“互聯(lián)網(wǎng)+Python”“汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)”課程輔助教學(xué)

摘要：“汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)”是通過汽輪機(jī)的熱力設(shè)計(jì)提升學(xué)生工程實(shí)踐能力的教學(xué)過程。以往“汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)”經(jīng)歷了由手算向電算的轉(zhuǎn)變過程，但依然存在設(shè)計(jì)質(zhì)量不高、進(jìn)度卡滯等問題。為了改善教學(xué)效果，本文基于PythonFlask輕量化網(wǎng)絡(luò)框架技術(shù)，結(jié)合math浮點(diǎn)運(yùn)算、pyXSteam水蒸氣函數(shù)和MathJax網(wǎng)頁(yè)矢量公式設(shè)計(jì)了一套在線驗(yàn)證程序。該程序具有編制簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰、由個(gè)人維護(hù)和升級(jí)的特點(diǎn)，通過引入該程序，可以有效地避免學(xué)生在設(shè)計(jì)中的計(jì)算方向錯(cuò)誤，起到加快設(shè)計(jì)進(jìn)度、加深學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容理解和運(yùn)用的作用。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)；互聯(lián)網(wǎng)+；PythonFlask；教學(xué)建設(shè)

中圖分類號(hào)：TK269文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Internet+PythonSteam"TurbineCourseDesign"Course

andTeachingAssistance

XuWanjun*SongHuayangZhuSisi

SchoolofEnergyandPowerEngineering，NanjingInstituteofTechnologyJiangsuNanjing211167

Abstract：Steamturbinecoursedesignisateachingprocesstoimprovestudents'engineeringpracticeabilitythroughsteamturbinethermodynamicdesign.Inthepast，thecoursedesignofsteamturbinehasexperiencedthetransformationprocessfrommanualcalculationtocomputercalculation，buttherearestillsomeproblemssuchaslowdesignqualityanddelayinprogress.Inordertoimprovetheteachingeffect，thispaperdesignsasetofonlineverificationprogrambasedonthePythonFlasklightweightnetworkframeworktechnology，combinedwithmathfloatingpointoperation，pyXSteamfunctionandMathJaxwebvectorformula.Theprogramhasthecharacteristicsofsimplepreparation，clearstructure，maintenanceandupgradebyindividuals.Throughtheintroductionofthisprogram，studentscaneffectivelyavoidthewrongcalculationdirectioninthedesign，acceleratethedesignprogress，anddeepenthestudents'understandingandapplicationofthedesigncontent.

Keywords：Steamturbinecoursedesign；Internet+；PythonFlask；Teachingconstruction

1概述

“汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)”是能源與動(dòng)力工程專業(yè)的一門設(shè)計(jì)類課程，要求學(xué)生根據(jù)汽輪機(jī)熱力設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，完成一臺(tái)小型汽輪機(jī)通流部分的熱力設(shè)計(jì)。課程目標(biāo)是通過工程設(shè)計(jì)，鞏固學(xué)生對(duì)級(jí)和多級(jí)汽輪機(jī)工作原理的理解，提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力。根據(jù)往年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)中，部分學(xué)生很難完成高質(zhì)量的課程設(shè)計(jì)任務(wù)。主要原因是設(shè)計(jì)任務(wù)計(jì)算量大、前后關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，往往是某一隱蔽參數(shù)選取或計(jì)算不正確，導(dǎo)致后續(xù)計(jì)算錯(cuò)誤，整體不能閉環(huán)，查找原因也十分困難。

典型案例1：某同學(xué)在計(jì)算進(jìn)汽量時(shí)將汽輪機(jī)排汽口焓值取為理想焓值（正確應(yīng)取為實(shí)際焓值），導(dǎo)致后面校核部分，相對(duì)內(nèi)效率吻合良好，但內(nèi)功率和流量始終無(wú)法吻合。修正排汽口焓值后，需要經(jīng)過多步重復(fù)計(jì)算，降低了設(shè)計(jì)效率。

典型案例2：某同學(xué)在調(diào)節(jié)級(jí)設(shè)計(jì)中，代錯(cuò)了流量公式（正確應(yīng)根據(jù)臨界狀態(tài)選取不同的流量公式），導(dǎo)致噴嘴出口葉高偏小，后續(xù)計(jì)算也均不正確，需要推倒重來，浪費(fèi)了時(shí)間。

