面向中國制造2025的過程裝備與控制工程專業(yè)力學教學改革

孫銅生

(安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000)

面向中國制造2025的過程裝備與控制工程專業(yè)力學教學改革

孫銅生

(安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000)

力學系列課程是過程裝備與控制工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎課。針對力學課程的教學現(xiàn)狀及中國制造2025對應用型人才的迫切需求，提出了力學系列課程的教學改革思路：制定專業(yè)人才培養(yǎng)目標，在此基礎上構建應用型人才的課程體系；開展課程教學方法改革，并對教學方法進行人才培養(yǎng)質量評價。力學系列課程的教學改革的實施可望提高學生的工程實踐能力。

過程裝備與控制工程；中國制造2025；力學課程；教學改革

一、過程裝備與控制工程專業(yè)力學教學現(xiàn)狀

過程工業(yè)是加工流程性物質的現(xiàn)代國民經濟的支柱行業(yè)，[1]過程裝備與控制工程專業(yè)主要為過程工業(yè)培養(yǎng)設備設計與制造工藝、設備維護與管理、設備控制技術與工業(yè)系統(tǒng)控制等方面的應用型技術人才。過程裝備廣泛應用于化工、石油、輕工、制藥、食品、海洋等多種行業(yè)，[2]隨著行業(yè)對產品質量、產能效率、經濟和社會綜合效益提出的越來越高的要求，專業(yè)人才不僅僅能夠從事過程裝備的設計與制造，更應該具備不斷進行技術的升級的能力，具有廣闊知識面的能夠從事行業(yè)技術革新的應用型工程人才已經成為行業(yè)的迫切需求。高校過程裝備與控制工程的人才培養(yǎng)目標需順應行業(yè)發(fā)展，專業(yè)知識應面向工程實踐作出實時調整，專業(yè)教師要構建從過去重理論輕實踐轉變?yōu)橐詫嵺`為目標導向的教學體系。

過程裝備的設計計算包括過程裝置可靠性分析、機械結構強度與優(yōu)化設計理論、高效傳熱傳質分析等基礎理論的學習，這就要求過程裝備與控制工程先修力學基礎課，主要有《工程力學》《工程流體力學》《工程熱力學》等?！豆こ塘W》包括靜力學、運動學和動力學、材料力學三部分,研究物理機械運動及在外力作用下的應力、應變及穩(wěn)定性的規(guī)律的學科?！豆こ虩崃W》主要研究熱能與機械能和其他能量之間相互轉換的規(guī)律及其應用、提高轉化效率的途徑，是機械工程的重要基礎學科之一?！豆こ塘黧w力學》是研究流體之間能量相互轉換規(guī)律的一門學科，泵、壓縮機、燃氣輪機等典型的過程裝備都是以流體力學作為理論基礎的。目前課程教學暴露出的問題如下。

1.力學課程注重理論性，在實踐應用上有待進一步提升

力學課程基本上還是沿用高中物理課程的教學思維，注重理論的推導，學生對事物的本質缺乏理解，忽略了力學研究的基本問題是在實驗的基礎上進行測定和分析，應該創(chuàng)造條件多進行實驗，充分利用實驗來提高對力學基本原理的認識。鑒于教學經費和實驗場地的限制，大規(guī)模地采購實驗設備顯然不合時宜，在這種背景下，和專業(yè)實習的銜接顯得尤為重要。一方面，要選擇和課程內容相關的企業(yè)，由于課程的綜合性，選擇一兩個企業(yè)顯然不能覆蓋課程涉及到的全部設備；另一方面，實習的時間需要和課程的教學時間銜接，而專業(yè)實習往往從專業(yè)的課程總體進行考慮，這樣就不一定能滿足本課程的教學需要，極有可能形成兩個局面：一是實習結束后半年或者以上的時間才進入本課程學習，對實習的設備的印象已經變得非常模糊；二是在課程結束之后再進入相關企業(yè)實習，這是一種更壞的局面，對該課程教學并沒有起到促進作用。

