化工機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

於秋萍 華 潔 李 佳

(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

1 化工機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)概述

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

作為一所“雙一流”學(xué)科建設(shè)高校，培養(yǎng)具有豐富理論知識(shí)、扎實(shí)實(shí)踐能力的創(chuàng)新性人才是高校的一項(xiàng)重要建設(shè)目標(biāo)[1]，專業(yè)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)在學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)、創(chuàng)新能力的提高上發(fā)揮著不可替代的作用。

化工機(jī)械(現(xiàn)更名為過(guò)程裝備與控制過(guò)程，簡(jiǎn)稱“過(guò)裝”)專業(yè)的主干課程是《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》、《過(guò)程流體機(jī)械》和《過(guò)程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用》[2]，課程實(shí)驗(yàn)原先屬于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為分散，不利于提高學(xué)生對(duì)專業(yè)整體的認(rèn)識(shí)，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在以下問(wèn)題：

學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的重視程度不夠，實(shí)驗(yàn)前缺乏理論知識(shí)復(fù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不少學(xué)生聊天、玩手機(jī)、處于被動(dòng)接收狀態(tài)，教學(xué)過(guò)程中很難與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)；實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，有時(shí)甚至出現(xiàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)得完全一樣的荒謬現(xiàn)象，難以真實(shí)地反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與狀況與知識(shí)掌握情況。

1.2 專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體思路

鑒于原先過(guò)裝專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，學(xué)校對(duì)原教學(xué)培養(yǎng)方案進(jìn)行了調(diào)整，將專業(yè)課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了梳理和重新安排，單獨(dú)設(shè)成了一門實(shí)驗(yàn)課，不僅包括原有的演示性、認(rèn)證性實(shí)驗(yàn)，也增加了綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)[3]。這樣的安排有利于發(fā)揮專業(yè)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、系統(tǒng)的整合能力，提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，讓學(xué)生學(xué)會(huì)自己確定設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案進(jìn)行可行性分析，培養(yǎng)其獨(dú)立思考、分析和解決問(wèn)題的能力等方面的作用，從而在更大程度上實(shí)現(xiàn)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，即提高學(xué)生的認(rèn)知能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，這三種能力本身也是相互促進(jìn)的統(tǒng)一體。

對(duì)于單獨(dú)設(shè)立的實(shí)驗(yàn)課，學(xué)校要求實(shí)驗(yàn)教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性思維引導(dǎo)，從實(shí)驗(yàn)過(guò)程的點(diǎn)滴培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的創(chuàng)新性思維，實(shí)際上也對(duì)實(shí)驗(yàn)教師提出了更高的要求，需要從實(shí)驗(yàn)的課程安排、過(guò)程引導(dǎo)和成績(jī)考核等多方面著手，進(jìn)行思考和設(shè)計(jì)?？紤]到雨課堂在教學(xué)中已取得的成果，將雨課堂也引入到過(guò)裝的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

2 專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中雨課堂的引入

作為一款智慧教學(xué)工具，雨課堂以插件的形式存在，將PowerPoint與微信連接起來(lái)，為學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)、課后練習(xí)搭建了有效的平臺(tái)[4，5]。實(shí)驗(yàn)教師在制作課件時(shí)，可利用雨課堂插入MOOC視頻、課堂練習(xí)、課后習(xí)題等插件形式，使課堂教學(xué)內(nèi)容豐富飽滿。

雨課堂具有無(wú)時(shí)空限制、交互性強(qiáng)、簡(jiǎn)單方便、大數(shù)據(jù)分析等特點(diǎn)[6]，可以從多方面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

以“內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)”為例，從課前預(yù)習(xí)、課堂交互、課后鞏固三方面設(shè)計(jì)課件[7]。

課前預(yù)習(xí) 教師通過(guò)創(chuàng)建班級(jí)和課程，將預(yù)習(xí)課件推送給學(xué)生，督促學(xué)生從《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》書上找答案，鞏固外壓薄壁圓筒形容器相關(guān)知識(shí)。學(xué)生則預(yù)習(xí)課件，并將學(xué)習(xí)心得、問(wèn)題、反饋意見(jiàn)等發(fā)給教師。

課堂教學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師通過(guò)雨課堂發(fā)送題目，考察學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，在課件中簡(jiǎn)明闡述實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論、設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理、實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程等；學(xué)生則當(dāng)堂答題，對(duì)教師講解的內(nèi)容有疑問(wèn)時(shí)，可隨時(shí)進(jìn)行標(biāo)注，并與教師交流互動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師將主觀題發(fā)送給學(xué)生，如實(shí)驗(yàn)原理、操作過(guò)程等，當(dāng)堂檢測(cè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告 教師通過(guò)雨課堂的“上傳試卷/手機(jī)課件”創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)報(bào)告并發(fā)布；學(xué)生需在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成提交，提交后可查看答案。