典型案例3：某同學(xué)在壓力級(jí)分級(jí)中，采用整機(jī)理想焓降減去調(diào)節(jié)級(jí)有效焓降的方法來計(jì)算壓力級(jí)理想焓降（正確應(yīng)根據(jù)調(diào)節(jié)級(jí)出口點(diǎn)等熵至排汽壓力來計(jì)算），導(dǎo)致壓力級(jí)級(jí)數(shù)偏多，在后續(xù)校核計(jì)算中，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)內(nèi)功率偏大，無(wú)法閉環(huán)。修正壓力級(jí)后，需要重新分級(jí)和計(jì)算。

除了上述邏輯錯(cuò)誤，還經(jīng)常出現(xiàn)的錯(cuò)誤有：Excel公式運(yùn)用錯(cuò)誤，如將開方公式寫為x*0.5（正確應(yīng)為x^0.5）；公式量綱錯(cuò)誤，如將量綱為米的平均直徑和量綱為毫米的葉高直接相加；查圖錯(cuò)誤，如將水蒸氣焓熵圖看串行，得到不正確的焓、熵值。

為了提高“汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)質(zhì)量，讓更多的學(xué)生完成高質(zhì)量的設(shè)計(jì)計(jì)算，需要對(duì)現(xiàn)有教學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新［12］。總結(jié)上面的典型案例，發(fā)現(xiàn)亟待解決的問題是如何保證學(xué)生每一階段的計(jì)算結(jié)果都在合理的誤差范圍之內(nèi)。然而因?yàn)槊總€(gè)學(xué)生的設(shè)計(jì)參數(shù)都不相同，沒有統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果進(jìn)行參考，目前只有部分參數(shù)的大致范圍可供參考。因此，需要尋找到一種有效方法讓每個(gè)學(xué)生每一階段的計(jì)算結(jié)果都有可靠的參考，也就是需要一套驗(yàn)證程序來輔助教學(xué)。

2問題分析

學(xué)生完成“汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)”，主要參考的資料有教科書、PPT和Excel計(jì)算表格。教科書為肖增弘《汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)》、馮慧雯《汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)參考資料》、靳智平《電廠汽輪機(jī)原理及系統(tǒng)》，這三本教科書給出了較為全面的設(shè)計(jì)過程和方法。PPT是針對(duì)本課程的設(shè)計(jì)任務(wù)說明，給出了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程、計(jì)算方法和注意事項(xiàng)。Excel計(jì)算表格是輔助學(xué)生計(jì)算工作，降低人工計(jì)算量。

盡管PPT給出了具體注意事項(xiàng)，但在實(shí)際計(jì)算中，很多問題仍然不能避免。Excel計(jì)算表格只能保證代數(shù)計(jì)算的正確性，不能解決代數(shù)計(jì)算之外的問題。教科書《汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)》附贈(zèng)有汽輪機(jī)設(shè)計(jì)MATLAB程序，但該程序是針對(duì)大型汽輪機(jī)機(jī)組開發(fā)的，程序設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，內(nèi)部關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，不適用于本課程的驗(yàn)證工作。在互聯(lián)網(wǎng)上，能夠查閱到較為久遠(yuǎn)的《設(shè)計(jì)寶典Xp》和Delphi開發(fā)的計(jì)算程序，這些程序年代久遠(yuǎn)，無(wú)法直接使用，即使能夠使用，也不適用于本課程的設(shè)計(jì)任務(wù)。

鑒于此，本文根據(jù)“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)模式，設(shè)計(jì)了一套能夠在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)時(shí)訪問的“汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)”驗(yàn)證程序，幫助學(xué)生完成高質(zhì)量的設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)具體目標(biāo)如下：（1）通過互聯(lián)網(wǎng)訪問，能夠在電腦、手機(jī)、平板上實(shí)時(shí)訪問。（2）包括回?zé)嵯到y(tǒng)、進(jìn)汽量、調(diào)節(jié)級(jí)、第一級(jí)/末級(jí)直徑、壓力級(jí)、校核等計(jì)算程序。（3）網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷，只給出輸入和輸出，以及必要的圖表說明。（4）網(wǎng)站有后端系統(tǒng)，從靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)無(wú)法提取計(jì)算過程。