2.力學課程內容體系老化，缺乏和新科技的緊密銜接

針對日新月異的科技發(fā)展，力學課程銜接程度明顯不夠，課程內容修訂進度緩慢，很多還是沿用幾十年前的老內容。以工程熱力學為例，該課程主要是研究熱能和機械能的相互轉化的學科，涉及到多種熱能動力裝置，如內燃機、蒸汽動力裝置等，以內熱機為例，它是一種動力機械，通過使燃料在氣缸內部燃燒，并將其放出的熱能直接轉換為動力的熱力發(fā)動機，內燃機工程已經成為一個獨立的學科，主要研究我國內燃機新技術、新能源、新材料、新工藝等方面的理論、方法，[3]其中重要的內容就是如何提高熱能與機械能的轉化效率，現(xiàn)有的最新的結構和方法在工程熱力學課程中沒有得到體現(xiàn)，教材中只把內燃機作為一種熱機作了工作原理的簡介，而忽略了熱力學課程的本質，課程的終極目標還是為工程實踐服務，因此如何在結構上來實現(xiàn)最大的熱效率才是關鍵所在，這就需要把最新的科研成果引入教材，這點恰好是缺失的。

綜上可見，目前力學基礎課停留于教學計劃中的自身建設，課程規(guī)劃缺乏有機協(xié)調，課程結構需要進一步優(yōu)化，避免重復建設和教學資源的浪費。[4]本文研究成果在實施后，通過教學理念的轉變來改變現(xiàn)有的教學方法和手段，強調課程理論和實踐的完整和系統(tǒng)性，將原來理論教學為主的課程內容體系，轉化為理論講授、課程實驗、關鍵設備現(xiàn)場實訓的多元課程體系，形成理論與應用并重的專業(yè)體系。

二、制定面向中國制造2025裝備專業(yè)人才培養(yǎng)目標

中國制造2025提出了“五大工程”及“十大領域”，其中涉及到的化工、航天、深海探測、新能源及新材料、生物醫(yī)藥和醫(yī)療器械等重點行業(yè)，均涉及到過程裝備與控制工程專業(yè)，未來這些行業(yè)在國家政策的導向和扶持下將進一步得到發(fā)展，培養(yǎng)出順應行業(yè)發(fā)展的過程裝備與控制工程專業(yè)的畢業(yè)生勢在必行。

為了培養(yǎng)高素質的應用人才，應選擇代表性企業(yè)調研，如揚子石化，了解企業(yè)的研發(fā)狀況和未來技術發(fā)展動向，掌握典型的化工設備如反應器、分離塔、換熱器、加熱爐等的最新技術，明確設備人才現(xiàn)狀與問題，了解企業(yè)對設備工程師的最新要求，編制專業(yè)典型設備人才需求目錄?；谡{研結果，研究創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式亟待解決的問題，明確設備新技術和新工藝新材料背景下對力學課程教學內容的新要求，探討中國制造2025理念的視角下力學課與人才培養(yǎng)的關系，構建新的裝備專業(yè)人才培養(yǎng)目標，構建的步驟如圖1。

三、構建裝備專業(yè)應用型力學課程體系

面向中國制造2025的行業(yè)要求和調研結果，研判出適應新背景的裝備人才需求，從中梳理出人才培養(yǎng)目標，改變傳統(tǒng)力學的授課內容，及時修訂力學課程教學大綱，實現(xiàn)教學內容滿足應用型的培養(yǎng)需求。目前的力學課程基本上都是側重理論的講解，在工程熱力學中，全書圍繞著熱力學第一定律、第二定律、第三定律進行展開；材料力學中，以拉伸、剪切、扭轉、彎曲等常見的變形形式來研究材料內部的應力和變形特點；流體力學則是以流體靜力學和流體動力學為主線研究流體的平衡和運動規(guī)律。上述理論都是以理論公式的推導展開，較為枯燥且難以理解，并沒有闡明和專業(yè)的聯(lián)系，學生在不能明確學習目的的情況下很難對課程產生學習興趣，教學效果很差，從歷年的考試情況來看力學的不及格率非常高。

