過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)力學(xué)課程教學(xué)研究與實(shí)踐

摘要：隨著過(guò)程裝備的精密化大型化發(fā)展趨勢(shì)，社會(huì)對(duì)過(guò)程裝備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人才需求越來(lái)越大，力學(xué)課程在過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中作用日益凸顯。分析了力學(xué)課程在專(zhuān)業(yè)建設(shè)中的地位，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，分析了課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，對(duì)課程體系進(jìn)行了優(yōu)化，避免課程內(nèi)容的重復(fù)教學(xué)。進(jìn)行了課堂教學(xué)方法的探索，并列舉了具體的教學(xué)實(shí)例，提高了課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：過(guò)程裝備與控制工程；力學(xué)課程；內(nèi)容優(yōu)化；教學(xué)方法

作者簡(jiǎn)介：孫銅生（1981-），男，安徽天長(zhǎng)人，安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，副教授。（安徽#8194;蕪湖#8194;241000）

基金項(xiàng)目：本文系安徽工程大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目“過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)研究與探索”（項(xiàng)目編號(hào)：2011xjy32）的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號(hào)：1007-0079（2014）14-0110-02

我國(guó)的過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)始建于20世紀(jì)50年代，前身為化工設(shè)備與機(jī)械專(zhuān)業(yè)，由于其應(yīng)用于加工制造流程性材料產(chǎn)品即過(guò)程工業(yè)中，且隨著自動(dòng)控制技術(shù)在化工機(jī)械中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，1998年經(jīng)過(guò)教育部批準(zhǔn)更名為過(guò)程裝備與控制工程。該專(zhuān)業(yè)目標(biāo)是培養(yǎng)從事過(guò)程裝備與控制工程領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)、安裝、檢修與科研的應(yīng)用型高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才，專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課及專(zhuān)業(yè)主干課主要有：理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、電工技術(shù)、電子技術(shù)、工程流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、化工原理、流體機(jī)械、化工設(shè)備設(shè)計(jì)、化工容器設(shè)計(jì)、過(guò)程裝備控制技術(shù)、過(guò)程裝備制造與檢測(cè)、控制工程基礎(chǔ)等，可見(jiàn)力學(xué)類(lèi)課程在專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)中起著重要的作用。

一、力學(xué)課程在過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)中的地位

過(guò)程裝備根據(jù)制造方法不同可分為兩類(lèi)：一類(lèi)以焊接為主要的制造手段，如塔器、換熱器、鍋爐等，稱(chēng)為過(guò)程設(shè)備；另一類(lèi)以機(jī)械加工為主要的制造手段，如壓縮機(jī)、離心機(jī)、泵等，稱(chēng)為過(guò)程機(jī)器。[1]過(guò)程設(shè)備一般都承受高溫、高壓，承壓部件的設(shè)計(jì)與制造是過(guò)程設(shè)備的關(guān)鍵問(wèn)題，故過(guò)程設(shè)備又是壓力容器，壓力容器又分為低壓容器（0.1MPa≤p＜1.6MPa）、中壓容器（1.6MPa≤p＜10MPa）、高壓容器（10MPa≤p＜100MPa）、超高壓容器（p≥100MPa）。為了過(guò)程裝備能夠正常工作，需要其具有一定強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，如果裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或選材不當(dāng)，就不能保證裝備的正常及安全運(yùn)行，同時(shí)還要滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性要求，這就對(duì)理論力學(xué)及材料力學(xué)提出了更高的要求。過(guò)程裝備中既有以流體能量為原動(dòng)力的動(dòng)力機(jī)械如蒸汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等，又有以流體作為工作介質(zhì)的工作機(jī)械比如泵、各種塔器、換熱器、壓縮機(jī)等，這些過(guò)程裝備都是以流體靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的，故工程流體力學(xué)對(duì)過(guò)程裝備的設(shè)計(jì)尤為重要。過(guò)程裝備的主要目的是為了獲得產(chǎn)品，從原材料到產(chǎn)品要經(jīng)歷一系列物理的或化學(xué)的反應(yīng)，這些反應(yīng)伴隨著能量的轉(zhuǎn)換，特別是熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，而工程熱力學(xué)的研究?jī)?nèi)容就是能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律、提高能量轉(zhuǎn)化效率的途徑及能源利用的經(jīng)濟(jì)性，故工程熱力學(xué)是過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)性課程?？梢?jiàn)，力學(xué)類(lèi)課程可為學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和從事本專(zhuān)業(yè)的科研、生產(chǎn)工作奠定必備的理論基礎(chǔ)。

