流體機(jī)械原理教學(xué)模式研究與探索

摘 要 流體機(jī)械原理是能源與動(dòng)力工程領(lǐng)域的核心課程，教學(xué)內(nèi)容直接關(guān)系到本科畢業(yè)生的培養(yǎng)質(zhì)量。流體機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抽象，學(xué)生理解難度大，如何讓學(xué)生掌握課程的核心知識(shí)點(diǎn)，是教學(xué)過程中的難題。針對(duì)上述問題，本課程在教學(xué)過程中積極引入多媒體教學(xué)方法，結(jié)合虛擬仿真平臺(tái)，以及鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法，力爭讓教學(xué)更加直觀化、趣味化，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方法與現(xiàn)代教學(xué)手段的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到兩種教學(xué)模式相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的目的。進(jìn)一步引入案例教學(xué)，通過具體的工程案例分析，加深學(xué)生對(duì)基本概念、原理、結(jié)構(gòu)的理解，最終提升該課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 流體機(jī)械原理；課程改革；多手段融合；案例教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " "DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.12.018

Research and Exploration of Teaching Model of Fluid Machinery Theory Course

ZHANG Ning， GAO Bo， LI Zhong

（Jiangsu University， School of Energy and Power Engineering， Zhenjiang， Jiangsu 212013）

Abstract The principle of fluid machinery is a core course in the field of energy and power engineering， and the teaching content is directly related to the quality of training undergraduates. The structure of fluid machinery is complex， making it difficult for students to understand. How to make it easier for students to grasp the core knowledge points is a difficult problem. In response to the above issues， this course actively introduces multimedia teaching methods in the teaching process， combined with virtual simulation platforms and chain teaching methods， striving to make teaching more intuitive and interesting， achieve the organic combination of traditional teaching methods and modern teaching methods， and achieve the goal of complementing and promoting each other between the two teaching modes. Furthermore， case teaching is introduced to deepen students' understanding of basic concepts， principles， and structures through specific engineering case analysis， ultimately improving the teaching quality of the course.

Keywords fluid machinery theory course; curriculum reform; multi means integration， case teaching

流體機(jī)械及工程學(xué)科為國家重點(diǎn)學(xué)科，是江蘇大學(xué)傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科，也是教育部“卓越工程師計(jì)劃”人才培養(yǎng)試點(diǎn)專業(yè)，高水平流體機(jī)械專業(yè)人才的培養(yǎng)是學(xué)校的必然使命，也是行業(yè)的迫切需求[1-2]。

近些年，流體機(jī)械裝備規(guī)模及應(yīng)用領(lǐng)域快速發(fā)展，以泵為例，其已從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、普通工業(yè)領(lǐng)域向高精尖的核電領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域滲透。尤其隨著我國將核電作為能源的主要發(fā)展方向，核電用泵也迎來快速發(fā)展的黃金階段，其對(duì)專業(yè)流體機(jī)械人才的需求也日益迫切，高質(zhì)量、復(fù)合型、實(shí)踐型人才的培養(yǎng)是相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3-4]，而這其中又以流體機(jī)械原理課程的教學(xué)建設(shè)為重中之重。

本課程的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握流體機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原理，學(xué)會(huì)應(yīng)用基礎(chǔ)理論解決部分實(shí)際問題。本課程主要包括葉片式流體機(jī)械基本原理、能量轉(zhuǎn)換、相似理論、空蝕、設(shè)計(jì)計(jì)算、特性曲線與運(yùn)行調(diào)節(jié)、流體機(jī)械的選型等。通過教學(xué)使學(xué)生系統(tǒng)地掌握各種流體機(jī)械的工作原理及最常見流體機(jī)械的設(shè)計(jì)方法，尤其是泵的基礎(chǔ)理論及設(shè)計(jì)。學(xué)生在系統(tǒng)掌握各種流體機(jī)械工作原理的同時(shí)，對(duì)應(yīng)用廣泛的風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和水輪機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算也應(yīng)有所了解。本課程的重點(diǎn)在于加強(qiáng)對(duì)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)和抽象思維的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的提高，使學(xué)生能夠靈活運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行探索和開拓創(chuàng)新，并具有較高的綜合素質(zhì)[5-7]。

幾何部件的三維空間扭曲形態(tài)及各種抽象概念是流體機(jī)械原理課程的教學(xué)難點(diǎn)，學(xué)生很難理解課程的核心知識(shí)點(diǎn)。鑒于此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)課程教學(xué)模式進(jìn)行了改革與探索，通過引入多種有效措施達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。

1 "教學(xué)模式的改革與研究

1.1 "教學(xué)內(nèi)容的全面梳理與調(diào)整

教學(xué)團(tuán)隊(duì)重新對(duì)流體機(jī)械原理教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理，對(duì)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了全面修訂，引入學(xué)科發(fā)展前沿知識(shí)，以提升學(xué)生學(xué)以致用的能力。采用深入淺出和引人入勝的內(nèi)容安排，注重對(duì)多媒體、可視化、直觀化教學(xué)手段的運(yùn)用，重視對(duì)流體機(jī)械結(jié)構(gòu)、流體機(jī)械基本原理、流體機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)方法的系統(tǒng)講解。