學(xué)生成績(jī)查看及統(tǒng)計(jì) 教師通過(guò)“課堂”、“課件”、“試卷”，查看學(xué)生的參與及答題情況。

后續(xù)學(xué)習(xí)及改進(jìn) 實(shí)驗(yàn)前后，學(xué)生可隨時(shí)查看相關(guān)實(shí)驗(yàn)課件及習(xí)題并參與討論；教師則根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的答題情況、課堂反饋及動(dòng)態(tài)、實(shí)驗(yàn)參與情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及學(xué)生討論等，適當(dāng)調(diào)整課件內(nèi)容、題目類型及難度、實(shí)驗(yàn)操作的設(shè)計(jì)，不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

3 專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的安排

在實(shí)驗(yàn)課的安排上，除了實(shí)驗(yàn)部分(包括演示性、驗(yàn)證性、綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn))，單獨(dú)設(shè)立了3個(gè)學(xué)時(shí)對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行介紹，并安排1個(gè)學(xué)時(shí)讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)匯報(bào)(分組進(jìn)行)。

對(duì)于較為晦澀難懂且重要的專業(yè)理論知識(shí)(如內(nèi)壓容器應(yīng)力分布計(jì)算、測(cè)量原理等)，若只在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行介紹，學(xué)生不容易記住，且對(duì)實(shí)驗(yàn)流程沒(méi)有清晰認(rèn)識(shí)；單獨(dú)抽出來(lái)進(jìn)行介紹，可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程才能較順利地開(kāi)展。將前期的理論授課、雨課堂實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、雨課堂課堂考核相結(jié)合，能夠不斷刺激學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解和掌握，為其創(chuàng)造性思維打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

專業(yè)實(shí)驗(yàn)涉及大量公式和數(shù)據(jù)計(jì)算，且在后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中也會(huì)大量用到數(shù)據(jù)處理，因此教授學(xué)生使用數(shù)據(jù)處理軟件很重要。Origin、Excel、MATLAB等是經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)計(jì)算和處理軟件，事先告知學(xué)生進(jìn)行安裝，課堂上講授如何使用。當(dāng)然，不是對(duì)這些軟件進(jìn)行具體介紹，也不是從基礎(chǔ)使用開(kāi)始教，而是直接代入具體問(wèn)題，教學(xué)生如何進(jìn)行數(shù)據(jù)及公式計(jì)算、圖表繪制、軟件編程等。這種面向問(wèn)題的學(xué)習(xí)方式，能夠幫助學(xué)生快速解決問(wèn)題，并激發(fā)他們探索軟件其他功能、用這些軟件解決實(shí)際問(wèn)題的興趣。

專業(yè)實(shí)驗(yàn)都是按照小組進(jìn)行的，小組成員共享課堂上記錄的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，課后自己對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。待實(shí)驗(yàn)課全部結(jié)束后，讓學(xué)生以小組為單位，對(duì)某一個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程、數(shù)據(jù)處理、思考題、提升題目、解決方案等進(jìn)行總結(jié)匯報(bào)(與個(gè)人的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和小論文有所區(qū)別)，以此提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和表達(dá)能力。

4 專業(yè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的引導(dǎo)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性思維引導(dǎo)，旨在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研興趣。

在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的設(shè)置上，為了鼓勵(lì)學(xué)生積極思考問(wèn)題、提高解決問(wèn)題的能力，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告最后都附有提升題目——對(duì)該實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的建議、實(shí)驗(yàn)裝置的不足、如何改進(jìn)裝置等。

為了讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠進(jìn)行聯(lián)想和創(chuàng)新，教師要對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理和裝置進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，這樣學(xué)生才會(huì)有深刻的認(rèn)識(shí)；此外，必須對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)，這樣學(xué)生才能夠?qū)⑺袑I(yè)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)。