3在線程序的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)具有互聯(lián)網(wǎng)訪問的交互程序有多種方法，比如傳統(tǒng)網(wǎng)站、手機(jī)APP、MATLAB在線APP等方法。傳統(tǒng)網(wǎng)站技術(shù)成熟，限制性少，可以實(shí)現(xiàn)豐富的功能，但網(wǎng)站的開發(fā)和維護(hù)難度較大，且與選擇的開發(fā)工具有關(guān)。手機(jī)APP專注于移動(dòng)手機(jī)端，對(duì)桌面端支持不友好，開發(fā)難度與開發(fā)商提供的開發(fā)平臺(tái)相關(guān)性高。MATLAB在線APP是近年來MathWorks公司推出的功能，優(yōu)點(diǎn)是可以方便使用MATLAB提供的函數(shù)，缺點(diǎn)是訪問較為消耗服務(wù)器內(nèi)存資源（前期測(cè)試發(fā)現(xiàn)），不利于大量用戶并發(fā)訪問。綜合比較，本文采用新穎的PythonFlask輕量化網(wǎng)絡(luò)框架技術(shù)來開發(fā)“互聯(lián)網(wǎng)+”程序，它不同于以往基于PHP和JavaScript的傳統(tǒng)建站技術(shù)，具有復(fù)雜、門檻高的特點(diǎn)，該技術(shù)具有程序簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰、由個(gè)人維護(hù)和升級(jí)的特點(diǎn)。Flask是一個(gè)基于Python的輕量級(jí)Web應(yīng)用框架，可以讓開發(fā)者快速搭建Web應(yīng)用程序，加之Python語(yǔ)言的靈活性和豐富的開發(fā)包，非常適用于本文在線驗(yàn)證程序的開發(fā)。

“汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)”的特點(diǎn)在于要深入理解和應(yīng)用水蒸氣的物理特性，為了精確模擬和計(jì)算，需要引入一些專業(yè)的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)。首先，浮點(diǎn)運(yùn)算是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分，為了提供這種計(jì)算能力，這里選擇安裝Python的math模塊，可以通過在控制臺(tái)輸入pipinstallmath命令安裝math模塊。這個(gè)模塊包含了大量的數(shù)學(xué)函數(shù)，可以方便地進(jìn)行冪次運(yùn)算、三角函數(shù)運(yùn)算等。為了實(shí)現(xiàn)水蒸氣的性質(zhì)計(jì)算，需要引入pyXSteam模塊。這個(gè)模塊專門針對(duì)水蒸氣的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含了大量的函數(shù)，可以方便地計(jì)算水蒸氣的各種物理屬性，如壓力、溫度、焓值等。通過在控制臺(tái)輸入pipinstallpyXSteam命令，可以將這個(gè)模塊集成到程序中，實(shí)現(xiàn)對(duì)水蒸氣性質(zhì)的精確計(jì)算。

為了便于公式的說明，需要在網(wǎng)頁(yè)上顯示數(shù)學(xué)公式，這里選擇MathJax。MathJax是一款運(yùn)行在瀏覽器中的開源數(shù)學(xué)符號(hào)渲染引擎，使用MathJax可以方便地顯示矢量形式的數(shù)學(xué)公式，不需要使用圖片。使用時(shí)，將MathJax的es5文件夾下載，存儲(chǔ)于“static”文件夾內(nèi)；在HTML的head部分中添加＜scriptsrc="{{url_for（'static'，filename='es5/texmmlcHTML.js'）}}"id="MathJaxscript"async>＜/script>語(yǔ)句。HTML的body中可以使用LaTex語(yǔ)法來書寫公式，比如x=a2，可以寫為x=a^2。單行公式可以用轉(zhuǎn)義符$$x=a^2$$包裹起來，嵌入文字內(nèi)的公式可以用轉(zhuǎn)義符＼＼（x=a^2＼＼）包裹起來。另外，為了避開Flask的Render_template模板對(duì)LaTex公式解析造成的混亂，必要時(shí)可以在公式前后加入{%raw%}和{%endraw%}語(yǔ)句來避開Render_template的解析。

在線驗(yàn)證程序的主體部分由前端的HTML網(wǎng)頁(yè)和后端的Python程序構(gòu)成。HTML采用post方法，將body中由用戶輸入的多個(gè)text數(shù)據(jù)，通過sumbit按鈕提交到后端的Python。Python通過request.form［］和float命令將得到的text數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)字，結(jié)合math和pyXSteam函數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果通過render_template模板再次傳遞給前端的HTML網(wǎng)頁(yè)。為了在HTML網(wǎng)頁(yè)上顯示結(jié)果，可以使用轉(zhuǎn)義符{{}}將變量包裹起來。當(dāng)HTML網(wǎng)頁(yè)被渲染時(shí)，變量會(huì)被其對(duì)應(yīng)的值所替換，用戶在前端的HTML網(wǎng)頁(yè)上會(huì)看到計(jì)算結(jié)果。