要扭轉上述局面，必須明確課程學習目的，要使力學課程和專業(yè)建立起緊密的聯(lián)系，改變以理論公式為主的課程體系，以力學的基本原理為主線，建立工程案例引導式課程體系。如在進行閉口系統(tǒng)的能量方程的講解時，引入內燃機的實例，從燃氣在氣功活塞系統(tǒng)里燃燒后發(fā)生的能量轉換，從而推導其能量方程，而不是采用目前的教學方法，直接設定一個閉口系進行理論的推導，一方面理解的難度大，另一方面學生很難集中注意力。再如，介紹流動運動的伯努利方程時，教材上取一段流動的流體來進行公式的推導，同樣非常抽象難以理解，可以直接以離心泵為例，分析流體通過葉輪前后壓能和動能的變化，從而建立起伯努利方程。采用工程案例教學，必將提高教學效果，激發(fā)學生的學習熱情，弄清楚為什么去學，變被動學習為主動學習。

現(xiàn)有的各力學課程都是圍繞著各自設定的背景展開，并沒有考慮課程間的聯(lián)系。那么在進行教學體系構建的時候，可以基于大力學的思想完成過控專業(yè)力學基礎課的課群體系的整體構建。為了提高教學效率，應重組各力學課程體系，避免重復教學，如可將工程力學中的靜力學和流體力學中的流體靜力學進行合并，工程力學中的氣體和蒸汽的流動并入流體力學中，這樣實現(xiàn)相近的理論知識的有機融合，既可以節(jié)約學時，又可以提高效率。

大力學課程體系組建后，各力學課程內容將重新構建，課程內容實現(xiàn)模塊化、層次化，打破各力學的界限，各模塊引入工程實例，根據(jù)過程裝備企業(yè)發(fā)展趨勢，面向應用型設計教學項目，大力學課群體系建立過程如圖2。

四、開展力學課程教學方法改革[5]

根據(jù)案例引導式教學方法，引入典型過程裝備，如反應壓力容器、換熱容器、分離容器、流體機械、分離機械等，結合它們使用過程中常見的缺陷或失效案例，來對應設計過程中需要采用的力學理論，以激發(fā)學生對問題的思考，自主尋找其中的力學問題，并應用理論來改進設備的設計，這種引導式教學方法可以提高學生的創(chuàng)新能力。

作為課堂教學的有效補充，可以利用實習實訓基地進行實踐現(xiàn)場教學法，選擇典型內容重點安排，如大型高壓容器這一類過程設備，將力學的強度定理和熱力學基本定理在設計制造現(xiàn)場進行教學，如在大型石化企業(yè)的檢修分廠進行講授，在里面看到大部分壓力容器的破壞形式，企業(yè)的工程師對設備使用過程及失效的原因有更為深刻的認識，現(xiàn)場教學可以加深學生對問題的理解，并能夠思考其中的力學機理，結合設備的破壞的實物分析其中的力學理論，可以達到課堂教學無可比擬的效果。

受條件的限制，不可能所有的設備都可以到現(xiàn)場授課，對一些小型設備，如以機械加工為主要制造手段的泵、壓縮機和離心機等過程機器，可以充分利用實驗室開展教學活動，將力學的基本理論通過實驗的操作來理解。也可以通過實驗來進行強度理論的講授，如外壓薄壁圓筒容器的失穩(wěn)，通過觀察外力作用下薄壁圓筒失穩(wěn)后的形態(tài)來思考外力與容器形態(tài)的關系。以學生為主體開展啟發(fā)式教學，同時提高學生的理論基礎和實踐能力。

對特別優(yōu)秀的學生可以實施科研訓練教學法，引導部分學生申報大學生創(chuàng)新項目，積極挖掘開發(fā)創(chuàng)新性實踐教學的有效載體，有效提高學生綜合應用理論知識的能力，如本人已經指導幾屆國家級大學生創(chuàng)新項目，近三次的選題分別為：“三足式離心機結構與制造工藝設計”“上懸式離心機結構與制造工藝設計”“BEM固定管板式換熱器設計與優(yōu)化”，這三個選題均需要綜合運用材料力學、工程熱力學和流體力學的理論，來對設備的結構設計和流體的性能分析，促進力學知識的理解，提高學生的實踐技能，通過優(yōu)秀學生的引領示范作用可帶動整個專業(yè)群體的應用型能力的提高。課程教學方法總結如圖3所示。

