基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的流體機械類課程實驗教學(xué)改革與實踐

王增麗 王皓 李強 王君

摘 要：針對流體機械類課程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及問題，為增強學(xué)生的創(chuàng)新意識和自主創(chuàng)新能力，開展了改進(jìn)教學(xué)模式、增設(shè)自主實驗設(shè)計，構(gòu)建開放性創(chuàng)新實驗平臺等實驗教學(xué)改革；并結(jié)合直接數(shù)值建模方法和主要零部件3D打印技術(shù)，構(gòu)建了可實現(xiàn)多種流體機械嚙合特性及工作機理測試的開放性實驗平臺?；趧?chuàng)新能力培養(yǎng)的流體機械類課程實驗教學(xué)改革可提升實驗教學(xué)效果，切實加強學(xué)生分析和解決過程裝備領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識和自主創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力；流體機械類課程；實驗教學(xué)改革；開放性實驗平臺

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）20-0035-03

Abstract： In view of the current situation of experimental teaching in fluid machinery courses and its problems， the reform of experiment teaching such as improving teaching mode， setting up independent experiment design， and constructing open innovation experiment platform are carried out to enhance students' innovative consciousness and independent innovation ability. The open experimental platform for testing the meshing characteristics and working mechanism of fluid machinery was constructed in combination with direct numerical modeling method and the 3D printing technology. Experimental teaching reform of the fluid machinery courses based on innovation ability training can improve the experiment teaching effect， strengthen students' ability to analyze and solve complex engineering problem of process equipment and exercise students' innovation consciousness and innovation ability.

Keywords： innovation ability； fluid machinery course； experiment teaching reform； open experimental platform

隨著新工科建設(shè)工作的開展及我校過程裝備與控制工程專業(yè)“工程教育認(rèn)證”工作的推進(jìn)，人才培養(yǎng)目標(biāo)需要逐漸向加強工科學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力等方向轉(zhuǎn)變[1，2]。過程流體機械課程作為專業(yè)核心課程，是支撐人才培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵課程。而實驗教學(xué)則是過程流體機械這類應(yīng)用性和實踐性強的課程授課過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，實現(xiàn)學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力提高的重要手段[3]。

從目前我校流體機械類課程的實驗教學(xué)情況來看，已開展的實驗教學(xué)內(nèi)容還主要是常規(guī)流體機械的工作性能測試實驗[4-6]?，F(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容和裝置無法迎合流體機械技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，也不能給學(xué)生提供自主創(chuàng)新研究的平臺。而且實驗教學(xué)模式也大都是傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，不利于激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新欲望[7-9]。為了解決上述問題，其他學(xué)校針對流體機械類實驗教學(xué)也進(jìn)行了一些改革：通過三維建模構(gòu)建流體機械基本結(jié)構(gòu)模型，并模擬拆卸過程，從而加深學(xué)生對相關(guān)流體機械結(jié)構(gòu)的認(rèn)識[10]；在實踐環(huán)節(jié)增加拆裝實訓(xùn)教學(xué)過程，以加強學(xué)生的實踐動手能力及其對流體機械內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解[11]；為了解決實驗教學(xué)要求提高而實驗經(jīng)費保障相對滯后的矛盾，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)方法又被提出并應(yīng)用于實驗教學(xué)環(huán)節(jié)[12，13]。但是目前上述方法仍主要針對于往復(fù)壓縮機、離心泵和離心壓縮機這類常規(guī)的流體機械，沒有涉及其他新型高效流體機械，且實驗裝置的開放性也沒有得到改善，不利于學(xué)生進(jìn)行探索研究性實驗，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了對學(xué)生工程實踐能力、創(chuàng)新精神和國際視野等能力培養(yǎng)的要求。

鑒于此，本文在分析了過程裝備與控制工程專業(yè)流體機械類課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀及問題的基礎(chǔ)上，從實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面提出實驗教學(xué)改革。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合直接數(shù)值建模方法和3D打印技術(shù)，構(gòu)建可實現(xiàn)多種流體機械嚙合特性測試及工作機理驗證的開放性創(chuàng)新實驗平臺，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，大力提升學(xué)生的工程實踐能力和自主創(chuàng)新能力提供基礎(chǔ)。

一、流體機械類課程實驗教學(xué)改革

過程裝備與控制工程專業(yè)開設(shè)的“過程流體機械”課程是支撐本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求的主體。實驗教學(xué)是該門課課程目標(biāo)達(dá)成及學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。但隨著工程教育認(rèn)證及新工科建設(shè)工作的開展，目前實驗教學(xué)中存在的問題逐漸顯現(xiàn)。下面就具體問題展開分析并提出教學(xué)改革。

