面向新工科培養(yǎng)模式的汽輪機原理課程教學方法的思考

張川 王保文

摘要：以產(chǎn)業(yè)交叉融合為特點的新經(jīng)濟的快速發(fā)展，迫切需要更多具有創(chuàng)新能力和多學科交叉整合背景的新型工科人才。高等學校的工科教育將朝著以創(chuàng)新型和綜合化為特點的新工科的方向發(fā)展。這對我國工科本科生的教學提出了“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的新要求。教師如何充分利用有限的學時資源，使本科生在感性認識少的前提下，達到“寬”與“專”并重的專業(yè)課教學效果，是當前新工科培養(yǎng)模式下教育改革的重點與難點。本文提出了一種從合理規(guī)劃教學內(nèi)容充分提升課堂教學效果、靈活采用多種教學方法和手段突出教學重點和改進實踐教學環(huán)節(jié)鞏固并加深課堂教學效果的方法入手，進行汽輪機原理課程教學改革的方法，以有效提升教學效果，獲得“寬”與“?！辈⒅氐慕虒W目標。該探索為滿足新工科培養(yǎng)模式所要求的提高創(chuàng)新能力和多學科交叉背景的工科本科專業(yè)課程的教學提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：新工科；汽輪機原理；教學方法；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）43-0190-03

“汽輪機原理”是能源與動力工程類專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課，通過該課程的學習，不僅能使學生掌握關(guān)于“汽輪機”這一大型精密熱力機械的能量轉(zhuǎn)換原理與過程、運行和控制、零部件強度和材料等諸多方面的科學規(guī)律，更是引導他們從事相關(guān)的工程設(shè)計、設(shè)備制造和運行維護等領(lǐng)域的工作，乃至進一步深入相關(guān)科學研究的良好教學載體。但是，由于汽輪機原理的教學內(nèi)容不僅需要承接先修的工程熱力學、傳熱學、流體力學、理論力學和材料力學等基礎(chǔ)性理論課程，還延伸關(guān)聯(lián)著后續(xù)的熱力發(fā)電廠、發(fā)電廠集控運行等相關(guān)的專業(yè)課程，因此該課程具有理論性、實踐性和綜合性都很強的特點，故而教師講授和學生學習的難度都很大[1]。當前，隨著以產(chǎn)業(yè)交叉融合為特點的新經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國迫切需要更多具有創(chuàng)新能力和多學科交叉整合背景的新型工科人才。探索培養(yǎng)面向新時代的多樣化和個性化并重的人才培養(yǎng)模式，加快發(fā)展和建設(shè)新工科教育，是時代的迫切需要。為此，高等學校的工科教育也將從以往注重過專和過窄的專業(yè)知識應用，逐步朝著以創(chuàng)新型和綜合化為特點的新工科的方向發(fā)展[2]。這種發(fā)展趨勢在對工科的本科教學提出了“厚基礎(chǔ)、寬口徑”這一新要求的同時，也引起了基礎(chǔ)課學時和比例增加，而專業(yè)課程學時減少的新矛盾。而且，幾乎所有工科類的專業(yè)課程都具有實踐性強、研究領(lǐng)域涉及多種學科、教學內(nèi)容龐雜和抽象等共性特點。如何充分利用有限的學時資源，使本科生在感性認識少的前提下，獲得“寬”與“專”并重的專業(yè)課教學效果。成為新工科培養(yǎng)背景下，高等學校的專業(yè)課程教師共同面臨的教學重點和難點。本文針對上述問題，圍繞汽輪機原理課程的本科教學，分別從教學內(nèi)容的規(guī)劃、教學方法的改進和實踐環(huán)節(jié)的協(xié)同等方面來進行有益的探索，以提升教學效果。

一、合理的規(guī)劃教學內(nèi)容，以充分提升課堂教學效果

教師在課堂教學的環(huán)節(jié)，需要在充分考慮學生現(xiàn)有的知識結(jié)構(gòu)和認識水平的基礎(chǔ)上，采用循序漸進的教學方式，通過合理重組教學內(nèi)容，引導學生不斷從“舊知”中引入“新知”，以便達到預期的教學效果。著名教育學者美國猶他州立大學的戴維·梅里爾教授認為，有效的教學過程必須遵循認知的客觀規(guī)律。即從“激活舊知”、“示證新知”、“應用新知”到“融會貫通”的首要教學原理[3]。教學中不能只注重“示證新知”而忽略了其他環(huán)節(jié)的作用。例如在講解第一章“級的工作原理”之前，可以將第二章“多級汽輪機”中關(guān)于描述汽機本體中的汽缸、隔板、噴嘴、主軸、葉輪和動葉等結(jié)構(gòu)和作用的部分提前講解。通過合理規(guī)劃教學內(nèi)容，使學生增強了感性認識之后，就能夠容易理解第一章中的蒸汽在級中的熱力過程，這一抽象的熱物理過程。隨后，就可以結(jié)合先修的工程熱力學和流體力學知識，逐步引導學生抽象出蒸汽對動葉片的作用力、做功以及級內(nèi)各項損失等相關(guān)的內(nèi)容。通過對教學內(nèi)容做更合理的規(guī)劃，能夠有效地避免學生由于直接抽象熱物理過程所帶來的茫然感，達到提升課堂環(huán)節(jié)教學效果的目的。此外，個別教學內(nèi)容還可以被安排到指導性的教學環(huán)節(jié)中。例如，可將第一、三章中關(guān)于“汽輪機級的熱力設(shè)計原理”、“扭葉片級”、“變工況下汽輪機的熱力核算”等內(nèi)容，可以集中安排到課堂教學環(huán)節(jié)之外的“汽輪機課程設(shè)計”環(huán)節(jié)進行講解。這樣既可以在課堂教學環(huán)節(jié)中，更有針對性的突出理論部分的教學內(nèi)容。又能避免相同教學內(nèi)容在不同教學環(huán)節(jié)中重復的情況發(fā)生，從而更高效的利用有限的學時資源。