在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)引導(dǎo)，激勵(lì)學(xué)生思考，并獨(dú)立進(jìn)行資料收集及整理、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等工作。如內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)，除了讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得筒體及封頭上的應(yīng)力分布外，啟發(fā)學(xué)生思考哪些地方易產(chǎn)生應(yīng)力集中、怎樣布點(diǎn)貼片，從而分析容器構(gòu)件設(shè)計(jì)的合理性，怎樣才能由直接從靜態(tài)應(yīng)變儀上讀數(shù)轉(zhuǎn)到從電腦上讀數(shù)并保存數(shù)據(jù)；在進(jìn)行外壓薄壁圓筒形容器失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，著重對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有裝置的加壓方式和型式[8]進(jìn)行介紹，引導(dǎo)學(xué)生思考還能如何加壓、裝置怎樣才能更緊湊、密封性更好；在離心泵綜合性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合現(xiàn)有裝置，啟發(fā)學(xué)生如何改進(jìn)裝置、提高設(shè)備的利用率，并結(jié)合本專業(yè)的摩擦、潤(rùn)滑與密封課題組的自泵送型密封產(chǎn)品[9，10]，啟迪學(xué)生如何將所學(xué)專業(yè)知識(shí)與實(shí)際工程問(wèn)題相結(jié)合，并激發(fā)他們的科研興趣；在攪拌設(shè)備(本專業(yè)本科生自行進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)及組裝的)的綜合性能實(shí)驗(yàn)中，激勵(lì)學(xué)生從多方面著手，進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新并付諸行動(dòng)，并告訴他們需要掌握一定的電氣知識(shí)；在上水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn)中，除了讓學(xué)生改變水箱的串并聯(lián)狀態(tài)觀察控制效果，還讓學(xué)生聯(lián)系前期對(duì)于MATLAB的學(xué)習(xí)，利用Simulink模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單編程，查看P(比例)、PI(比例積分)、PID(比例積分微分)控制的效果，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和分析；帶領(lǐng)學(xué)生參觀研究生實(shí)驗(yàn)室，了解研究生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，認(rèn)知摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、表面形貌測(cè)量?jī)x、密封性能試驗(yàn)裝置等專業(yè)裝備，留給他們相關(guān)思考題；對(duì)由教師課題展開(kāi)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(如沼氣液化控制系統(tǒng)[11]、風(fēng)繞塔體流動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)等)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，啟發(fā)學(xué)生可以圍繞攪拌設(shè)備的流體流場(chǎng)、爆破裝置的加壓過(guò)程等進(jìn)行建模和仿真分析，鼓勵(lì)他們發(fā)現(xiàn)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用范圍，并將自己的想法融入到后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)和將來(lái)的研究生時(shí)期，進(jìn)行深入研究。

通過(guò)在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生養(yǎng)成聯(lián)想、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的習(xí)慣，并讓他們自己想辦法解決問(wèn)題，從而逐步提高創(chuàng)新能力。

5 成績(jī)考核

在實(shí)驗(yàn)成績(jī)的考核上，除了學(xué)校要求的考勤、實(shí)驗(yàn)參與、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(這三方面主要是通過(guò)雨課堂進(jìn)行統(tǒng)計(jì))和專業(yè)實(shí)驗(yàn)考試(理論考試+實(shí)際操作)外，結(jié)合課堂上對(duì)學(xué)生的啟發(fā)和引導(dǎo)，要求學(xué)生寫出格式規(guī)范、內(nèi)容完整、有自己創(chuàng)新想法的小論文，可以是對(duì)某一類裝置的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行總結(jié)后自己的設(shè)計(jì)，也可以是某個(gè)裝置的Proe/Solidworks/UG建模分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)、流場(chǎng)分析，MATLAB編程過(guò)程及結(jié)果分析，自己設(shè)計(jì)的小裝置等。圖1即為某學(xué)生利用MATLAB中的Simulink模塊、采用Ziegler-Nichols整定公式得到的PID單位階躍響應(yīng)曲線。

圖1 PID控制時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線

此外，由于每個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告都附有提升題目，可以對(duì)認(rèn)真回答且富有創(chuàng)意的同學(xué)給予加分；對(duì)于小組實(shí)驗(yàn)匯報(bào)，視整個(gè)小組的表現(xiàn)給分。

通過(guò)從各方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，在對(duì)學(xué)生施加了一定壓力的同時(shí)，也在促進(jìn)他們不斷創(chuàng)新、不斷提高，從而提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將雨課堂引入專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中、在專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的安排上設(shè)置基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)軟件介紹、小組匯報(bào)，能夠讓學(xué)生深刻理解專業(yè)理論知識(shí)，學(xué)會(huì)基本的數(shù)據(jù)處理、軟件編程，并增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作力；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)各種方式進(jìn)行引導(dǎo)、激勵(lì)和啟發(fā)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)獨(dú)立思考、創(chuàng)造性地解決問(wèn)題；采用多種考核形式加以約束和鼓勵(lì)，學(xué)生對(duì)專業(yè)理論課的認(rèn)識(shí)更為深刻，對(duì)于專業(yè)的相關(guān)認(rèn)識(shí)也更為寬泛。

總之，通過(guò)課程安排、過(guò)程引導(dǎo)和成績(jī)考核，學(xué)生獨(dú)立思考及創(chuàng)新能力有了不同程度的提高，能夠探索、發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，在整個(gè)過(guò)程中科研的興趣也提高了；引入雨課堂，加深了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握，對(duì)學(xué)生的考核也更全面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果明顯提升。