化工設備機械基礎課程的教學改革與思考

＊王麗敏 應安國 童琳

（1.曲阜師范大學 歷史文化學院 山東 273165 2.曲阜師范大學 化學與化工學院 山東 273165 3.浙江醫(yī)藥股份有限公司新昌制藥廠 浙江 312500）

引言

目前化工制藥用人企業(yè)普遍反映高校化工制藥類專業(yè)畢業(yè)生工程知識能力欠缺、設備操作能力較差以及設備運行原理了解不深刻等問題，這會給企業(yè)帶來生產(chǎn)操作安全隱患[1-2]?；ぴO備機械基礎課程主要涉及工程力學、材料學和化工設備等知識，開設這門課程能有效提升化工制藥類本科生的工程設計能力，全面了解化工設備的設計、運行和操作原理[3]。因此為了彌補和銜接高校和企業(yè)供需之間的矛盾問題，曲阜師范大學化學與化工學院把化工設備機械基礎課程設置為化學工程與工藝、制藥工程等兩個工科本科專業(yè)人才培養(yǎng)中的必修課程。

目前我們采用的教材為趙軍等主編的《化工設備機械基礎》第三版，全書包括工程力學基礎和壓力容器設計兩大部分，主要涵蓋了受力分析和平衡、基本應力變形、應力狀態(tài)分析、疲勞、化工容器結構和分類以及常用金屬材料的基本性能、內(nèi)外壓容器的基礎設計以及容器零部件的標準化選型等。通過該課程的系統(tǒng)學習，使學生掌握完整的工程力學基礎理論知識，能夠獨立進行反應釜、換熱器和儲罐等塔器設備的機械設計，并且能進一步增強學生熟練和規(guī)范使用Auto CAD的繪圖能力，結合其它化工專業(yè)工程，如化工工藝、反應工程和化工原理等課程的系統(tǒng)學習，為培養(yǎng)具有一定工程設計開發(fā)能力的復合型人才打下堅實的基礎[4-5]。筆者從事了該課程十年的教學工作，對自身的親身實踐教學經(jīng)驗進行了深入地思考：首先闡述了學習化工設備機械基礎課程的必要性，如何有效激發(fā)學生學習該課程的興趣，發(fā)揮他們的主觀能動性；其次采用案例式和互動式教學方法，提升教學效果；最后改革課程評價考核體系。

1.提升學習課程的主觀能動性

由于近年來就業(yè)壓力的增加，越來越多的本科畢業(yè)生選擇繼續(xù)讀研深造。像物理化學和化工原理等傳統(tǒng)考研專業(yè)課程，學生上課非常認真，在思想上高度重視，學習主觀能動性很強，不需要專業(yè)教師的額外動員。但是非考研課程，比如化工設備機械基礎課程，首先從思想認識起點上同學們對這門課存在先天不足；另外，該課程包含大量公式、圖表以及大量學生從未接觸過的工程化術語，對化工制藥類本科生來說，通常會比較枯燥，難以提起學生的興趣。

針對這個問題，筆者基于課堂實踐提出了以下三個解決方法。

一是從宏觀上闡述該課程的重要性，包括對國家國防、重大經(jīng)濟民生等層面上的作用。比如為新中國成立初期做出重大貢獻的“大慶油田”“勝利油田”和“克拉瑪依油田”勘探和提煉設備等都涉及到了化工設備機械基礎課程中的基本變形、材料特性以及強度和剛度設備校核及設備設計等。筆者第一堂課上將“上天”神舟飛船和大飛機、“下海”的蛟龍?zhí)柹钏d人潛水器作為一種壓力容器進行強度、剛度和穩(wěn)定性設計，引起了同學們極大的興趣，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新探索精神；同時，“上天”和“入地”彰顯了我們國家的強大的科技實力，增強了同學們的民族自信心和愛國情懷?；ぴO備機械基礎第二篇材料種類和性能知識點，都是記憶性的內(nèi)容，為了提升同學們學習這塊內(nèi)容的興趣，筆者在課堂以徐光憲院士為例，放棄國外優(yōu)厚待遇，心懷國家發(fā)展大業(yè)，發(fā)展和創(chuàng)新了稀土分離純化新技術，改變了在稀土領域被“卡脖子”的狀態(tài)。第一篇工程力學基礎剪切等基本變形中，我們可以引入一些工程事故，比如虹橋機場的大飛機迫降事件，就是由于剪切變形導致的零部件損壞而導致事故的發(fā)生，這可以讓同學們認識到此課程的重要性，啟發(fā)他們的科學興趣。