（一）實驗教學(xué)內(nèi)容及模式的優(yōu)化

隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型高效流體機械正越來越多地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。但反觀本專業(yè)流體機械類課程所開展的實驗教學(xué)的內(nèi)容還主要是離心泵、往復(fù)活塞式壓縮機和風(fēng)機的簡單工作性能測試實驗，內(nèi)容較陳舊[5]。很多石化行業(yè)應(yīng)用廣泛的螺桿壓縮機（泵）及轉(zhuǎn)子式壓縮機（泵）等新型高效流體機械沒有相應(yīng)的實驗裝置，導(dǎo)致人才培養(yǎng)與科技進(jìn)步和現(xiàn)實行業(yè)脫節(jié)，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。鑒于此，在培養(yǎng)方案修訂過程中，將流體機械類課程的實驗獨立設(shè)置“專業(yè)實驗”課程，從課內(nèi)實驗變?yōu)楠毩⒄n程，增加了授課內(nèi)容和授課學(xué)時量。實驗類型也在原來的認(rèn)知性實驗和驗證性實驗基礎(chǔ)上，增加了綜合性實驗、設(shè)計性實驗和研究創(chuàng)新性實驗等不同層次的實驗項目，為學(xué)生提供不同層次的鍛煉和提高，以培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計、實施和測試分析的能力，滿足學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，更好地實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)。

另外，現(xiàn)有的實驗教學(xué)模式依舊采用傳統(tǒng)的講授法。這種被動式的知識傳授方式不能很好地激發(fā)學(xué)生的主動性和開拓創(chuàng)新能力。故在原來的講授式教學(xué)模式基礎(chǔ)上，增加了小組討論及實驗方案制定等環(huán)節(jié)。實際實驗教學(xué)過程中，要求學(xué)生通過實驗前的資料查閱、儀器設(shè)備預(yù)調(diào)確定多個實驗方案，然后通過小組討論確定最終的實驗方案，并按照選定的實驗方案進(jìn)行實驗操作，每個學(xué)生必須獨立完成實驗。最后各小組再針對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論和分析，得到相應(yīng)的規(guī)律和結(jié)論。這種啟發(fā)研討式教學(xué)方法增加學(xué)生的自主性和參與程度，有利于鍛煉學(xué)生從實驗角度研究自然規(guī)律或解決本專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題的能力，并形成良好的科學(xué)作風(fēng)和開拓創(chuàng)新能力。

（二）創(chuàng)新研究型實驗項目的豐富

實驗教學(xué)內(nèi)容及模式的優(yōu)化對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)還停留在實驗方案的設(shè)計和選取上，并不是本質(zhì)的創(chuàng)新。此外，流體機械類課程學(xué)習(xí)過程中引導(dǎo)學(xué)生提出了一系列創(chuàng)新設(shè)計思路，并由此延伸而申請了多個大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目“新型熱發(fā)動機三維設(shè)計與發(fā)電系統(tǒng)研究”等，參加了多個創(chuàng)新大賽“滾子葉片泵的三維設(shè)計與仿真”等，但是在項目和大賽的實施過程中，沒有開放性的實驗平臺作為支撐，導(dǎo)致學(xué)生的設(shè)計結(jié)果并不能得到良好的實驗驗證及優(yōu)化改進(jìn)，不能很好地滿足學(xué)生開展研究創(chuàng)新性實驗的要求。

為了支撐上述要求，切實提高學(xué)生的原始創(chuàng)新能力，在實際的教學(xué)活動中，要求流體機械類課程授課老師和實驗技術(shù)人員積極創(chuàng)造條件開放實驗室。一方面利用教師所承擔(dān)的科研項目及所搭建的科研實驗平臺，支持學(xué)生參加各種創(chuàng)新性比賽及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目；另一方面在實驗教學(xué)過程中需要構(gòu)建開放性實驗平臺，為學(xué)生開展創(chuàng)新性實驗研究提供平臺。為此，本文結(jié)合直接數(shù)值建模方法和主要零部件3D打印技術(shù)，構(gòu)建了可實現(xiàn)多種流體機械嚙合特性測試及工作機理驗證的開放性實驗平臺。

二、開放性實驗平臺方案設(shè)計與應(yīng)用

（一）開放性實驗平臺方案設(shè)計

圖1所示為本文設(shè)計的流體機械類課程開放性實驗平臺的三維模型，主要包括空間軸系嚙合系統(tǒng)支撐平臺、三維嚙合副軸向精確定位支架、空間嚙合軸和其他功能組件。

