實物/模型在“鍋爐原理”課程教學(xué)中的實踐與探索

摘要：通過分析現(xiàn)階段“鍋爐原理”課程的教學(xué)特點發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)中除了需要依靠教材、參考書以及課堂課件外，還應(yīng)將復(fù)雜結(jié)構(gòu)、非常見實物以及模型引入教學(xué)過程。教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，不同階段引入不同的模型、實物，可以有效地提高教學(xué)效率，加深對相關(guān)知識點的印象，明顯改善教學(xué)效果，彌補現(xiàn)階段實習(xí)環(huán)節(jié)的不足之處。實踐表明，將實物/模型與引入教學(xué)相結(jié)合的方法，簡單易行，效果顯著。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；實物/模型化教學(xué)；鍋爐原理

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0060-02

一、“鍋爐原理”課程的特點

按照我國的能源結(jié)構(gòu)，未來幾十年內(nèi)火力發(fā)電依然是我國各類發(fā)電的主力軍。鍋爐是火力發(fā)電的三大主機之一，對火力發(fā)電的安全、經(jīng)濟運行起著至關(guān)重要的作用，同時鍋爐也是應(yīng)用很廣泛的一種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，是能源與動力工程及其相關(guān)專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后從事運行、調(diào)試、改進設(shè)計、實驗研究的主要對象。

“鍋爐原理”是能源與動力工程專業(yè)的主要專業(yè)課程之一，[1]通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握鍋爐工作的基本原理，并具有鍋爐安全、經(jīng)濟運行的一般知識，同時獲得分析工程問題以及設(shè)計、計算和實驗的初步能力?！板仩t原理”課程體系包括認(rèn)識實習(xí)、課內(nèi)講授、教學(xué)實驗、課程設(shè)計以及畢業(yè)實習(xí)等環(huán)節(jié)。現(xiàn)行的教學(xué)模式課內(nèi)講授前2周認(rèn)識實習(xí)，課內(nèi)教學(xué)60學(xué)時，教學(xué)實驗4學(xué)時，課程設(shè)計2周，畢業(yè)實習(xí)2周。

“鍋爐原理”課程涉及基本原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)以及理論計算等，其突出特點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、點多、面廣，早期的教學(xué)計劃課內(nèi)學(xué)時數(shù)曾經(jīng)達120學(xué)時，分兩個學(xué)期開設(shè)，學(xué)時較為充裕。近幾年培養(yǎng)計劃的調(diào)整要求體現(xiàn)“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強能力、高素質(zhì)”的人才培養(yǎng)模式，“鍋爐原理”課程總學(xué)時數(shù)壓縮到64學(xué)時，內(nèi)容繁多與學(xué)時緊張的矛盾日顯突出。尤其是以“抽象”“論述”為主教材編寫模式，使得大部分學(xué)生由于無法看到實物而難以引起學(xué)生的注意力和興趣，這已成為“鍋爐原理”課程教學(xué)中的難點。

二、實物/模型的教學(xué)實踐

大學(xué)教學(xué)論包括：教學(xué)在學(xué)校教育中的地位和作用、教學(xué)的目的任務(wù)、教學(xué)過程、教學(xué)原則、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法手段、教學(xué)組織形式和教學(xué)效果的檢查與評價。[2]因此對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及組織形式的研究是大學(xué)教學(xué)論的重要內(nèi)容。

從心理學(xué)的角度，學(xué)習(xí)是一種相當(dāng)復(fù)雜的活動過程。[3]學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)情景是學(xué)習(xí)活動中的三要素?，F(xiàn)階段高校的學(xué)習(xí)主要屬于知識的學(xué)習(xí)，即對知識的感知、理解、保持和應(yīng)用。從人的認(rèn)識發(fā)展角度來看，“實物化”教學(xué)遵循“理性認(rèn)識→感性認(rèn)識→感性實踐→理性認(rèn)識”的過程，符合人的識記規(guī)律。談華軍[4]將模型制作引入船舶零件的教學(xué)環(huán)節(jié)，收到了較好的效果。鑒于上述原因，“鍋爐原理”教學(xué)過程中應(yīng)貫徹實物/模型化教學(xué)的指導(dǎo)思想。

1.鍋爐的整體結(jié)構(gòu)

鍋爐設(shè)備由鍋爐本體和輔助設(shè)備構(gòu)成，前者包括爐膛、汽包、過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、爐墻和構(gòu)架等，后者包括送風(fēng)機、引風(fēng)機、給水泵和煤粉制備設(shè)備等。其中，省煤器、汽包、下降管、水冷壁、過熱器等設(shè)備組成鍋爐的汽水系統(tǒng)，而燃燒器、爐膛、煙道及空氣預(yù)熱器等設(shè)備組成鍋爐的燃燒系統(tǒng)。由此可見，鍋爐設(shè)備體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、工作條件各異，運行時涉及高溫蒸汽、高溫火焰、高溫?zé)煔?、高溫空氣以及固體煤粉等的流動，在生產(chǎn)現(xiàn)場很難整體把握。

