過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程實(shí)踐性教學(xué)方法的改革與探索

俞建峰，崔政偉，王東祥，陳海英，衛(wèi)靈君，楊新俊

(江南大學(xué) a.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 無錫 214122)

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過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程實(shí)踐性教學(xué)方法的改革與探索

俞建峰a,b，崔政偉a,b，王東祥a,b，陳海英a,b，衛(wèi)靈君a,b，楊新俊a,b

(江南大學(xué) a.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 無錫 214122)

提高實(shí)踐能力是工程教育的基本要求之一。以過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程為例，分析了課程的設(shè)置目的，探索了基于卓越課程的實(shí)踐性教學(xué)方法，從課程教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)踐、科研實(shí)踐、軟件仿真等方面進(jìn)行了改革。本實(shí)踐性教學(xué)方法取得了良好的教學(xué)效果。

工程實(shí)踐；過程設(shè)備設(shè)計(jì)；教學(xué)方法；實(shí)踐性教學(xué)

學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力是當(dāng)代大學(xué)生必須具備的三種能力。工科學(xué)生尤其要重視實(shí)踐能力的培養(yǎng)。在人才培養(yǎng)體系中，課程是完成理論教學(xué)，提升教育質(zhì)量的最基本而又最重要的載體。本文以過程裝備與控制工程專業(yè)的核心專業(yè)課程過程設(shè)備設(shè)計(jì)為例，探索并實(shí)施實(shí)踐性教學(xué)方法，以提高過程裝備與控制工程專業(yè)本科學(xué)生實(shí)踐能力為導(dǎo)向，提升過程裝備專業(yè)學(xué)生的過程設(shè)備設(shè)計(jì)能力。

1　過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程設(shè)置目的

過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程是從事食品、醫(yī)藥、化工、環(huán)保等設(shè)備設(shè)計(jì)的重要理論基礎(chǔ)。在食品、醫(yī)藥、化工、環(huán)保等生產(chǎn)過程中，各種壓力容器、常壓容器是生產(chǎn)過程中不可缺少、非常重要的一類設(shè)備[1]。通過本課程的學(xué)習(xí)，主要目的是使學(xué)生熟練掌握各種中、低壓容器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，材料選擇及典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算等知識。本課程主要講解壓力容器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論知識，以及典型化工設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，包括：旋轉(zhuǎn)薄殼理論、內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)、外壓容器設(shè)計(jì)、平板理論、通用零部件設(shè)計(jì)、現(xiàn)代壓力容器設(shè)計(jì)中的若干問題、換熱設(shè)備設(shè)計(jì)、塔設(shè)備設(shè)計(jì)、生化反應(yīng)設(shè)備設(shè)計(jì)、內(nèi)壓容器薄膜應(yīng)力測試、外壓容器失穩(wěn)試驗(yàn)。通過本門課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握過程設(shè)備的基本理論、基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法[2]。學(xué)生完成課程學(xué)習(xí)后，能夠?qū)⑺鶎W(xué)的一些專業(yè)基礎(chǔ)知識有機(jī)地結(jié)合起來，運(yùn)用本課程的知識進(jìn)行融會貫通，有能力對化工、食品、生化設(shè)備等進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)和制造，為今后從事工程技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)。

2　課程改革措施

2.1擴(kuò)大課程內(nèi)涵和外延

本課程在2014年被江南大學(xué)列入卓越課程建設(shè)項(xiàng)目。依托我校卓越課程平臺，按照卓越課程建設(shè)目標(biāo)，在教學(xué)理念中實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)變：變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，變灌輸式教育為啟發(fā)式教育，變單純書本教育為素質(zhì)教育、創(chuàng)新人才教育。要實(shí)現(xiàn)教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變，實(shí)踐教學(xué)活動將起著至為關(guān)鍵的作用。壓力容器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是板殼理論，理論推導(dǎo)比較深奧，單元過程設(shè)備與食品加工過程、化學(xué)工程等行業(yè)緊密關(guān)聯(lián)，課程涉及的知識面廣而深。通過實(shí)驗(yàn)和工廠實(shí)踐可以把抽象變具體，在實(shí)踐中理解提升理論知識，提高結(jié)構(gòu)的理解和設(shè)計(jì)水平。通過理論學(xué)習(xí)-實(shí)踐(包括課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，下廠實(shí)習(xí))-理論的循環(huán)，達(dá)到理論學(xué)習(xí)-掌握應(yīng)用-創(chuàng)新提高的目的。

其一，課堂教學(xué)：采用多媒體上課。本專業(yè)每年招生60人左右，分成2個(gè)班級小班上課，課外指導(dǎo)老師隨堂聽課。由于本課程理論性強(qiáng)，涉及彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)，課程內(nèi)容枯燥乏味，傳統(tǒng)的“灌輸式”理論教學(xué)方式不受學(xué)生歡迎。為此，在教學(xué)內(nèi)容上，采用案例式教學(xué)、基于工程項(xiàng)目的教學(xué)；在教學(xué)方式上，采用多元化教學(xué)方式，有意識地翻轉(zhuǎn)課堂，以學(xué)生為中心，引導(dǎo)學(xué)生主動參與教學(xué)互動，開展課堂討論，形成探究式教學(xué)、專題式教學(xué)、比較式教學(xué)、研討式教學(xué)等多種教學(xué)模式[3]。

