煉獨立解決實際問題；學生被動學習，對課程內(nèi)容死記硬背以應付考試，自學內(nèi)容和課堂討論少；教學內(nèi)容與生產(chǎn)實踐結(jié)合不足，不能很好地調(diào)動學生的積極性；達不到培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的教學目的等。

實驗教學是保證本課程教學質(zhì)量的基礎(chǔ)，是理論聯(lián)系實踐的橋梁。本課程的實驗內(nèi)容包括：墊片密封比壓測定實驗；閥門填料密封裝置拆裝實驗；機械密封裝置拆裝實驗；機械密封過程模擬實驗等。這些實驗都是穿插在教學過程中進行的，大多是演示性、驗證性實驗，加上實驗設(shè)備數(shù)量少，學生的動手機會不多。而且每個實驗涉及的僅是獨立的知識點，實驗完成后，學生對知識的掌握僅停留在這幾個孤立的知識點上，限制了學生知識應用能力和創(chuàng)造性思維能力。

2.密封畢業(yè)設(shè)計實踐環(huán)節(jié)中設(shè)計方法傳統(tǒng)；缺少相關(guān)軟件的訓練以及密封產(chǎn)品實物，缺少實踐機會

密封畢業(yè)設(shè)計通常是根據(jù)已給定的工況和要求，參照或模仿傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式初選參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗公式進行工作性能計算，若計算結(jié)果滿足要求則設(shè)計合格，反之則要不斷改進參數(shù)甚至是形式，反復計算，直至達到設(shè)計要求為止。然而，這種慣常采用的經(jīng)驗設(shè)計結(jié)論，往往存在很多不足之處?，F(xiàn)代科技不斷進步，技術(shù)革新的日新月異，傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比之下顯得過于陳舊，已經(jīng)無法達到現(xiàn)如今的設(shè)計要求；此外，傳統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計結(jié)論簡單且大部分多為經(jīng)驗公式，直接導致設(shè)計出的模型密封性能較差，生產(chǎn)出的產(chǎn)品效率低，已經(jīng)跟不上企業(yè)生產(chǎn)實際的需要。鑒于此，應用現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計方法刻不容緩。

在畢業(yè)設(shè)計過程中缺少相關(guān)軟件的訓練，如CFD軟件、Maple計算軟件等。而密封企業(yè)需要熟悉掌握此類軟件的人才，若在校期間不訓練，工作之后需要長時間熟悉此類軟件，降低了工作效率，增加了企業(yè)的成本。由于甘肅地區(qū)無干氣密封生產(chǎn)廠家，使得在本地區(qū)缺少畢業(yè)設(shè)計實習場所，設(shè)計過程中也無相應的密封產(chǎn)品實物，使得設(shè)計過程中產(chǎn)生的問題，如對設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有不清楚的地方，需要花時間去琢磨，若有實物則可立即解決，在有限的畢業(yè)設(shè)計時間中，花費了不少時間去熟悉結(jié)構(gòu)，對設(shè)計不利。

二、課程體系改革與實踐

針對以上存在的問題，對流體動密封課程體系進行了改革，體現(xiàn)在以下方面：

1.課程教學方面

（1）以課堂教學為載體，結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)計劃的目標要求，更新課程內(nèi)容體系，改革教學內(nèi)容，修訂課程大綱。把握重點知識內(nèi)容，教學內(nèi)容的選擇體現(xiàn)基礎(chǔ)性與前沿性相結(jié)合、重視動密封同時兼顧靜密封。根據(jù)當前的形勢，注意收集用人單位的意見和建議，了解企業(yè)對本課程教學內(nèi)容的需要，強化教學內(nèi)容的先進性和應用性。在教學內(nèi)容安排上，適當增加與密封技術(shù)發(fā)展相關(guān)的知識，及時傳授新知識，增加反映當前科技發(fā)展成果的內(nèi)容尤其是授課教師特色科研方向新型動密封干氣密封內(nèi)容，形成本課程新的教學內(nèi)容體系，在新版的培養(yǎng)大綱中已體現(xiàn)。