二、力學(xué)課程教學(xué)問(wèn)題及內(nèi)容優(yōu)化

1.課程存在的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)開(kāi)設(shè)過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)的部分院校走訪及對(duì)各力學(xué)教材的分析，發(fā)現(xiàn)目前專(zhuān)業(yè)力學(xué)課程存在的主要問(wèn)題有：

（1）基礎(chǔ)課程和專(zhuān)業(yè)課程的銜接不好。比如在工程流體力學(xué)里講述了流體動(dòng)力學(xué)方程式及管中流動(dòng)等，而在流體機(jī)械中這些基礎(chǔ)知識(shí)重復(fù)出現(xiàn)；工程熱力學(xué)中的壓氣機(jī)熱力過(guò)程及制冷循環(huán)在流體機(jī)械中也有重復(fù)；理論力學(xué)中的摩擦在機(jī)械設(shè)計(jì)中也有相關(guān)內(nèi)容，材料力學(xué)中的平板彎曲分析理論與過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)中有關(guān)內(nèi)容重復(fù)等；工程流體力學(xué)中的流體靜力學(xué)基本方程式、流體在管中流體的連續(xù)方程式和能量方程式、流體粘性和牛頓定律、層流及湍流、流體流動(dòng)的沿程阻力及局部阻力等內(nèi)容均在化工原理中出現(xiàn)。

（2）力學(xué)課程之間也存在內(nèi)容交叉。比如工程流體力學(xué)和工程熱力學(xué)中都有關(guān)于氣體和蒸汽的流動(dòng)、定熵和絕熱氣流的基本方程式的章節(jié)，工程流體力學(xué)中的流體狀態(tài)參數(shù)和工程熱力學(xué)的工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)內(nèi)容重復(fù)；理論力學(xué)中的動(dòng)量矩定理在工程流體力學(xué)中重復(fù)出現(xiàn)。

綜上可見(jiàn)，目前力學(xué)基礎(chǔ)課停留于教學(xué)計(jì)劃中的自身建設(shè)，課程規(guī)劃缺乏有機(jī)協(xié)調(diào)，課程結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化，避免重復(fù)建設(shè)和教學(xué)資源的浪費(fèi)。

2.課程內(nèi)容優(yōu)化

由于理論力學(xué)是學(xué)習(xí)材料力學(xué)的基礎(chǔ)，可將將理論力學(xué)和材料力學(xué)合并為工程力學(xué)，工程流體力學(xué)及工程熱力學(xué)單獨(dú)開(kāi)設(shè)，將專(zhuān)業(yè)課中所需要的理論知識(shí)全部歸并到力學(xué)課程中進(jìn)行講解，力學(xué)課程中的交叉內(nèi)容按照先上課程先安排的規(guī)則進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化后的主要教學(xué)內(nèi)容有：

（1）工程力學(xué)。[2]平面匯交力系；平面力偶系；平面一般力系；空間力系；點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)及合成運(yùn)動(dòng)；鋼體的基本運(yùn)動(dòng)和平面運(yùn)動(dòng)；質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)微分方程；剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的微分方程；質(zhì)點(diǎn)及質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)能定理；剛體的慣性力系；動(dòng)量定理與動(dòng)量矩定理；虛位移法；軸向拉伸與壓縮；剪切的計(jì)算；圓軸的扭轉(zhuǎn)；梁的彎曲內(nèi)力、彎曲應(yīng)力及彎曲變形的計(jì)算；第一、二、三、四強(qiáng)度理論；組合變形及強(qiáng)度計(jì)算；壓桿穩(wěn)定性計(jì)算。

（2）工程流體力學(xué)。[3]流體的基本參數(shù)及粘性；流體平衡的微分方程式；重力場(chǎng)中的流體平衡及流體的相對(duì)平衡；流體靜壓強(qiáng)的計(jì)算與測(cè)量；流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程式；流體運(yùn)動(dòng)的微分方程式；伯努利方程式；層流及湍流；管路的沿程阻力及局部阻力計(jì)算；薄壁孔出口流；厚壁孔出口流；平面縫隙流體；環(huán)形縫隙流動(dòng)。