二是從考研方面來闡述。因為現(xiàn)在的碩士研究生入學考試包括初試和復試兩個環(huán)節(jié)，缺一不可。雖然化工設備機械基礎課程不是初試階段的專業(yè)考試科目，但是在復試的綜合素質(zhì)考核階段，招生復試小組會在化工熱力學、化工設備機械基礎、化學反應工程和化工設計等化工人才培養(yǎng)方案中的核心課程進行提問，以便篩選出化工基礎過硬的學生進入下一步學習。因此系統(tǒng)地學習這門課有利于考生在考研中的復試階段取得好成績。

三是系統(tǒng)學習化工設備機械基礎課程，再與化工原理、化工工藝學等課程配合，有利于提高自身的工程素質(zhì)，為今后就業(yè)打下堅實的基礎。企業(yè)生產(chǎn)中化工反應和分離單元操作都是在一定溫度和壓力下進行的，因此確保設備安全連續(xù)運行必須利用化工設備機械基礎課程的設計方法使其具有合理的工藝結構、可操作性和安全可靠性等特點。由于筆者在企業(yè)工作多年，經(jīng)常以車間某工段生產(chǎn)為例子闡述學習該課程的重要性。比如以磷酸鹽生產(chǎn)工段進行說明：該工段包括儲存原料的高位槽、用來反應的反應釜、用來分離的離心機以及存放母液的地槽等。每一個設備均涉及到該課程的知識點——根據(jù)工藝要求進行材料的選擇、設備壁厚的計算以及零部件的選型等，讓同學們深刻體會到這門課的重要性和實用性。

2.豐富教學方法，優(yōu)化教學手段

化工設備機械基礎課程是一門實踐性和專業(yè)性很強的專業(yè)技術課程，但是基本都是大二的學生接觸這門課程，他們工程力學基礎較差，對機械設備和一些工程化因素理解比較困難，僅靠傳統(tǒng)的教學很難受到理想的教學效果。因此筆者從充分利用網(wǎng)絡資源和網(wǎng)上精品課程、引入案例教學、引入專業(yè)軟件和開辟第二課堂等四面改善教學手段和方法，提升課堂教學質(zhì)量。

學生對部分概念和設備零部件的內(nèi)部結構理解比較困難，因此筆者考慮到現(xiàn)在學生可以通過智能手機和電腦全方位實時接觸網(wǎng)絡上豐富的視頻和動畫資源（包括網(wǎng)上精品課程資源）。比如在講授內(nèi)壓容器薄壁圓筒設計時許用應力的確定，引進了安全閥和爆破膜。學生很難理解為什么要引入這兩個部件，我們從網(wǎng)絡上下載安全閥和爆破膜的結構圖和動態(tài)工作視頻，反復播放，取得了事半功倍的效果。另外，對于學生容易出錯的工程力學部分中扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形，我們可以通過播放這兩個構建變形的動畫，加深同學們對兩個變形的視覺感官認識，從而有助于理順兩者的區(qū)別和聯(lián)系。對于容器零部件，我們讓學生通過課下作業(yè)的方式提前上網(wǎng)收集相關圖片和視頻，與課后枯燥的書面作業(yè)可以形成互補，很大程度上緩解了容器零部件部分課程內(nèi)容較多而課時較少的矛盾，發(fā)揮了學生的主觀能動性，對理論知識的理解更加深入和全面，顯著提升教學效果。

引入案例教學，增加課堂互動，加深學生對課程基本概念的理解和公式的使用，全面提升學生的綜合分析能力和工程問題解決能力。回轉(zhuǎn)殼體薄膜應力分析中涉及到環(huán)向應力和經(jīng)向應力的推導和分析計算是后續(xù)薄壁容器設計的基礎，涉及到靜力學平衡以及應力與外力聯(lián)系的問題，如果按照傳統(tǒng)的教學方法，學生短時間內(nèi)難以理解和接受教材上的推導過程，不利于對該重要知識點的掌握。

