《過程流體機械》案例庫建設(shè)與案例教學(xué)實踐應(yīng)用研究

郭俊江，劉 浪，唐石云，葛武杰，陳麗軍

(貴州理工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

隨著“復(fù)旦共識”與“天大行動”的達成，新工科已成為改革話語中最為醒目的關(guān)鍵詞。國家和地方實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“互聯(lián)網(wǎng)+”、國際國內(nèi)雙循環(huán)新格局等重大戰(zhàn)略對高等工程教育改革提出了迫切要求[1]。同時，隨著《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》【教發(fā)[2015]7號】的出臺，部分普通本科高校教學(xué)模式從理論型向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的需求變得十分迫切。在這一背景下，地方高校對應(yīng)用類專業(yè)課程的教學(xué)應(yīng)當(dāng)更加注重培養(yǎng)學(xué)生的理論聯(lián)系實際、解決實際問題的能力。

對于眾多地方工科院校而言，都在已有教學(xué)理論體系的基礎(chǔ)上充分借鑒國內(nèi)外工程教育的先進經(jīng)驗和理念，結(jié)合各自的培養(yǎng)目標(biāo)，努力探索新的教學(xué)模式[2]。其中，案例教學(xué)法相較于傳統(tǒng)方法，不僅注重知識、理論傳授，而且在拔高學(xué)生推導(dǎo)理解能力以及解決實際問題能力等多方面都具有十分顯著的優(yōu)勢。

《過程流體機械》的傳統(tǒng)教學(xué)模式是以灌輸方式向?qū)W生生硬地傳授專業(yè)知識，嚴(yán)重制約了學(xué)生學(xué)習(xí)潛能，損害了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和積極性。尤其是關(guān)《過程流體機械》中相對抽象的課程內(nèi)容和理論計算，傳統(tǒng)模式的課程講解對于引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣十分困難，使得學(xué)生接受和應(yīng)用課程知識的能力不足，無法滿足我國對于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。因此，探索《過程流體機械》的新型教學(xué)模式顯得尤為必要。目前,已經(jīng)有文獻報道了在《過程流體機械》教學(xué)方法上的探索、嘗試和改革等方面的研究工作[3-4]。

案例教學(xué)法在工程科學(xué)課程中應(yīng)用較多，如在《化工熱力學(xué)》課程中馮新等[5-6]將生活中一些常見的現(xiàn)象(如天然氣的液化壓縮和貯存、機動車輪胎充氣等問題)引入《化工熱力學(xué)》教學(xué)，有效引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。劉兆增等[7]以工程視角結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)對《過程流體機械》(如離心泵、離心式壓縮機和往復(fù)式壓縮機)以教學(xué)案例的形式展開討論，可以極大地提高學(xué)生分析和解決問題的能力。從反饋結(jié)果看，案例教學(xué)使得教學(xué)內(nèi)容更加形象生動，可以有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生工程意識和創(chuàng)新思維，提高教育教學(xué)質(zhì)量。但總體上，目前案例教學(xué)在《過程流體機械》課程中的應(yīng)用相對較少，因此探索案例教學(xué)法在《過程流體機械》課程中的應(yīng)用與研究顯得尤為必要。本文以《過程流體機械》課程為例，結(jié)合校情，探討該課程的案例庫建設(shè)及案例教學(xué)法實施思路與模式，以期為其他專業(yè)實踐課程的案例庫建設(shè)和案例教學(xué)提供有益參考。

1 過程流體機械案例庫建設(shè)必要性

案例教學(xué)可以看作理論教學(xué)形式的一種效果顯著的輔助教學(xué)方法，對于培養(yǎng)學(xué)生實踐以及工程思維能力具有十分關(guān)鍵的作用。《過程流體機械》作為過程裝備與控制工程專業(yè)的必修專業(yè)課程，同時也是實踐性較強的一類專業(yè)核心課程，其教學(xué)目的是讓學(xué)生熟悉經(jīng)典的過程流體機械的基本工作原理、主要結(jié)構(gòu)、工作特性以及能夠表征其生產(chǎn)能力的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，具備典型過程流體機械的性能計算以及選型的能力[8]。目前《過程流體機械》教學(xué)案例雖然多數(shù)設(shè)計較為嚴(yán)謹(jǐn)，但由于反應(yīng)的問題比較有針對性以及地域的局限性，很難在各地方高校普遍化應(yīng)用。許多新型化工行業(yè)，如國家“十四五”規(guī)劃特別提到的新能源開發(fā)、新材料新工藝等相關(guān)案例極度匱乏。因此有必要對《過程流體機械》教學(xué)案例庫進行收集、整理、分析和更新。積極從工程角度出發(fā)，同時結(jié)合實際應(yīng)用，為過程裝備與控制工程專業(yè)的學(xué)生在化工、石油、冶金、能源、輕工、環(huán)保、醫(yī)藥、食品、機械及勞動安全等過程工業(yè)方面的工作打下堅實的基礎(chǔ)。

