“流體輸配管網(wǎng)”課程設計和實驗優(yōu)化

張宇坤，畢海洋，蔣 爽，秦海杰，李姍姍，王 振

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116605)

建筑環(huán)境與能源應用工程(簡稱建環(huán))專業(yè)是將土木工程與建筑設備相結合的復合型專業(yè)，建環(huán)的學生不僅要具備土木工程的相關知識，還要掌握建筑環(huán)境與設備相關的設計、計算和施工的基本知識?！傲黧w輸配管網(wǎng)”課程是建環(huán)專業(yè)指導委員規(guī)定的關鍵專業(yè)基礎知識單元課程[1]。它是研究流體輸送與分配規(guī)律的一門學科，是流體力學、傳熱學、工程熱力學課程的延伸，又是學習通風工程、供熱工程、建筑給水排水工程的基礎。通過該課程的學習，使學生掌握管網(wǎng)水力計算的基本原理與方法、泵與風機的基本原理以及選用方法，為下一步學習工程設計打好基礎。

“流體輸配管網(wǎng)”課程的內容繁多，課時相對緊張，既有課程實驗，又有大量的管網(wǎng)水力計算，想要獲得良好的教學效果需要解決以下問題：(1)教師在少課時的情況下容易重理論講授、輕實踐教學，學生對于實驗、管網(wǎng)設計往往存在敷衍的心理，課程設計和實驗內容吸引力不強，教學內容有待優(yōu)化；(2)傳統(tǒng)的教學方式主要是教師課堂講授,學生課堂學習，教師了解學生學情的方式主要包括：批改學生實驗報告、課堂提問等，途徑較少，學生參與度較低，這會造成學生學習興趣下降，學習效果差，教學方法有待豐富；(3)傳統(tǒng)的考核方式主要是批改實驗報告和作業(yè)，學生為了應付而突擊學習，教學與考核脫節(jié)；部分學生存在抄襲、混大組的情況，這種考核方式忽略了過程管理，沒有體現(xiàn)成果導向，學生即使拿到高分也沒有獲得感，考核方式有待改進。因此為提升“流體輸配管網(wǎng)”課程的教學效果，提高學生參與度，筆者建議對課程設計和實驗內容、教學方法和考核方式進行改革。

1 課程設計和實驗內容的優(yōu)化

在設置培養(yǎng)方案時，考慮了知識體系的前后關系，將流體力學課程設置在流體輸配管網(wǎng)課程前，在第5學期學習流體輸配管網(wǎng)。教材方面選擇了付祥釗、肖益民主編“流體輸配管網(wǎng)”(第4版)[2]，在這一版教材中強化了水力計算的案例與分析，這樣的設置有利于學生強化水力計算，提高學生在后續(xù)課程(通風工程、供熱工程、建筑給水排水工程)中課程設計中的表現(xiàn)。

(1)枝狀管網(wǎng)水力計算案例與分析知識單元是管網(wǎng)設計的重點也是難點，教師很難講透，學生很難學懂。容易出現(xiàn)學生考試考高分，課程(畢業(yè))設計水力計算不會算的情況，體現(xiàn)了學生應用知識解決實際工程問題能力的不足。因此在枝狀管網(wǎng)水力計算案例與分析知識單元設置課程設計很有必要，用4個學時完成某住宅的重力循環(huán)式熱水供水管網(wǎng)水力計算的課程設計，強化學生的設計計算能力，也為后續(xù)課程設計打好基礎。

以重力循環(huán)式熱水供水管網(wǎng)水力計算為例對課程設計內容為例。設計對象為某3層住宅樓，已知各散熱器的熱負荷如圖1。圖中立管Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各散熱器的熱負荷與Ⅱ立管相同。試確定該重力循環(huán)熱水系統(tǒng)供暖管網(wǎng)的直徑。