（2）改革教學方法、形式，運用項目教學理念，探索建立“研中學”、“做中學”的教學模式。改變單一、呆板的教學方法、形式。在課程教學中以項目問題為導向，采取大作業(yè)、專題研究報告、文獻綜述報告、研究性實驗報告等多種載體相結(jié)合的教學方式，增加學生的參與機會，變被動學習為主動學習，激發(fā)學生的學習熱情；授課內(nèi)容產(chǎn)學研結(jié)合，教師將自己在科學研究項目中的經(jīng)驗與成果融入教學。通過工程實踐應用的實例豐富教學內(nèi)容，體現(xiàn)課程的基本理論知識與工程實踐之間的內(nèi)在聯(lián)系。培養(yǎng)學生從工程全局出發(fā)，綜合運用多學科知識、各種技術(shù)和現(xiàn)代工程工具解決工程實際問題的綜合素質(zhì)。例如，在講解非接觸式密封時，可結(jié)合項目組已結(jié)題、在研的多項干氣密封國家自然基金項目、教育部博士點基金項目等，啟發(fā)學生主動思考問題并尋找解決辦法。學生在項目實踐過程中，理解和把握課程要求的知識和技能，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。通過這樣的產(chǎn)學研結(jié)合的教育教學，強化學生工程意識、工程素質(zhì)和工程能力的學習和鍛煉，培養(yǎng)具有“卓越工程師”高素質(zhì)的專業(yè)人才。同時改進教學手段，在制作和完善課件時，針對性的準備一些與課程有關(guān)的錄像或仿真動畫，并結(jié)合密封產(chǎn)品開展現(xiàn)場教學，對于所謂晦澀難懂的內(nèi)容變得輕松、愉快、順暢的接受，同樣也收到事半功倍的效果。

（3）加強與完善實驗教學。將演示型實驗改成設(shè)計型實驗，學生根據(jù)實驗指導書及課堂講授的內(nèi)容，獨立制定實驗方案，然后與實驗教師溝通，給予學生更多的動手機會。涉及到的實驗儀器設(shè)備由學生自己操作，老師起輔助作用，其實驗成績由現(xiàn)場操作成績與實驗報告相結(jié)合給出。打破老師操作講解學生被動觀看的模式，給學生充分的自由和主動權(quán)，大大提高了學生學習知識的主動性，鍛煉學生的實驗技能和實踐能力，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神。

2.畢業(yè)設(shè)計方面

畢業(yè)設(shè)計中，突破以往的傳統(tǒng)設(shè)計，將科研的思想應用到密封畢業(yè)設(shè)計中來。在畢業(yè)設(shè)計選題方面，專門增加了干氣密封設(shè)計，可以應用現(xiàn)代的優(yōu)化密封設(shè)計方法，針對槽型參數(shù)，建立合理的多目標協(xié)調(diào)優(yōu)化函數(shù)，并應用軟件Maple進行近似求解，獲得設(shè)計參數(shù)所對應的最佳的槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)。進一步以此槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)進行密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后應用 CFD軟件進行密封性能校核。此舉大大加快了畢業(yè)設(shè)計的進度，提高了效率，并且又訓練了相關(guān)軟件，可謂一舉多得，對以后進行密封設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)。

針對畢業(yè)設(shè)計過程中無相應的密封產(chǎn)品實物，兩種方式相結(jié)合可以解決。一是將科研所設(shè)計的密封樣機直接用于畢業(yè)設(shè)計，增加了學生拆裝實踐的機會，在11年的畢設(shè)中已應用，效果良好，解決了甘肅地區(qū)無干氣密封廠家實習的短板。二是讓學生去產(chǎn)學研合作單位進行畢業(yè)實習及設(shè)計，在今年的畢業(yè)設(shè)計中已實現(xiàn)。

通過對流體動密封課程體系存在的問題的分析，進一步提出了課程體系改革的思路與措施，并進行了積極地探索與實踐，全面提高學生的工程實際應用能力，增強了創(chuàng)新意識，取得了較好的效果，為培養(yǎng)合格的高素質(zhì)工程人才做出了積極的貢獻。

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