五、構建面向中國制造2025的力學課程教學質量評價

根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標和教學內容，制定力學系列課程教學工作規(guī)程，目前力學模塊的教學流程和規(guī)則，擬定教學工作質量標準規(guī)范，作為力學課程教學和評價的重要依據(jù)，從備課、課堂教學、實驗室教學、實踐現(xiàn)場教學到作業(yè)的批改等各環(huán)節(jié)全部設定標準。

依據(jù)應用型人才培養(yǎng)目標，提出中國制造2025背景下的力學課程教學質量監(jiān)控方法，從備課、授課和答疑各方面進行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)教學過程中存在的問題，提出解決的辦法，制定監(jiān)控體系所需的各種方案，為校院兩級教學督導提供服務。構建人才應用型能力評價方法，突出解決工程問題的能力，從發(fā)現(xiàn)化工裝備問題、分析裝備的失效原因和解決裝備的失效的全過程進行綜合評價，分塊進行問題分解，提出評價指標體系，建立人才培養(yǎng)信息數(shù)據(jù)庫，對不同的教學方法下的人才培養(yǎng)日常過程信息進行記錄，錄入人才培養(yǎng)過程信息并處理評價結果，得出最優(yōu)的教學方法和教學形式。

根據(jù)教學質量監(jiān)控及評價結果，定期修正教學內容體系和教學方法，制定整改措施和建設方案，形成最優(yōu)的教學方案和組織形式，達到以評價促教學整改，形成良性互動，最終達到全面提高人才的應用能力。教學質量評價的流程如圖4所示。

力學課程的理論性較強，目前的課程體系和專業(yè)的銜接上缺乏實踐性，不符合中國制造2025對應用型人才的要求，必須進行教學改革。文中提供了教學改革的思路，分別從人才培養(yǎng)目標、課程體系優(yōu)化、教學方法和質量評價四方面進行了闡述。研究成果有助于提高教學效果和學生的綜合實踐能力。

[1]齊濤.清潔生產與過程工業(yè)綠色化[J].高科技與產業(yè)化，2011(183).

[2]鄒廣華，劉強.過程裝備制造與檢測[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

[3]朱劍明,彭代勇.世界能源現(xiàn)狀與內燃機的發(fā)展機遇[J]. 內燃機工程，2011,32(2).

[4]孫銅生.過程裝備與控制工程專業(yè)力學課程教學研究與實踐[J].中國電力教育，2014(14).

[5]孫銅生.面向應用型人才培養(yǎng)的過程裝備制造工藝教學方法研究[J]赤峰學院學報(自然科學版)，2016,32(2).

Class No.:G642.0 Document Mark：A

(責任編輯：蔡雪嵐)

Teaching Reform for Mechanics Courses for Process Equipment and Control Engineering Based on Made in China 2025

Sun Tongsheng

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000，China)

Mechanics is an important professional basic course for process equipment and control engineering. Current situation and existing problem of teaching are analyzed in this paper. Because of urgent demand for applied talents, teaching reform for mechanics courses is discussed, which is concerning the personnel training target, course system, and the method used to evaluate the training quality. Implementation of teaching reform for mechanics courses can promote the ability of students in the engineering.

process equipment and control engineering; Made in China 2025; mechanics courses; teaching reform

孫銅生，博士，副教授，碩士生導師，安徽工程大學機械與汽車工程學院。研究方向：過程裝備與控制工程。

安徽省2016年度高等學校省級教學研究項目(項目編號：2016jyxm0101)；安徽工程大學2016 年校級本科教學質量提升計劃教學研究重點項目(項目編號：2016jyxm10)。

1672-6758(2017)03-0001-4

G642.0

A