此設計題目由于已知總資用壓力和干管長度，主要考察水力計算方法——壓損平均法的理解運用。先選取最不利環(huán)路(1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-1)，在這里涉及到雙管系統(tǒng)循環(huán)作用壓力的差異，高層循環(huán)作用壓力較大，因此本系統(tǒng)最不利環(huán)路為通過最遠立管底層散熱器的循環(huán)管路。確定最不利環(huán)路后，通過總資用壓力和最不利環(huán)路管長計算得到最不利環(huán)路的平均比摩阻，這是壓損平均法的核心控制參數(shù)。熱負荷可推出管段流量，管段流量和平均比摩阻可查出d、R、v[3]，進而求出管道阻力。這一部分的講授應為集中授課，重點是講設計思路和計算的前后邏輯關系。并聯(lián)管路阻力平衡是壓損平均法水力計算學習的重點和難點。阻力的平衡與否影響流量的分配，繼而影響流體供給與需求的匹配度，這是建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的學習重點。本例中還應考慮雙管系統(tǒng)不同樓層的重力作用力，I管路二樓重力作用力應高于一樓。通過控制資用壓力和管路阻力的不平衡率實現(xiàn)并聯(lián)管路的阻力平衡。出現(xiàn)不平衡后如何調整設計參數(shù)也是學習的重點，通過閥門調整會增大能源的無效損耗。應進行管徑調整，重新計算管路損失和不平衡率。也可以調整系統(tǒng)形式，如異程變同程，這樣可以很大程度減小不平衡率。

在進行課程設計模塊時，應注意將課上統(tǒng)一講解和單獨輔導結合起來；可考慮提供相似例題的慕課講解視頻，發(fā)揮線上學習、復習的作用。同時嚴格控制學生的學習進度，做到及時發(fā)布任務、輔導講解，集中學習。切忌發(fā)了任務后放任學生自行設計計算，這會降低學生學習課程設計的效率。

(2)課程實驗可以加深學生對理論部分的理解，傳統(tǒng)方式是理論部分在課堂講授。如果能改為教師邊操作、邊講授，可以大幅度提高學生的學習熱情。而學生通過動手實踐，可以在做實驗的過程中完成學習任務。本課程設置了熱網(wǎng)水力工況模型實驗和離心泵特性曲線測定實驗，下面以兩個實驗為例對課程實驗進行介紹。

熱網(wǎng)水力工況是學生反饋學習難度比較大的知識單元，如能結合課程實驗教學，學生在理解很多概念時能更快的接受，如在介紹定壓水箱時，如圖2。定水壓線即為定壓水箱自由液面線，定水壓線直接影響了整個水壓圖的壓力水頭；動水壓線也是直觀可見(供回水的測壓管水頭)，用水節(jié)點的供回水動水壓差即為資用壓力，這比課本學習或仿真模擬視頻更容易理解，降低了學生的學習難度。

離心泵是建筑環(huán)境與能源應用工程重要設備，其性能參數(shù)多(流量、揚程、軸功率、效率等)，在選取水泵時經(jīng)常參考性能曲線。但課本講授較為枯燥，離心泵特性曲線測定實驗可以做較好的補充。在測定特性曲線時，如圖3，可以發(fā)現(xiàn)揚程隨流量的增大而減小，離心泵特點是揚程大、流量小，而軸流泵的流量大、揚程小，兩者適用工作場景不同；軸功率隨流量的增大而快速上升，這會導致原動機超載而損壞；效率隨流量的增大呈現(xiàn)先增大后減小，這意味著在選擇水泵時，應挑選工況點在水泵高效段內，提高水泵在工作時的效率。

2 教學方法的豐富

采用傳統(tǒng)方式講授流體輸配管網(wǎng)水力計算方法和實驗時，以教師課堂傳授知識為主。由于學生學習基礎的差異，部分學生理解困難、學習動力不足；而水力計算內容較多、學生不預習，容易產(chǎn)生老師賣力講，學生跟不上的情況。教師授課時大段時間用來講授，用于接收學生反饋、對學生進行輔導、答疑的時間較少，教師講的累，學生聽不懂；另外課后學生自學資料也較少。為此，在教學方法上增加了如下措施。

(1)注重課前準備。在課程設計和實驗環(huán)節(jié)向學生提供慕課視頻和仿真模擬視頻，如水力計算案例、水壓圖繪制等內容。慕課內容以知識講授、例題講解為主。在課前發(fā)布預習任務，引導學生預習慕課視頻。