（3）工程熱力學(xué)。[4]熱力系統(tǒng)與熱力學(xué)狀態(tài)；功和熱的概念；熱力學(xué)第一定律；開(kāi)口和閉口系統(tǒng)能量方程式；氣體和蒸汽的比熱容、熱力學(xué)能、焓和熵；氣體和蒸汽的基本熱力過(guò)程；熱力學(xué)第二定律；卡諾循環(huán)與卡諾定理；孤立系統(tǒng)熵增原理；壓氣機(jī)的熱力過(guò)程；制冷循環(huán)；氣體動(dòng)力循環(huán)；蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)；實(shí)際氣體性質(zhì)及熱力學(xué)表達(dá)式。

三、力學(xué)課程教學(xué)方法探索

1.理解記憶教學(xué)法

教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中存在以下兩個(gè)問(wèn)題：

（1）部分同學(xué)覺(jué)得力學(xué)課程太難，書(shū)上隨便哪一頁(yè)都可以看到公式，一本書(shū)學(xué)下來(lái)接觸的公式基本上都在幾百個(gè)，便放棄了課程學(xué)習(xí)。

（2）部分同學(xué)認(rèn)為既然力學(xué)就是公式的組合，那么平時(shí)上課不需要聽(tīng)講，考試前把公式背一遍就可以了。其實(shí)這兩種態(tài)度都是不可取的，力學(xué)課的公式雖多，但大多數(shù)公式都是基于一些基本的定理推導(dǎo)來(lái)的，只要理解這些定理的實(shí)質(zhì)就能靈活應(yīng)用，大多數(shù)的公式都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的推理得來(lái)，所以在教學(xué)中要特別注意基本定理的講解。比如工程熱力學(xué)課程內(nèi)容基本是建立在熱力學(xué)第一定律和第二定律的基礎(chǔ)上，在進(jìn)行熱力學(xué)第一定律講解時(shí)，首先應(yīng)從能量守恒原理講起，能量不生不滅，熱力系統(tǒng)存儲(chǔ)能量的增量等于進(jìn)入系統(tǒng)能量與離開(kāi)系統(tǒng)能量的差值，而熱力系統(tǒng)又分為開(kāi)口系統(tǒng)和閉口系統(tǒng)，因此第一定律表達(dá)式有兩種形式，難點(diǎn)在于開(kāi)口系統(tǒng)表達(dá)式的推導(dǎo)，只要逐次分析進(jìn)入系統(tǒng)的能量的組成、離開(kāi)系統(tǒng)的能量組成及系統(tǒng)儲(chǔ)存能量組成并用表達(dá)式表示，那么開(kāi)口系統(tǒng)能量表達(dá)式就不難理解了。再如，工程力學(xué)中講解如何提高梁抗彎能力的措施時(shí)，結(jié)合梁彎曲時(shí)的正應(yīng)力強(qiáng)度條件。因此，不難理解如下措施：第一，選用合理的截面：由正應(yīng)力強(qiáng)度條件可知，梁的抗彎能力還取決于抗彎截面系數(shù)。而材料的重量又取決于梁的截面積，因此可把抗彎截面系數(shù)除梁截面積作為一個(gè)衡量指標(biāo)，以達(dá)到既提高強(qiáng)度，又節(jié)省材料的目的。第二，采用變截面梁：從正應(yīng)力強(qiáng)度條件可以看出，橫力彎曲時(shí)，梁的彎矩是隨截面位置而變化的，位置不同彎矩的大小不同，在某個(gè)截面處彎矩最大，若設(shè)計(jì)成等截面的梁，只有最大彎矩所在截面處正應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力值，材料強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮。為了減少材料消耗、減輕重量，可把梁制成截面隨截面位置變化的變截面梁。第三，適當(dāng)布置載荷和支座位置：從正應(yīng)力強(qiáng)度條件可以看出，在抗彎截面模量不變的情況下，最大彎矩越小，梁的承載能力越高，應(yīng)合理地安排梁的支承及加載方式以降低最大彎矩值。

2.工程實(shí)踐教學(xué)法

力學(xué)課程主要任務(wù)在于：通過(guò)對(duì)課程的學(xué)習(xí)，可提高學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)理論水平，培養(yǎng)學(xué)生分析和處理問(wèn)題的抽象能力和邏輯思維能力，為學(xué)生從事過(guò)程裝備本專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)工作奠定必備的理論基礎(chǔ)，同時(shí)可訓(xùn)練學(xué)生在實(shí)際工程中的理論聯(lián)系實(shí)際的能力。因此在力學(xué)課程講解過(guò)程中，要注重將力學(xué)知識(shí)和工程實(shí)例結(jié)合起來(lái)進(jìn)行講解。[5，6]一方面可以加深同學(xué)們對(duì)課程的認(rèn)識(shí)，訓(xùn)練并提高從事設(shè)備設(shè)計(jì)工作的實(shí)踐能力；另一方面可激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，從枯燥的公式推理中解脫出來(lái)，提高學(xué)習(xí)效率。例如，在進(jìn)行逆向卡諾循環(huán)講解時(shí)，逆向卡諾循環(huán)又分為制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)，通過(guò)理解記憶教學(xué)法推出制冷系數(shù)和供暖系數(shù)分別為：