二、靈活的采用多種教學方法和手段，以突出教學重點

汽輪機原理課程總的教學內(nèi)容可以分為三大部分：①經(jīng)典理論部分。主要包括“級的工作原理”和“多級汽輪機”。該部分主要講解汽輪機中的熱功轉(zhuǎn)換規(guī)律。通過運用質(zhì)量守恒、能量守恒、動量定理以及工質(zhì)的熱物理狀態(tài)方程和過程方程等建立起級的熱功轉(zhuǎn)換的定量數(shù)學關(guān)系。并以此為基礎(chǔ)，推導出汽輪機熱功轉(zhuǎn)換效率、熱功轉(zhuǎn)換能力和零部件受力等的相關(guān)定量計算式，最終獲得汽輪機各級的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算公式。該部分是整個課程的理論精髓，也作為培養(yǎng)學生具備從工程實際中抽象出數(shù)學物理描述，進而開展科學研究能力的重要載體。對于這部分內(nèi)容，如果僅采用傳統(tǒng)的板書教學方式，進行“滿堂灌”式的教學，往往不足以充分激發(fā)學生的熱情，且容易造成部分學生思維跟不上，甚至聽不懂的現(xiàn)象。為此，筆者在課堂上采用多媒體輔助板書教學的復合方法。通過展示發(fā)電廠的現(xiàn)場圖片、蒸汽在汽輪機內(nèi)部流動的3D視頻動畫等生動的現(xiàn)代化教學手段，來提升理論部分的板書教學效果。并且在講解安排上，做到課前通過知識回顧來引入新的教學內(nèi)容，課尾通過總結(jié)來突出重點和難點。另外，還努力在課堂講解過程中增加與學生的交流互動，以便根據(jù)他們的理解情況，實時靈活的調(diào)整教學的進度。②專業(yè)知識的多學科交叉延伸部分。該部分內(nèi)容主要包括“汽輪機變工況特性”“汽輪機的凝汽設(shè)備”“汽輪機零件的強度”和“汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)”。這些內(nèi)容是從經(jīng)典的專業(yè)知識向更深入的專業(yè)方向延伸的教學內(nèi)容。在教學中采用了分解啟發(fā)式的教學方法，通過教師的積極引導，來強化以學生為主體的工程教育模式。教師將主要知識點分成若干子問題，通過對子問題的聚焦思考，引導學生聽課，借以提高學生參與課堂的能力。例如可將汽輪機變工況的內(nèi)容，分解成壓力變化對流量的影響、流量變化對焓降的影響和焓降變化對級的反動度與做功能力的影響這三個子內(nèi)容。通過這些由淺入深逐步設(shè)置的子問題，最后揭示出壓力變化對汽輪機做功能力的影響和如何進行汽輪機負荷調(diào)節(jié)的規(guī)律。采用上述分解啟發(fā)式的教學方法，不但鞏固和加深了學生對基礎(chǔ)理論的認識，還鍛煉了他們運用專業(yè)理論解決實際工程問題的能力，收到了訓練工程思維的效果。③專業(yè)知識的綜合擴展部分。主要包括超臨界壓力汽輪機、熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)汽輪機、核動力汽輪機的結(jié)構(gòu)、熱力特性和自動調(diào)節(jié)等。該部分教學內(nèi)容往往是經(jīng)典汽輪機專業(yè)知識與當代的具有多學科交叉背景的汽輪機技術(shù)新發(fā)展的結(jié)合。在課程教學中，通過引入這些最新的科研成果進行專題講座的方式，如“防固體顆粒侵蝕的流道設(shè)計”“針對高溫部件有效冷卻的特殊結(jié)構(gòu)”和“三維扭轉(zhuǎn)葉片設(shè)計”等。就可以將行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求，用產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展的方式引入教學過程，從而突出新工科教學的前沿性、創(chuàng)新性和學科交叉性。使學生樹立以面向未來和領(lǐng)跑世界為目標的專業(yè)追求，并能逐步提升新工科人才培養(yǎng)的質(zhì)量標準。以這部分教學內(nèi)容為載體，還能進一步強化培養(yǎng)工科學生的家國情懷和全球視野，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學科交叉融合、自主終身學習等新工科人才所必備的核心理念。