(2)提高課堂中學生學習參與度。首先通過實物介紹來引導學生在思想上進入課堂，主動思考本堂課要解決的問題。通過提問抓住學生的注意力也是一個很好的方法，比如：如何實現(xiàn)熱網(wǎng)不同用戶的均勻供熱需求，課堂中的教學手段包括：提問、設置討論題、設置分組任務等，并規(guī)定在一定時間內完成上交，記錄答得好的同學，在考核環(huán)節(jié)加分。討論題的內容一般是開放性的問題，如：膨脹水箱的作用和設置位置，通過這些方法可有效提高學生的課堂參與度。

(3)在課后鼓勵學生復習慕課，應用慕課所學知識點解決實際工程問題。這樣一方面提高了學生自主學習的積極性，另一方面也為學生提供了自主學習的學習資料，豐富了與學生的互動反饋。線上可考慮采用聊天工具(釘釘、QQ、微信等)對學生提出的問題進行解答；線下可以設置答疑課，針對共性問題，集中答疑。課程設計應考慮線下進行，讓學生在集中時間、集中地點完成流體輸配管網(wǎng)的設計計算。一方面教師方便管理，可以對共性問題做解釋說明；另一方面，學生可以互相討論、借鑒，大大提升了學習效率。

(4)強化線上學習、線下復習在課程學習的作用。傳統(tǒng)的教學方式是單一的講授，對于學生學習狀態(tài)難以把控；由于知識點多，課時緊張，也沒有多余時間來與學生互動。慕課視頻的提供減少了老師在知識傳授部分所花精力。慕課方式學習較好的利用了學生的碎片化時間，符合當前學生學習特點。

3 考核方式的改進

傳統(tǒng)的考核方式一般包括閉卷期末考試、考勤等，學生多以死記硬背的方式應對考試。而注重考勤僅能將學生固定到課堂上，學生學習反饋無法體現(xiàn)。課程實驗和課程設計均屬于實踐環(huán)節(jié)，應注重過程控制，學生的實踐表現(xiàn)和成果(實驗報告、課程設計計算書)均比較好記錄和批改，更能體現(xiàn)學生的學習成效差異。同時教師對學生的指導和考核也會促進學生的學習。因此在本課程的考核方式上，減少了期末考試成績所占比重，增加課程實驗、課程設計考核環(huán)節(jié)。課程的考核成績由實驗成績10%、平時成績10%、課程設計成績20%和期末考試成績60%四部分構成。實驗成績和平時成績主要記錄學生的課堂表現(xiàn)情況；課程設計環(huán)節(jié)注重的是學生實踐能力的提高，也就是將所學知識應用于具體案例，當學生可以獨立完成一個管網(wǎng)系統(tǒng)的水力計算，也就達到了課程目標。期末考試以綜合性考核為主。

考核方式的變化是以學生學習產(chǎn)出為導向，體現(xiàn)了以學生為本。比如在實驗成績方面，去掉了考勤，變?yōu)閷嶒灡憩F(xiàn)和實驗報告。對學生在實驗過程表現(xiàn)和實驗報告進行評價，強化了過程考核管理，學生只有充分參與才能獲得較高的平時成績，考核的目的不是把學生固定在課堂，而是讓學生獲得一定的理解分析能力和表達能力。課程設計任務一般是一個綜合性的工程問題，增加這個考核環(huán)節(jié)，目的是讓學生在完成課程設計的同時，提高學生解決工程設計實際問題的能力，增強學生的獲得感。即以成果導向來評價學生，而非簡單的考勤點名。通過過程管理來提升課堂參與度、通過成果導向提升學生獲得感、通過期末考試對學生進行綜合評價，這樣的考核評價方式改變了一考定終身的方式，提升了教學效果。

4 結 語

以課程中出現(xiàn)的具體問題為例，通過優(yōu)化“流體輸配管網(wǎng)”課程設計和實驗內容、豐富教學方法和轉變考核方式，提升了學生的課堂參與度，提高了課程的教學效果。在今后的教學中，要以學生為中心，以能力達成為目的，結合實際進一步完善流體輸配管網(wǎng)課程的教學，培養(yǎng)出高素質人才。