（1）

（2）

這里，q1為工質(zhì)向高溫?zé)嵩吹姆艧崃?，q2為工質(zhì)從低溫?zé)嵩吹奈鼰崃浚琓1為高溫?zé)嵩礈囟?，T2為低溫?zé)嵩礈囟取＿@四個(gè)參數(shù)在理解時(shí)往往會(huì)混淆，為什么會(huì)從低溫?zé)嵩次鼰嵯蚋邷責(zé)嵩捶艧?？為什么在同一個(gè)循環(huán)下會(huì)有制冷和供暖兩種效應(yīng)？為什么制冷系數(shù)用從低溫?zé)嵩吹奈鼰崃砍h(huán)凈功而供暖系數(shù)卻用向高溫?zé)嵩吹姆艧崃砍h(huán)凈功呢？這里就可以引入空調(diào)的實(shí)例，夏天時(shí)把模式調(diào)到制冷上，空調(diào)就會(huì)吹出涼風(fēng)，冬天時(shí)把模式調(diào)到供暖時(shí)，空調(diào)就會(huì)吹出暖風(fēng)。夏天，室外比室內(nèi)溫度高，室外就是高溫?zé)嵩?，室?nèi)是低溫?zé)嵩?，制冷的原因就在于把室?nèi)（低溫?zé)嵩矗┑臒崃颗畔蚴彝猓ǜ邷責(zé)嵩矗?，這就實(shí)現(xiàn)了從低溫?zé)嵩次鼰嵯蚋邷責(zé)嵩捶艧幔瑫r(shí)室內(nèi)制冷效果就在于從室內(nèi)吸收的熱量的多少，因此制冷系數(shù)把q2作為分子。冬天，室內(nèi)比室外的溫度高，室外就是低溫?zé)嵩矗覂?nèi)是高溫?zé)嵩?，供暖的原因在于把室外（低溫?zé)嵩矗┑臒崃颗畔蛄耸覂?nèi)（低溫?zé)嵩矗?，同樣?shí)現(xiàn)了從低溫?zé)嵩次鼰嵯蚋邷責(zé)嵩捶艧幔覂?nèi)供暖的效果在于從室外吸收的熱量的多少，所以供暖系數(shù)把q1作為分子。

3.知識(shí)串聯(lián)教學(xué)法

過(guò)程裝備的設(shè)計(jì)過(guò)程中往往需要把所學(xué)力學(xué)課程的知識(shí)進(jìn)行綜合，在一門(mén)力學(xué)授課課程中不能與其他力學(xué)課程獨(dú)立，要注意將力學(xué)課程知識(shí)進(jìn)行銜接，使同學(xué)們對(duì)力學(xué)課程形成一個(gè)整體思維，以便在今后能靈活應(yīng)用并有機(jī)結(jié)合力學(xué)基本原理來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題。

例如，在工程流體力學(xué)中講解流體靜壓強(qiáng)的方向性時(shí)，可將其與工程力學(xué)中的空間匯交力系知識(shí)進(jìn)行串聯(lián)，先分別把作用在微元四面體上的力向三個(gè)坐標(biāo)方向進(jìn)行投影，寫(xiě)出表面力方程為：

（3）

而微元體上的質(zhì)量力為：

（4）

再根據(jù)空間匯交力系的平衡方程，表面力和質(zhì)量力的合力在三個(gè)坐標(biāo)方向的投影都為零，從而可得出在三個(gè)坐標(biāo)方向的壓強(qiáng)相等，也即流體靜壓強(qiáng)無(wú)方向性的結(jié)論。

四、結(jié)束語(yǔ)

力學(xué)課程在過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)建設(shè)中要引起足夠重視，教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化可避免重復(fù)教學(xué)，使學(xué)生在有限的課堂中能學(xué)習(xí)更多的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，在教學(xué)過(guò)程中要不斷探索教學(xué)方法，提高教學(xué)效果，營(yíng)造良好的教學(xué)氣氛，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

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（責(zé)任編輯：王意琴）