其二，課程內(nèi)容更新：在課程更新方面，結(jié)合教學(xué)團(tuán)隊(duì)在科研過程中所掌握的最新學(xué)科前沿知識，精心組織、豐富、調(diào)整和更新過程設(shè)備設(shè)計(jì)的課程內(nèi)容，結(jié)合科研的轉(zhuǎn)化成果，提煉過程設(shè)備的典型案例，將過程設(shè)備的理論學(xué)習(xí)與工程學(xué)習(xí)緊密結(jié)合起來；新增案例庫、例題庫等；以典型工程案例為引子，結(jié)合過程裝備的理論知識，注重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和科學(xué)的思維方法，有力地促進(jìn)了學(xué)生分析和解決工程問題的能力的培養(yǎng)。

其三，專題討論：在討論課環(huán)節(jié)，設(shè)置討論主題。我們設(shè)置了“壓力容器設(shè)計(jì)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的國內(nèi)外現(xiàn)狀”“內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)與計(jì)算方法”“外壓容器的受力類型與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法總結(jié)”“壓力容器零部件類型及設(shè)計(jì)總結(jié)”“分析設(shè)計(jì)法的有限元計(jì)算”“換熱設(shè)備種類、性能與設(shè)計(jì)”等討論主題，學(xué)生在課余提前查找文獻(xiàn)資料、形成討論報(bào)告，學(xué)生可以走上講臺，自己講解。專題討論效果良好，學(xué)生投入到課堂中，學(xué)習(xí)興趣明顯提高。

其四，形成課程群：在2016 級本科人才培養(yǎng)方案修訂工作中，我們參考了南京工業(yè)大學(xué)、華東理工大學(xué)、北京化工大學(xué)、常州大學(xué)過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程群，設(shè)置了過程裝備有限元分析、過程節(jié)能技術(shù)與裝備、過程裝備成套技術(shù)、過程裝備腐蝕與防護(hù)、過程裝備制造與檢測等課程，共同組成過程設(shè)備設(shè)計(jì)的課程群，幫助學(xué)生形成過程設(shè)備的系統(tǒng)化知識體系。

其五，改變考核方式：理論學(xué)習(xí)占成績70%，實(shí)驗(yàn)、工廠實(shí)習(xí)參觀占30%。理論考核為閉卷考試，實(shí)驗(yàn)、工廠實(shí)習(xí)參觀成績以實(shí)驗(yàn)報(bào)告、參觀報(bào)告為主要依據(jù)。要求完成一張一號圖紙幅面的總圖和一張拼成一號的主要的零部件圖，一份設(shè)計(jì)說明書。學(xué)生在結(jié)束時(shí)要經(jīng)過設(shè)計(jì)的答辯。教師從計(jì)算的正確性、繪圖的正確性和完整性、圖面質(zhì)量以及答辯等方面進(jìn)行評分。

2.2強(qiáng)化課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

課程實(shí)驗(yàn)是幫助深化學(xué)生專業(yè)知識的重要途徑[3]。近年來我校過程裝備專業(yè)已經(jīng)擁有內(nèi)壓容器薄膜應(yīng)力測試、外壓容器失穩(wěn)試驗(yàn)、換熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等過程設(shè)備試驗(yàn)設(shè)備。江南大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)的江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、江蘇省機(jī)械工程實(shí)踐教育中心面向?qū)W生開放，為過程裝備學(xué)生提供了一流的實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)環(huán)境。

2.3抓好課程設(shè)計(jì)

通過開設(shè)課程設(shè)計(jì)[4]，全面綜合應(yīng)用機(jī)械CAD、熱工學(xué)、傳熱與傳質(zhì)、機(jī)械設(shè)計(jì)和過程設(shè)備設(shè)計(jì)等課程的知識，將理論和實(shí)踐結(jié)合起來，鍛煉學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、化工設(shè)備加工圖紙繪制的能力；熟悉并綜合運(yùn)用各種有關(guān)的設(shè)計(jì)手冊、安全技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和圖冊等設(shè)計(jì)資料。課程設(shè)計(jì)課題主要來源于科研項(xiàng)目、企業(yè)課題，校企結(jié)合，設(shè)置的課程設(shè)計(jì)主題為浮頭式換熱器設(shè)計(jì)、升膜式濃縮器設(shè)計(jì)。

2.4發(fā)揮教學(xué)實(shí)踐基地作用

精心組織本課程的教學(xué)實(shí)踐基地，無錫華光鍋爐股份有限公司、無錫布勒機(jī)械制造有限公司、中糧工程裝備(無錫)有限公司被遴選為本課程的教學(xué)實(shí)踐基地和生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地。為拓寬學(xué)生視野，帶領(lǐng)學(xué)生到生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行工廠現(xiàn)場教學(xué)。聘請工廠有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員為輔助教學(xué)人員，協(xié)助主講老師和實(shí)習(xí)帶隊(duì)老師現(xiàn)場教學(xué)。學(xué)生和工人一起參加一定時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐。帶領(lǐng)學(xué)生赴企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場聯(lián)合教學(xué)。帶隊(duì)老師補(bǔ)充講解過程設(shè)備設(shè)計(jì)理論知識，解答學(xué)生在現(xiàn)場教學(xué)中碰到的理論方面的疑難問題，企業(yè)老師講解過程設(shè)備設(shè)計(jì)中的實(shí)踐案例，解答學(xué)生的工程項(xiàng)目疑難問題。