基于此，筆者引進了氣瓶爆炸事故案例。首先呈現(xiàn)出一張關于氣瓶爆炸的圖片，然后從圖片上判斷鋼瓶損毀斷裂處的裂縫走向。我們以此作為一個切入點引導學生進一步思考：為何主要裂縫的走向是縱向而不是環(huán)向？讓學生帶著這個問題和教師一塊進行靜力學平衡推導和內(nèi)力、應力分析，利用截面法建立力學平衡方程組，從而求得徑向應力和環(huán)向應力的具體數(shù)值。求解發(fā)現(xiàn)，環(huán)向應力是徑向應力的2倍，這就很好地解釋了主裂縫為縱向走向的原因。結合筆者多年在企業(yè)車間的工作經(jīng)歷，用以提升課堂教學效果。比如在講解內(nèi)壓容器設計時，進行場景設置，以接收一個產(chǎn)品生產(chǎn)任務為源頭，把學生分為若干個項目組，在指導教師的幫助下，開始產(chǎn)品工藝設計、設備布局、輔助設備和管路選型、主要反應設備和分離設備按照內(nèi)壓容器設計要求進行設計，接著指導老師對每組的設計方案進行評價。此案例教學也是一種場景教學，與實際車間工藝設備設計和布局任務相結合，能使學生從企業(yè)車間總體布局方向去考慮問題，在加深理解內(nèi)壓容器設計知識點的前提下，能夠進一步提升學生的工程管理能力。

引入專業(yè)軟件ANSYS和SW6，提升教學效果?？紤]到當代大學生對軟件使用都有濃厚的興趣，筆者在講解第一篇工程力學基礎中的扭轉(zhuǎn)變形時，先讓同學們按照工程力學方法進行計算，然后再與ANSYS力學仿真軟件基于有限元方法得到的模擬結果進行比較，可以使同學們對軸的扭轉(zhuǎn)變形時應力分布有著更直觀的認識。另外，筆者在講解內(nèi)壓容器薄壁圓筒和封頭厚度設計時，引入了SW6軟件輔助教學，并將傳統(tǒng)手算結果和軟件計算結果相比較，加深同學們對外壓薄壁容器設計思路的理解。

開辟第二課堂，鞏固學習效果?；ぴO備機械基礎課程是一門兼具基礎理論和工程實踐的學科。它涉及到物理學中基礎力學等理論知識，比如靜力學基本概念、約束和約束反力、分離體和受力圖、力的投影和合力投影定理、力矩和力偶、力的平移、平面力系的簡化和合力矩定理、平面力系的平衡方程等。另外，該課程涵蓋基礎變形：拉伸和壓縮變形、剪切變形、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形和組合變形（拉伸壓縮與彎曲組合、彎曲和扭轉(zhuǎn)組合等）以及平面應力狀態(tài)分析、三向應力狀態(tài)、廣義胡克定律以及四大強度理論（最大拉應力理論、最大現(xiàn)應變理論、最大切應力理論和畸變能密度理論）。該課程還涉及到基本材料力學性能（強度、塑性、韌性和硬度等）、物理性能、化學性能（耐腐蝕性和抗氧化性）、加工工藝性能、組織穩(wěn)定性、抗松馳性和應變時效敏感性等。最后，它還涉及到的工程裝備及零部件，主要包括化工容器、法蘭、容器支座、開孔補強，以及接管、凸緣、手控和人孔、視鏡、液面計和設備吊耳等容器附件。同學們具有高中物理和大學物理的基礎，因此對于該課程所涉及到力學基礎相關的工程力學部分學習不存在太大的困難，但是由于該課程學習通常安排在第三或第四學期，絕大部分同學沒有經(jīng)歷過化工生產(chǎn)實習環(huán)節(jié)，對化工生產(chǎn)設備的內(nèi)部結構和工作原理（包括進行反應的反應釜、儲存原料的高位槽和儲槽、熱量轉(zhuǎn)移的熱交換器以及設備間物料轉(zhuǎn)移的連接管路）了解很少，嚴重影響學生的學習積極性和學習效果。因此筆者在化工設備機械基礎課程教學中積極開辟第二課堂，使學生對化工設備及零部件的內(nèi)部結構特性有一定的了解。