三、改進實踐教學環(huán)節(jié)，鞏固和加深課堂教學效果

汽輪機原理課程的實踐教學環(huán)節(jié)分為課程實驗和課程設(shè)計兩個部分。教學中可以將課程實驗穿插在理論學習的中間某一階段，并將其分為基礎(chǔ)性實驗和創(chuàng)新性實驗兩部分[4]。其中，基礎(chǔ)性實驗，如300MW汽輪發(fā)電機組模擬轉(zhuǎn)子的動平衡實驗，用以加強學生對理論教學環(huán)節(jié)的概念和理論的認識，同時提高動手能力。對于創(chuàng)新性的實驗，可以讓學生在教師科研團隊的指導下，利用科研項目的實驗裝置來開展。如300MW汽輪發(fā)電機組模擬轉(zhuǎn)子的振動實驗。需要通過分析振動信號來判斷振動類型，并通過計算與實際操作，達到降低或消除轉(zhuǎn)子振動的目的。通過開展創(chuàng)新性實驗，提高了學生靈活運用課堂知識解決實際問題的能力，既強化了課堂教學的效果，又增強了學生的創(chuàng)新能力。

汽輪機原理課程設(shè)計是在課堂教學環(huán)節(jié)完成后進行的，通常由老師指定若干題目作為任務布置給學生，學生需要在教師指導下自主完成相關(guān)設(shè)計。由于課程設(shè)計時間較長，大多安排兩周左右的時間。指導教師對該課程設(shè)計的進程實施了動態(tài)管理。例如將整個設(shè)計任務分成若干相對獨立的小模塊進行。通過這樣的模塊分解方法，可以有效的、分階段的建立起學生設(shè)計的信心和熱情，保證學生逐漸深入設(shè)計并最終獲得成功。這種模塊化的課程設(shè)計教學方式，使學生更容易體驗到工程設(shè)計的過程快樂，而不僅是追求設(shè)計的最終結(jié)果，有助于他們實現(xiàn)對課堂教學環(huán)節(jié)的內(nèi)容實現(xiàn)系統(tǒng)化的掌握，從而達到首要教學原理中提出的“融會貫通”的效果。

四、結(jié)語

新的時代背景下，高等學校的教育改革將朝著新工科培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變。對汽輪機原理的課程教學提出了“寬”與“?！辈⒅氐母咭蟆Ｍㄟ^合理的規(guī)劃教學內(nèi)容，采用豐富的教學手段和強化協(xié)同的實踐教學，能夠確保培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的創(chuàng)新型人才的目標。工科專業(yè)課的教學過程具有很強的師生互動性，教師應該積極把握好教學過程的主動性，落實以學生為中心的工程教育理念，遵循學生認知的基本規(guī)律，通過積極探索大膽進行教學改革，在實踐中不斷總結(jié)并提高。

參考文獻：

[1]康松，楊建明，胥建群.汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，2000.

[2]吳愛華，候永峰，楊秋波，郝杰.加快發(fā)展和建設(shè)新工科主動適應和引領(lǐng)新經(jīng)濟[J].高等工程教育研究，2017，（1）：1-8.

[3]戴維·梅里爾，著.首要教學原理[J].盛群力，何珊云，鐘麗佳，譯.當代教育與文化，2014，6（6）：1-7.

[4]張財紅，李楠，關(guān)雪梅.對汽輪機原理課程實驗教學環(huán)節(jié)的研究與探討[J].當代教育與文化，2016，（12）：45-47.

Abstract：The rapid development of the new economy，characterized by industrial convergence，There is an urgent need for more new engineering talents with innovative ability and multi-disciplinary cross-integration background.The engineering education in colleges and universities will develop towards a new engineering subject characterized by innovation and integration.The teaching of science students put forward the "thick foundation，" The new requirement of "wide caliber".How can teachers make full use of limited resources to make undergraduates achieve the teaching effect of "wide" and "special" under the premise of less perceptual understanding？ It is the key and difficult point of the education reform under the current new engineering training mode.This paper puts forward a kind of reasonable regulation.The teaching contents should be drawn up to improve the classroom teaching effect，and the methods to emphasize the key points of teaching and improve the practical teaching links to consolidate and deepen the effect of classroom teaching should be adopted flexibly.The teaching reform of steam turbine principle course is carried out in order to improve the teaching effect effectively.The goal of "wide" and "specialized" teaching is obtained.This exploration provides a useful reference for the teaching of engineering undergraduate courses which meet the requirements of the new engineering training model to improve the innovative ability and multi-disciplinary cross-background.

Key words：new engineering；Steam Turbine Principle；teaching method；teaching reform