課程選用的教材為九五期間普通高等教育機(jī)電類規(guī)劃教材《流體機(jī)械原理》，該教材在編制的時(shí)候，為了照顧流體機(jī)械不同的研究方向，囊括的內(nèi)容十分豐富，主要包括泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、水輪機(jī)。然而，從江蘇大學(xué)流體機(jī)械及工程方向的教學(xué)現(xiàn)狀來看，目前已較少涉及水輪機(jī)及壓縮機(jī)內(nèi)容，重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容仍然是各種類型的泵，尤其是葉片式泵。原有的教學(xué)框架不再適應(yīng)目前的教學(xué)現(xiàn)狀。為此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)把相對(duì)陳舊的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)精簡，去除容積式泵、水輪機(jī)調(diào)節(jié)等陳舊內(nèi)容，詳細(xì)介紹流體機(jī)械基礎(chǔ)理論涉及的核心知識(shí)點(diǎn)，并進(jìn)行適度拓展，同時(shí)介紹最新的流體機(jī)械學(xué)科發(fā)展方向，例如引入泵典型內(nèi)流的簡介、泵內(nèi)流現(xiàn)代測試基礎(chǔ)介紹，達(dá)到精簡教材、提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

除了仍然采用上述教材外，教學(xué)團(tuán)隊(duì)充分考慮教育的國際化，在教學(xué)過程中借鑒國際上優(yōu)秀的流體機(jī)械專著，例如Centrifugal pumps，該書重視對(duì)泵基礎(chǔ)理論的講解。Pumping machinery-theory and practice，該參考教材重視對(duì)應(yīng)用基礎(chǔ)理論的講解。中英文教材相結(jié)合，可以為學(xué)生提供全面、系統(tǒng)的流體機(jī)械教學(xué)參考資料。

1.2 "多媒體教學(xué)手段的綜合運(yùn)用

流體機(jī)械原理課程的難點(diǎn)在于學(xué)生對(duì)流體機(jī)械三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的理解，由于葉輪、導(dǎo)葉、蝸殼皆呈現(xiàn)三維扭曲的空間形狀，因此如何理解流體機(jī)械的復(fù)雜機(jī)械形狀，建立平面圖形與三維空間的關(guān)聯(lián)，是課程的難點(diǎn)。因此，如何使學(xué)生快速理解流體機(jī)械過流部件的空間幾何結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是學(xué)生掌握該課程內(nèi)容的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本課程對(duì)教學(xué)課件進(jìn)行重新編寫，引入相關(guān)圖畫及動(dòng)畫，讓教學(xué)更加直觀化、可視化，從而在教學(xué)中讓學(xué)生更直觀地理解流體機(jī)械的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基本原理。通過高質(zhì)量課件的編寫，讓學(xué)生專注于學(xué)，構(gòu)建流體機(jī)械感性認(rèn)知與理性邏輯認(rèn)知的有機(jī)融合，從而提升課程教學(xué)質(zhì)量。

本課程積極引入虛擬仿真教學(xué)手段，針對(duì)課程中的重難點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行虛擬教學(xué)，例如在泵內(nèi)速度三角形章節(jié)，引入可視化的CFD手段，對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)、速度分布進(jìn)行直觀展示。在空化教學(xué)章節(jié)，引入虛擬仿真平臺(tái)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，在平臺(tái)上觀察空化現(xiàn)象的產(chǎn)生及其在泵內(nèi)的演化過程。借助現(xiàn)代化教學(xué)手段，加深學(xué)生對(duì)流體機(jī)械基本理論和相關(guān)復(fù)雜現(xiàn)象的理解。通過引入多媒體教學(xué)方法，結(jié)合虛擬仿真平臺(tái)，力爭讓教學(xué)更加直觀化、趣味化，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方法與現(xiàn)代教學(xué)手段的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到兩種教學(xué)模式相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的目的。

基于本課程的特點(diǎn)，教學(xué)中應(yīng)貫徹啟發(fā)式、互動(dòng)式教學(xué)方法，著重講清基本概念、基本理論，并引入可視化、直觀化教學(xué)手段，并配以適量討論，逐步培養(yǎng)學(xué)生對(duì)流體機(jī)械的直觀感受，提升學(xué)生對(duì)過流部件的認(rèn)識(shí)水平，培養(yǎng)學(xué)生由二維平面到三維空間的學(xué)習(xí)能力，最終達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。

1.3 "引入“鏈?zhǔn)健苯虒W(xué)法

課堂教學(xué)遵循學(xué)生的認(rèn)知學(xué)習(xí)規(guī)律，引入“鏈?zhǔn)健苯虒W(xué)法，著重知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)的銜接，努力構(gòu)建前后教學(xué)內(nèi)容的一體化體系，做到知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通，從而達(dá)到鞏固已學(xué)知識(shí)點(diǎn)、提升教學(xué)質(zhì)量的目的。此外，將課堂教學(xué)分成4個(gè)方面：講解、練習(xí)、復(fù)習(xí)、總結(jié)，通過“鏈?zhǔn)健笔谡n法，構(gòu)建知識(shí)點(diǎn)的有機(jī)融合。授課過程中采用討論式、互動(dòng)式授課方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性和積極性，幫助學(xué)生掌握課程的核心知識(shí)點(diǎn)。