對于這種復(fù)雜的系統(tǒng)，在教學(xué)實踐中引入三維立體鍋爐模型，學(xué)生可以仔細(xì)觀察鍋爐模型的結(jié)構(gòu)特征，清晰地建立鍋爐汽水系統(tǒng)、各個受熱面的相對位置、燃燒器的布置和煙風(fēng)系統(tǒng)等概念，全面把握鍋爐的整體結(jié)構(gòu)。

2.鍋爐受熱面的結(jié)構(gòu)

受熱面是工質(zhì)吸收熱量轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝驘峥諝獾闹饕緩剑ㄋ浔?、過熱器、再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器。這些受熱面由于其作用和布置位置不同，在結(jié)構(gòu)上有很大的差異。

水冷壁的作用是將未飽和水加熱到飽和汽水混合物。為了增強爐膛的氣密性、增加輻射受熱面積以防止管壁超溫、降低金屬耗量等，通常采用膜式水冷壁。圖2表示內(nèi)螺紋管水冷壁的結(jié)構(gòu)，采用這種水冷壁是為了強化工質(zhì)在管內(nèi)的擾動、推遲膜態(tài)沸騰以避免管壁超溫。在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，將這些模型引入課堂教學(xué)后，學(xué)生不僅直觀認(rèn)識了膜式水冷壁和內(nèi)螺紋管水冷壁的結(jié)構(gòu)，而且直觀理解了膜式水冷壁中彎管、開孔的作用。

省煤器的作用是加熱給水以減小汽包的熱應(yīng)力。為了適應(yīng)燃用劣質(zhì)燃料的要求，具有結(jié)構(gòu)緊湊、金屬耗量低等特點的擴展受熱面省煤器在新機組鍋爐制造或舊鍋爐改造中逐漸應(yīng)用。圖3為螺旋鰭片省煤器的結(jié)構(gòu)示意圖，這種省煤器增加了傳熱面積和傳熱系數(shù)，提高了結(jié)構(gòu)的緊湊性。但是繞制過程在內(nèi)圓弧會形成等距的波紋皺褶。當(dāng)氣流沿鰭片流動時，螺旋角引導(dǎo)氣流改變方向，這樣在省煤器管子根部煙氣局部煙速劇增，且氣流沖刷后在波紋皺褶突出位置磨損加劇，形成坑點甚至泄露?？梢栽O(shè)想，如果沒有這種省煤器的實物結(jié)構(gòu)，學(xué)生很難理解由于煙氣流動方向改變所引起的煙氣流動方向的改變、磨損等問題。

空氣預(yù)熱器的作用則是加熱空氣以強化燃料著火和燃燒。回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器由于結(jié)構(gòu)緊湊、受熱面布置簡化、腐蝕的危險性小等特點在大型鍋爐中得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在講授這種空氣預(yù)熱器工作原理時遇到很多問題，比如煙氣的走向、空氣的流程等。在教學(xué)過程中，通過空氣預(yù)熱器的實物結(jié)構(gòu)），充分展示回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的換熱過程，使得學(xué)生對該受熱面兩種介質(zhì)之間的相對位置、相互關(guān)系一目了然。

3.鍋爐爐膛的結(jié)渣

燃料是鍋爐輸入能量的載體，輸入鍋爐的燃料形態(tài)包括氣、液、固態(tài)等?，F(xiàn)在的學(xué)生僅有煤種的抽象概念，幾乎沒有煙煤、無煙煤、褐煤以及劣質(zhì)燃料煤矸石的直觀認(rèn)識。另外，對于在爐膛內(nèi)燃燒的高溫狀態(tài)下，工況異常時熔融或半熔融狀態(tài)的灰分會在管子表面結(jié)渣的現(xiàn)象無法想象。對于“自惡化”的結(jié)渣會造成表面溫度升高、結(jié)渣層增厚，甚至形成很大的焦塊，進而對鍋爐安全和經(jīng)濟運行的影響更無法理解。

為了解決在教學(xué)中遇到的問題，在教學(xué)中引入從現(xiàn)場收集的煙煤、無煙煤、褐煤以及煤矸石等實物樣品，飛灰、灰渣以及燃燒異常時的結(jié)焦塊、結(jié)渣塊，圖5為煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐結(jié)焦的實物。通過直接觀察，學(xué)生對難以用語言描述的鍋爐爐膛的結(jié)渣產(chǎn)生了直觀、深刻的印象。同時，通過該環(huán)節(jié)還可以形象地告訴學(xué)生，在從事鍋爐運行工作的過程中避免鍋爐結(jié)渣的必要性和重要性。