空間軸系嚙合系統(tǒng)支撐平臺是嚙合特性測試組件安裝的基礎(chǔ)，該支撐平臺在中心位置處設(shè)置帶有矩形凸起的橫向滑軌，兩側(cè)分別設(shè)計螺栓緊固槽。橫向滑軌主要用于固定中心轉(zhuǎn)子的軸向精確定位支架，并起到調(diào)整中心轉(zhuǎn)子支架軸向位置的功能。橫向滑軌兩側(cè)設(shè)置的六條帶有通槽的縱向滑軌主要用于滿足采用平面嚙合系統(tǒng)及空間嚙合系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)式流體機械從動轉(zhuǎn)子軸支架的導(dǎo)向和精確定位作用。

圖2所示為軸向定位支架的設(shè)計方案圖，中心轉(zhuǎn)子和平行軸從動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸均是水平布置，如圖2（a）所示，中心轉(zhuǎn)子軸支架的底端面開有矩形槽與橫向滑軌配合實現(xiàn)定向滑動，平行軸從動轉(zhuǎn)子軸支架結(jié)構(gòu)基本相同，只是將滑軌槽改為與支撐平臺縱向滑軌的導(dǎo)軌槽配合實現(xiàn)定向滑動的矩形導(dǎo)軌凸塊。這兩組水平軸的轉(zhuǎn)子軸支架底座均可通過其上開設(shè)的螺栓孔與螺栓緊固槽連接并實現(xiàn)緊固定位。另外，在轉(zhuǎn)子軸孔外側(cè)面均設(shè)計有帶有調(diào)節(jié)螺釘?shù)亩松w，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向位置的精確控制。如圖2（b）所示，垂直軸從動轉(zhuǎn)子軸支架主要包括轉(zhuǎn)子軸支架、上頂尖、下頂尖、端蓋和調(diào)節(jié)螺釘組成。轉(zhuǎn)子軸支架起到支撐從動轉(zhuǎn)子軸的作用，并通過上頂尖、下頂尖、端蓋和調(diào)節(jié)螺釘組成從動轉(zhuǎn)子軸的軸向調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

（二）開放性實驗平臺應(yīng)用

在流體機械類課程學(xué)習(xí)過程中，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，鼓勵學(xué)生針對不同類型流體機械提出一些創(chuàng)新性的設(shè)計，并根據(jù)這些創(chuàng)新性設(shè)計思路，延伸申請大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目，參加“大學(xué)生過程裝備實踐與創(chuàng)新大賽”等一系列的創(chuàng)新性大賽。在此過程中，學(xué)生需要根據(jù)流體機械類課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論知識，提出創(chuàng)新設(shè)計，并利用三維數(shù)值模擬和實驗的方法來驗證嚙合副型面的嚙合特性和創(chuàng)新性。本文所設(shè)計的開放式實驗平臺即可提供學(xué)生進(jìn)行研究創(chuàng)新性實驗研究。學(xué)生自主設(shè)計的新型嚙合副型面可以利用直接數(shù)值建模方法和3D打印技術(shù)，構(gòu)建三維模型（如圖3所示），并安裝在該開放性實驗平臺上，一方面可以結(jié)合三維數(shù)值模擬的計算結(jié)果來驗證創(chuàng)新性設(shè)計的正確性；另外一方面還可以直觀地觀察嚙合過程所存在的問題，并提出嚙合副型面的優(yōu)化設(shè)計方法?？蔀閷W(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目及各種類型的創(chuàng)新性大賽提供驗證性實驗平臺，對于促進(jìn)學(xué)生自主創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)具有重要的作用。

三、結(jié)束語

本文分析了過程裝備與控制工程系流體機械類實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，針對目前實驗教學(xué)中存在的教學(xué)內(nèi)容及裝置陳舊，教學(xué)模式單一，實驗設(shè)備的開放性差等問題，提出了獨立設(shè)置“專業(yè)實驗”課程，增加學(xué)時、增設(shè)綜合性、設(shè)計性和研究創(chuàng)新性實驗等實驗教學(xué)的改進(jìn)措施，針對可開展的創(chuàng)新研究型實驗項目欠缺的問題，提出利用科研試驗臺及構(gòu)建開放性創(chuàng)新實驗平臺的措施。并結(jié)合直接數(shù)值建模方法和主要零部件3D打印技術(shù)，構(gòu)建了可實現(xiàn)多種流體機械嚙合特性測試及工作機理驗證的開放性實驗平臺。最終形成了基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實驗教學(xué)模式，切實加強了學(xué)生分析和解決過程裝備領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，提高了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

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