此外，針對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，設(shè)置部分具有針對(duì)性、代表性的例題，幫助學(xué)生通過做習(xí)題的方式掌握重點(diǎn)內(nèi)容，力求講得清、練習(xí)勤、掌握快，促進(jìn)學(xué)生高效掌握本課程的核心知識(shí)點(diǎn)。

1.4 "案例教學(xué)法

除了傳統(tǒng)的化工泵、排灌泵，目前葉片式流體機(jī)械也在國防、航空等高端領(lǐng)域快速發(fā)展，整體朝向高速化、高功率密度、高效、低振動(dòng)噪聲等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的僅僅考慮性能指標(biāo)的流體機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)跟不上發(fā)展潮流。因此，將前沿的流體機(jī)械知識(shí)引入課堂，通過案例教學(xué)讓學(xué)生更好地掌握高端流體機(jī)械特點(diǎn)及領(lǐng)域發(fā)展方向極為必要。本課程教學(xué)過程中，特別引入了船用泵設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)和超高速泵原理及結(jié)構(gòu)兩部分內(nèi)容，通過案例教學(xué)讓學(xué)生更快地接觸到葉片式流體機(jī)械的研究前沿及發(fā)展方向。

1.4.1 "船舶用泵設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)案例教學(xué)

船舶用泵相比于常規(guī)泵來說具有如下特點(diǎn)：尺寸嚴(yán)格限制、振動(dòng)噪聲指標(biāo)要求高。尤其是振動(dòng)噪聲，其直接關(guān)系到船員的舒適性，因此是船舶用泵的關(guān)鍵性能指標(biāo)。鑒于此，教學(xué)過程中對(duì)船舶用泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、振動(dòng)噪聲的來源、泵內(nèi)壓力脈動(dòng)特性、水力激勵(lì)如何控制等內(nèi)容做了介紹。讓學(xué)生明白流體機(jī)械的設(shè)計(jì)不是一成不變的，在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)該抓住主要矛盾，忽略次要問題，從而完成高質(zhì)量流體機(jī)械的設(shè)計(jì)。最后，針對(duì)船舶用泵的特點(diǎn)，從水力設(shè)計(jì)開始，講述如何從水力上完成低噪聲設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步分析了船舶用泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從案例中講述低噪聲泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意的相關(guān)事項(xiàng)。

1.4.2 "超高速泵原理及結(jié)構(gòu)案例教學(xué)

高速離心泵是航天、航空、化工等特殊領(lǐng)域的特種用泵，其轉(zhuǎn)速高，功率密度大。葉片泵的高速化是高端應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，與常規(guī)低轉(zhuǎn)速泵相比，超高速泵轉(zhuǎn)速高、設(shè)計(jì)難度大、運(yùn)行穩(wěn)定性要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其設(shè)計(jì)過程面臨非常大的挑戰(zhàn)。超高速泵的轉(zhuǎn)速可達(dá)30000r/min以上、渦輪泵甚至可以達(dá)到100000r/min，揚(yáng)程可達(dá)15MPa，甚至更高。超高速泵可以在單級(jí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多級(jí)泵的性能，其體積緊湊、重量輕，在石油化工領(lǐng)域亦得到了廣泛應(yīng)用。超高速泵的特點(diǎn)是流量小、轉(zhuǎn)速高、揚(yáng)程高，比轉(zhuǎn)速通常處于低比轉(zhuǎn)速范疇，通常由電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪箱實(shí)現(xiàn)增速，高速帶來的水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（軸承、密封）、轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性、空化等問題突出。鑒于高速化帶來的突出優(yōu)勢(shì)及設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)最近幾年超高速泵領(lǐng)域的研究成果，引入超高速泵案例教學(xué)模塊，重點(diǎn)分析了高速泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、水力部件匹配模式及多工況下的水力設(shè)計(jì)方法，為學(xué)生講述高端流體機(jī)械產(chǎn)品的相關(guān)知識(shí)，幫助學(xué)生拓寬視野，觸及流體機(jī)械的研究前沿。此外，高速泵主要服務(wù)于航空領(lǐng)域，通過案例思政教學(xué)，也可以培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷以及服務(wù)國防等重要領(lǐng)域的信念。

2 "結(jié)語

針對(duì)流體機(jī)械原理的教學(xué)難點(diǎn)，本文對(duì)課程教學(xué)模式進(jìn)行了改革與分析，基于現(xiàn)實(shí)需求，重新梳理了流體機(jī)械原理的教學(xué)內(nèi)容，通過引入鏈?zhǔn)浇虒W(xué)方法，運(yùn)用多種教學(xué)手段，同時(shí)針對(duì)流體機(jī)械的發(fā)展方向及最新前沿，將案例教學(xué)方法引入課堂，最終達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。

*通訊作者：張寧

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