4.高溫腐蝕

高溫腐蝕是發(fā)生在高溫受熱面煙氣側(cè)金屬管壁的腐蝕現(xiàn)象，會使受熱面管壁變薄，強度降低，壽命縮短，嚴(yán)重時將造成爆管事故，甚至被迫停爐。在教學(xué)過程中，通過實物展示高溫腐蝕對管壁造成的危害（見圖6），一方面可以對高溫腐蝕后果產(chǎn)生直接的感受，另一方面可以強化學(xué)生安全運行的意識。

三、實物/模型的教學(xué)效果

因為人類認(rèn)識事物，直接的觀察對象是最快速的一種方式，通過符號圖形描述認(rèn)識事物的過程就比較復(fù)雜，而借助于文字則效率最低。實物、模型等輔助教學(xué)手段多用于中學(xué)階段的教學(xué)過程，如姜宇[5]在生物教學(xué)中引入直觀教具，幫助學(xué)生很好地完成從形象到抽象的過程；喬萌[6]則在立體幾何的教學(xué)中引入實物教具有力地培養(yǎng)了學(xué)生的空間想象能力，解決了空間思維上的學(xué)習(xí)障礙。

隨著大學(xué)教學(xué)方式的改變，人們往往忽略了高等教育中實物/模型化教學(xué)手段的作用。筆者在“鍋爐原理”教學(xué)過程中認(rèn)識到，盡管現(xiàn)在多媒體教學(xué)是一種重要的手段，但是實物和模型的作用仍是不可替代的。首先，對于預(yù)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)需要考慮是否需要使用實物和模型，使用哪種或哪幾種實物和模型。其次，不同實物/模型儲存信息的直觀程度不同。作為教師，應(yīng)該在了解各種實物/模型的特征和作用的前提下，決定使用哪些實物和模型，并注意實物和模型的互補優(yōu)勢，不能用現(xiàn)代化教學(xué)媒體完全取代傳統(tǒng)實物和模型。例如在講授鍋爐結(jié)構(gòu)時，通常先展示各個部件的實物，使得學(xué)生具有具體和真實的印象，然后采用放大的立體模型演示其結(jié)構(gòu)布局，讓學(xué)生全面把握鍋爐的整體結(jié)構(gòu)。通過將實物/模型引入到“鍋爐原理”課程教學(xué)，將融知識性和趣味性于一體，對于學(xué)生視覺的刺激要強烈得多。學(xué)生們看見實物后印象較深，能豐富學(xué)生的感性知識，而通過模型的觀察，可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力、觀察能力和思維能力，對大型設(shè)備的整體把握比較完整，比文字、圖片以及視頻的效果都要好。這種教學(xué)方式激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的熱情，鞏固和加深了對“鍋爐原理”知識的理解。對太原理工大學(xué)已經(jīng)畢業(yè)的熱能與動力工程專業(yè)2008級和2009級學(xué)生進行追蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，“鍋爐原理”采用的實物/模型化教學(xué)為他們快速適應(yīng)工作崗位奠定了良好的基礎(chǔ)。熱能與動力工程專業(yè)即將畢業(yè)的2010級學(xué)生有的繼續(xù)攻讀碩士學(xué)位，有的將奔赴自已的工作崗位。調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，無論是研究生復(fù)試還是就業(yè)面試，學(xué)生由于得益于實物/模型教學(xué)方法，對鍋爐相關(guān)知識的考題從容自如，安之若素。

四、結(jié)束語

“鍋爐原理”作為熱能與動力工程專業(yè)的傳統(tǒng)專業(yè)課，在新的條件下，除了要賦予新的內(nèi)容外，還有必要在教學(xué)方式上進行改進，只有這樣學(xué)生才能更好地掌握課程規(guī)定的內(nèi)容，并很快轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)實踐中。實踐證明，在“鍋爐原理”教學(xué)過程中將實物/模型與引入教學(xué)相結(jié)合的方法，簡單易行，效果顯著。

參考文獻：

[1]丁立新.電廠鍋爐原理[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]王殿璋.大學(xué)教學(xué)論[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，1991.

[3]吳育桂.心理科學(xué)概論[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，1991.

[4]談華軍.淺談模型制作在實踐教學(xué)中的作用[J].廣東科技，

2011，（22）：27.

[5]姜宇.淺談直觀教具在生物教學(xué)中的使用[J].職業(yè)教育，2011，

（11）：132.

[6]喬萌.實物教具在立體幾何教學(xué)中的作用[J].現(xiàn)代教育，2012，

（16）：62-63.

（責(zé)任編輯：孫晴）