2.5發(fā)揮科研實(shí)踐作用

課程十分注重與上下游銜接，通過結(jié)合本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目、江南大學(xué)重點(diǎn)科研項(xiàng)目，開展“降膜式冷卻器”“生化反應(yīng)器放大原理與方法”的科研實(shí)踐。本課程項(xiàng)目在實(shí)施過程中，請多名學(xué)生參與其中，在完成了過程設(shè)備設(shè)計(jì)的課程學(xué)習(xí)之后，創(chuàng)新性地運(yùn)用壓力容器的知識，教、學(xué)、研相互結(jié)合，學(xué)生的科研實(shí)踐成果參加了全國大學(xué)生過程裝備實(shí)踐與創(chuàng)新大賽。

3　軟件仿真實(shí)踐教學(xué)

3.1有限分析設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的手工計(jì)算設(shè)計(jì)出來的壓力容器的安全系數(shù)偏大，設(shè)計(jì)出的設(shè)備壁厚比較厚、重量重[5-6]。以JB4732為基礎(chǔ)，以彈性應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則、彈塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的有限元分析設(shè)計(jì)方法，能夠準(zhǔn)確分析壓力容器的應(yīng)力分布，增加了設(shè)備的可靠性，有利于節(jié)約成本和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。我們指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件設(shè)計(jì)壓力容器，提高了學(xué)生的壓力容器分析設(shè)計(jì)能力。

3.2發(fā)酵罐設(shè)計(jì)程序開發(fā)

發(fā)酵設(shè)備是發(fā)酵工廠中最基本最重要的設(shè)備[7]。過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程與生化發(fā)酵設(shè)備的開發(fā)緊密相關(guān)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)與江南大學(xué)生物工程學(xué)院聯(lián)合開發(fā)“發(fā)酵罐、懸浮操作攪拌罐設(shè)計(jì)程序”，增強(qiáng)學(xué)生過程設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)踐能力。通過程序設(shè)計(jì)，學(xué)生對發(fā)酵罐的筒體、封頭、開孔補(bǔ)強(qiáng)、熱交換計(jì)算、攪拌器設(shè)計(jì)有了更深刻的認(rèn)識，為他們走出校門、走上工作崗位進(jìn)行過程設(shè)備設(shè)計(jì)打下良好基礎(chǔ)。

4　結(jié)語

過程設(shè)備設(shè)計(jì)是理論性較強(qiáng)的一門課程，如何上好這門課程一直是過程裝備與控制專業(yè)教師的教學(xué)難點(diǎn)。作為江南大學(xué)的卓越課程，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在課堂教學(xué)、課程內(nèi)容更新、專題討論、形成課程群、改變考核方式、強(qiáng)化課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)踐基地建設(shè)、科研實(shí)踐、軟件仿真教學(xué)等環(huán)節(jié)進(jìn)行探索，收到了良好的教學(xué)效果，學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到提升，受到了學(xué)生的歡迎和好評。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，班上有50%以上的學(xué)生希望在相關(guān)學(xué)科包括化學(xué)工程、化工過程機(jī)械、工業(yè)自動化等專業(yè)繼續(xù)學(xué)習(xí)和深造。

[1] 王勇,偶國富.過程設(shè)備設(shè)計(jì)教學(xué)方法探討及對教材的建議[J].化工高等教育,2011(3):78-81.

[2] 錢才富,段成紅,于洪杰,等.重視教學(xué)效果，錘煉精品課程[J].化工高等教育,2006(2)：23-26.

[3] 楊興華,王吉岱,胡效東.過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].化工高等教育，2009(4)：44-46.

[4] 趙杰,呂濤,張衛(wèi)義,等.基于工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程改革與實(shí)踐[J].化工高等教育,2015(4)：34-36.

[5] 王海峰,董金善,周勇軍，等.數(shù)值模擬方法在過程設(shè)備設(shè)計(jì)教學(xué)中的探索和實(shí)踐[J].化工高等教育，2013(6)：85-88.

[6] 張彩麗.壓力容器的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(6)：93-96.

[7] 陳余.淺談發(fā)酵罐的選型設(shè)計(jì)[J].化學(xué)工程與裝備,2011(10)：86-89.

(責(zé)任校對朱正余)

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.10.001

20160501

2014年江南大學(xué)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》卓越課程建設(shè)項(xiàng)目；江南大學(xué)2015年本科教育教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目(JG2015011)；江南大學(xué)教師卓越工程項(xiàng)目(JG2015134)

俞建峰(1974-)，男，江蘇宜興人，副教授，博士，主要從事食品加工裝備研究。

G642.0

A

1674-5884(2016)10-0055-03