2 過程流體機械案例庫建設(shè)方法

(1)明確案例庫的教學(xué)形式和目的

明確教學(xué)案例庫主要是通過老師結(jié)合工程實際應(yīng)用進行整理、設(shè)計，隨之進行課堂教學(xué)的一種輔助教學(xué)形式，可以通過實物、視頻展示以及網(wǎng)絡(luò)資源對涉及的教學(xué)內(nèi)容進行展開式學(xué)習(xí)，可以有效強化學(xué)生對相關(guān)知識的重難點的記憶和掌握。比如，離心泵氣蝕原理，針對氣蝕這個抽象概念的學(xué)習(xí)過程中建立比較豐富的案例庫，并配以適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)設(shè)計。教師在講解知識的同時，通過對工程案例進行深層次分析，并且在學(xué)生層面形成開放式討論，在多種形式的結(jié)合下可以十分顯著地提高教學(xué)成效，加深學(xué)生對于這一抽象理論的認(rèn)識。

(2)找準(zhǔn)案例庫建設(shè)原則

《過程流體機械》課程具有融合多學(xué)科理論、工理結(jié)合、覆蓋面廣、實踐性強的特點。因此，教學(xué)案例庫的建設(shè)原則應(yīng)該以過程流體機械在化工、石油等行業(yè)中運用為背景去設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)案例，以具體實物和過程中發(fā)生的情景作為切入點，并突出理論教學(xué)與實際應(yīng)用相結(jié)合的特點，涉及的問題和解決問題的方法要著力體現(xiàn)工程技術(shù)、經(jīng)濟評價等知識的綜合運用。在案例設(shè)計過程中需要保證其鮮明的行業(yè)特色，選用案例盡可能多地關(guān)聯(lián)和應(yīng)用專業(yè)課程中講授的理論、方法、知識點，使得案例庫與課程體系相匹配，成為培養(yǎng)方案和課程體系中不可或缺的重要組成部分。

(3)對教學(xué)案例進行收集、評價、整合與篩選

案例來源渠道眾多，教師可以通過網(wǎng)絡(luò)資源或企業(yè)獲取。由于案例素材眾多，因此教師對搜集到的案例素材進行評價，素材應(yīng)該吻合實際的教學(xué)體系，同時能夠讓同學(xué)借用理論知識去回答和解決案例中出現(xiàn)的事故。合理刪除與課程教學(xué)無關(guān)的信息，甚至需要對部分案例進行設(shè)計與修改。因此，教師應(yīng)精選案例素材，使入選案例之間、案例與教材之間以及案例與培養(yǎng)目標(biāo)之間形成一個有機整體，以更好地服務(wù)教學(xué)。在功能上，案例應(yīng)突出知識的應(yīng)用、問題的解決和能力的培養(yǎng)，有針對性地培養(yǎng)學(xué)生實踐應(yīng)用能力和科學(xué)創(chuàng)新思維。

3 工程案例教學(xué)分析

3.1 離心泵汽蝕教學(xué)案例

關(guān)于離心泵氣蝕案例教學(xué)分析。汽蝕是離心泵無法通過結(jié)構(gòu)設(shè)計進行避免而且具有嚴(yán)重危害的一種現(xiàn)象。對于相關(guān)知識點的理解，我們可以設(shè)計如下案例。如某化工廠選購一臺吸水的離心泵，離心泵流量范圍在200～220 m3，正式投入使用過程中發(fā)現(xiàn)離心泵產(chǎn)生較大的噪音，震動劇烈且達不到設(shè)定的壓力值，我們在設(shè)計的案例中也給出了離心泵的具體參數(shù)，最終讓學(xué)生判定所給泵是否能夠正常工作。

在問題解析過程中，首先提出離心泵產(chǎn)生汽蝕的主要原因，汽蝕是由于所輸送流體在泵入口到葉輪如口有所下降，如過這個壓力降低且剛好低于所輸送液體的飽和蒸汽壓，那么液體就會發(fā)生汽化產(chǎn)生氣泡，同時溶解在液體中的氣體也會以氣泡的形式逸出。隨著葉輪做功那么產(chǎn)生的氣泡在高壓區(qū)會發(fā)生潰滅產(chǎn)生空穴，從而會造成周圍高壓流體對材料高頻次，高沖擊應(yīng)力的載荷，進而對材料造成破壞，這種綜合現(xiàn)象就是汽蝕現(xiàn)象。其次，教師可以有效引導(dǎo)學(xué)生進行開放性討論，學(xué)生可以靈活利用有效氣蝕余量和必須氣蝕余量的概念以及相應(yīng)計算表達式去判斷該離心泵是否發(fā)生了氣蝕故障，進而判斷該泵是否能夠正常工作。當(dāng)然在設(shè)計案例過程中應(yīng)當(dāng)給出能夠正常工作和不能夠正常工作的多個案例。最后，對于不能夠正常工作的泵(有效汽蝕余量小于必須汽蝕余量的情況)，要求同學(xué)們結(jié)合計算原理分析有效的解決方法。例如，降低流體流量大小，降低吸入裝置的安裝高度或改成倒灌的形式等都可以有效改善氣蝕故障。讓同學(xué)們結(jié)合案例分析以及開放性討論掌握汽蝕產(chǎn)生機理以及汽蝕預(yù)防措施等相關(guān)知識點。