在曲阜師范大學化學工程與工藝、制藥工程本科專業(yè)培養(yǎng)環(huán)節(jié)中，包括化工和制藥廠生產(chǎn)見習（大約一周）、化工和制藥廠生產(chǎn)實習（大約四周）。將工廠見習環(huán)節(jié)安排在課程學習之前，讓學生帶著問題和目的去見習。在企業(yè)相關技術人員和指導教師的講解下，使學生對化工設備結構構成、運行工作原理零部件的作用和化工生產(chǎn)工藝等有一定初步的認識。比如讓學生知道人孔是用來設備檢修時維修人員進出的；視鏡是用來觀察內(nèi)部反應情況的；法蘭包括設備法蘭和管法蘭，許多換熱器、反應器和塔器的筒體與封頭之間都是由法蘭連接的，另外設備上的人孔蓋、手孔蓋以及設備與管道、管道與管道之間也可以由可拆卸的法蘭來連接；液面計是用來觀察儲存液位的；觀察化工廠中各種容器的支座結構及類型。

經(jīng)過上述企業(yè)這個第二課堂的學習環(huán)節(jié)后，使同學們初步掌握了化工主要設備的結構、工作原理及其零部件以及在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的應用，對它們有一個感性的認識，理論聯(lián)系實踐。帶著這個感性認識回到課堂后，學生學習該課程的學習效果就會有的放矢和事半功倍。等該課程課堂學習全部結束后，學生已經(jīng)掌握內(nèi)壓薄壁容器的設計、外壓薄壁容器的設計以及零部件的選型等知識要點，再安排4周左右的工程生產(chǎn)實習，可以讓他們站在設備設計高度上認識化工和制藥企業(yè)的生產(chǎn)過程，對設備的運行和工作原理有著更深入的理解和掌握，在鞏固設備設計方法等知識要點的同時讓他們意識到學習該課程重要的實際意義。

3.參核方式的改革探索

課程考核是教學過程中的主要環(huán)節(jié)之一，是檢驗學生掌握知識能力和學習效果的主要手段。傳統(tǒng)的考試為平時成績（一般占比30%）加上期末閉卷考試成績（一般占比70%）綜合計算得到，存在著期末考試“一考定終生”的弊端，無法準確、科學和客觀地評價學生的學習效果以及解決問題、分析問題的能力。因此我們需要對傳統(tǒng)的課程考核評價方式進行改革，我們將考核內(nèi)容分為平時成績、項目考評和期末考試三個環(huán)節(jié)，總評成績由三個環(huán)節(jié)分數(shù)乘以不同權重獲得。平時成績包括考勤、作業(yè)和課堂回答問題等互動環(huán)節(jié)。項目考評為教師布置一個以車間產(chǎn)品為導向的項目開發(fā)，根據(jù)班級總人數(shù)，以3～5人為小組進行分組，任務包括文獻檢索和資料查詢、工藝篩選、設備設計和選型等，主要考察學生的文獻檢索能力、分析問題和解決問題的能力以及小組成員之間的團隊協(xié)作能力。項目考評能給學生帶來最直接的感受就是化工設備機械基礎課程具有很大的實際應用價值，不是一門可有可無的理論專業(yè)課；另外項目考評過程中學生可以把本課程知識要點與反應工程、化工工藝、化工原理和分離工程的知識有機結合起來，貫穿于整個項目開發(fā)和設計環(huán)節(jié)，這對于培養(yǎng)和提升學生的綜合素質(zhì)和工程開發(fā)能力非常有幫助。最后期末考試試卷內(nèi)容設計上需要改革：加大工程實踐設計題目的比例，將基礎理論知識要點完全融入到工程設計中。通過課程考評方式的改革，強調(diào)教學的互動和過程教學，激發(fā)學生學習的興趣，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力和工程設計開發(fā)能力。

4.小結

為了提升學生的工程設計開發(fā)能力，有必要對化工設備機械基礎課程進行改革。從國家層面和個人層面分別闡述了學習化工設備機械基礎課程的必要性，有效激發(fā)學生學習該課程的興趣，發(fā)揮他們的主觀能動性；通過充分利用網(wǎng)絡資源和網(wǎng)上精品課程、引入案例教學、引入專業(yè)軟件和開辟第二課堂等四個方面改善教學手段和方法，提升課堂教學質(zhì)量；最后對課程的考核方式進行改革，強化學生分析和解決問題的能力，培養(yǎng)他們的團隊協(xié)作能力和工程開發(fā)設計能力。