3.2 離心壓縮機喘振教學(xué)案例

關(guān)于離心壓縮機喘振案例教學(xué)分析。我們可以設(shè)計如下案例，如某石化橡膠工廠空壓站有4臺壓縮機，但是其中1號壓縮機多次反復(fù)發(fā)生停機故障，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)其管網(wǎng)特性曲線變陡，而且現(xiàn)場也能觀測到流量變小，噪音加劇的現(xiàn)象。

在問題分析過程中，首先給出離心式壓縮機發(fā)生喘振的一些現(xiàn)象，如壓力表和流量計大幅度波動；出口氣流忽進忽出；產(chǎn)生噪聲(吼叫)；產(chǎn)生大量熱量，電流波動等現(xiàn)象。通過對離心壓縮機的理論知識分析，讓同學(xué)們明白該壓縮機發(fā)生了喘振事故，并同時讓學(xué)生知道喘振發(fā)生的機理。其次，引導(dǎo)學(xué)生開放性討論，討論影響和產(chǎn)生喘振的主要因素。比如流量的變化，入口壓力，入口的溫度，壓縮機的轉(zhuǎn)速，輸送介質(zhì)的相對分子質(zhì)量，管網(wǎng)特性曲線等因素，讓同學(xué)們深刻明白這些參數(shù)的變化對于喘振發(fā)生的影響。最后，結(jié)合案例可知，實際測量發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)特性曲線變陡，主要是因為管網(wǎng)阻力增加，導(dǎo)致保證相同的流量運輸所需要的流體壓力更高。然后讓同學(xué)們詳細討論可能引起阻力增加的原因，這個過程中我們也可以設(shè)計小組的形式進行分析討論。給與一定討論時間后由老師給出分析和結(jié)論。管網(wǎng)阻力增加的主要原因：一是由于壓縮機出口管路上的閥門故障，導(dǎo)致管網(wǎng)阻力增大；其次也可能是排氣通道堵塞，也會導(dǎo)致管網(wǎng)阻力增大。這樣可以強化學(xué)生對于喘振機理，引發(fā)喘振的因素及喘振相關(guān)的其他知識點進行學(xué)習(xí)理解以及強化記憶。

結(jié)合實際教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生開放性討論，可以讓學(xué)生從工程思維的角度去接觸和分析工程案例過程中所涉及的理論知識，并提出有效的解決方法，培養(yǎng)學(xué)生對工程問題的理解能力，強化學(xué)生的理論知識學(xué)習(xí)。

4 案例教學(xué)評價及改革

傳統(tǒng)教學(xué)方法主要以應(yīng)試教育的形式為主，這極大地限制了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，無法充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。相比之下，案例教學(xué)法可以結(jié)合工業(yè)實際的生產(chǎn)過程實例進行研討，學(xué)生在開放式探討過程中可以發(fā)揮主觀能動性，這對學(xué)生創(chuàng)造力、創(chuàng)新能力等的培養(yǎng)和提高具有很大裨益。為了配合案例教學(xué)，有必要對整個課程體系進行教學(xué)評價及改革。

傳統(tǒng)的教學(xué)評價通常采用總結(jié)性評價，評價主要以卷面成績?yōu)橐罁?jù)，無法完整表現(xiàn)出學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。案例教學(xué)形式結(jié)合OBE教學(xué)模式，教學(xué)評價不止停留在學(xué)生的卷面成績還可以通過平時表現(xiàn)，課程討論的形式進行綜合體現(xiàn)，全面評價學(xué)生對于課程知識的獲取，專業(yè)素養(yǎng)的形成等情況。一方面，采用雨課堂可以有效對學(xué)生課前、課中和課后全過程的學(xué)習(xí)行為進行大數(shù)據(jù)收集，教師通過實時監(jiān)測每位學(xué)生的行為表現(xiàn)，即時追蹤學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，為教師的個性化指導(dǎo)與合理、客觀的評價提供有效證據(jù)[9]。另一方面，建立完善的評價機制和評分標(biāo)準(zhǔn)，在考核結(jié)果中充分體現(xiàn)學(xué)生對知識的掌握度和各項能力的成長情況。只有充分掌握了各項情況，教師才能夠在教學(xué)過程中以及教學(xué)結(jié)束后有針對性地改善和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，并為提升教學(xué)效果盡一切努力。

5 結(jié) 語

《過程流體機械》作為一門實踐性很強的專業(yè)類課程，案例教學(xué)法的引入可以有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)生對課程知識的掌握程度?！哆^程流體機械》案例庫的建設(shè)和教學(xué)實施，可以幫助學(xué)生培養(yǎng)工程思維，在結(jié)合理論學(xué)習(xí)的前提下使學(xué)生可以合理運用工程意識去分析和解決工程實際問題。此外，在引導(dǎo)學(xué)生自主分析和解決問題能力的基礎(chǔ)上，相關(guān)教學(xué)方法還可以有效培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感和自豪感，契合《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》的頂層要求。