Flask是構(gòu)建在線驗(yàn)證程序的核心框架。通過在控制臺(tái)輸入pipinstallflask命令安裝Flask模塊。在Python程序起始部分輸入fromflaskimportFlask，render_template，request和app=Flask（__name__）創(chuàng)建Flask應(yīng)用程序。每一個(gè)獨(dú)立的驗(yàn)證程序，由定義路由、處理函數(shù)、HTML網(wǎng)頁(yè)三部分組成。路由通過@app.route（）定義，它的作用是在程序運(yùn)行時(shí)，裝飾一個(gè)視圖函數(shù)，用給定的URL規(guī)則和選項(xiàng)訪問它。處理函數(shù)由def命令執(zhí)行，它是指當(dāng)用戶訪問該路徑時(shí)執(zhí)行的代碼，代碼內(nèi)容包括了驗(yàn)證程序的輸入、計(jì)算、提交三個(gè)部分，其中提交部分通過render_template模板渲染HTML網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)驗(yàn)證程序需要定義兩個(gè)HTML文件，一個(gè)用于顯示首頁(yè)（index.html），另一個(gè)用于顯示結(jié)果（result.html），也可以合并成一個(gè)文件（display.html），便于管理和修改。HTML文件存放于“templates”文件夾內(nèi)。除了上述所述，還需要在細(xì)節(jié)問題上進(jìn)行一些把控，比如，如何給定輸入?yún)?shù)的缺省值、如何采用公網(wǎng)IP和域名訪問等問題。

在線驗(yàn)證程序的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便、一看就懂，設(shè)計(jì)的驗(yàn)證程序可以遵循以下原則：（1）階段化，設(shè)計(jì)的驗(yàn)證程序與課程任務(wù)階段匹配，學(xué)生完成相應(yīng)階段后再使用驗(yàn)證程序來校核結(jié)果；（2）輕量化，設(shè)計(jì)的程序只給出輸入和輸出，以及必要的圖表說明，無(wú)須其他復(fù)雜選項(xiàng)；（3）便捷性，學(xué)生可以通過電腦、手機(jī)、平板在教室隨時(shí)訪問，不用注冊(cè)、登錄、驗(yàn)證等煩瑣手續(xù)；（4）維護(hù)性，驗(yàn)證程序易于維護(hù)，可以隨著反饋多次修改和優(yōu)化，如條件允許可由上課教師維護(hù)。本文先后設(shè)計(jì)了汽輪機(jī)總進(jìn)汽量D0的估算（方法一）、汽輪機(jī)總進(jìn)汽量D0的估算（方法二）、調(diào)節(jié)級(jí)、動(dòng)葉頂部漏汽量、導(dǎo)葉頂部漏汽量、第二列動(dòng)葉頂部漏汽量、葉輪摩擦損失、葉高損失、鼓風(fēng)損失、斥汽損失、級(jí)內(nèi)漏汽損失、濕汽損失、第一壓力級(jí)平均直徑d1的估取、凝汽式汽輪機(jī)末級(jí)直徑dz的估取等若干驗(yàn)證程序。圖2給出了汽輪機(jī)總進(jìn)汽量D0的估算（方法一）的網(wǎng)頁(yè)界面，可見，本例的輸入?yún)?shù)為六個(gè)變量，輸出參數(shù)為兩個(gè)變量，通過calculate按鈕提交和反饋，網(wǎng)頁(yè)右側(cè)給出了公式說明，詳細(xì)解釋了每一個(gè)參數(shù)的含義和量綱。

本文設(shè)計(jì)的驗(yàn)證程序在2023年秋季學(xué)期的“汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)”中得到了部分應(yīng)用，該程序主要提供給那些在設(shè)計(jì)過程中遇到困難、無(wú)法準(zhǔn)確找出問題所在的學(xué)生進(jìn)行試用。在使用過程中，學(xué)生們能夠利用驗(yàn)證程序來檢查他們的設(shè)計(jì)步驟和計(jì)算過程，從而找出可能的錯(cuò)誤或疏漏。這種即時(shí)的反饋機(jī)制使學(xué)生們能夠及時(shí)調(diào)整他們的設(shè)計(jì)策略，避免了在錯(cuò)誤的方向上花費(fèi)過多的時(shí)間和精力。從學(xué)生們的使用反饋來看，驗(yàn)證程序在緩解進(jìn)度卡滯問題上表現(xiàn)出了顯著的效果。它不僅提高了學(xué)生們解決問題的效率，也提升了他們的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。學(xué)生們表示，使用驗(yàn)證程序后，他們能夠更快地找出并解決問題，從而有更多的時(shí)間去深入理解和探索課程的其他方面。此外，驗(yàn)證程序的使用可以使教師更專注于講解課程的核心概念和原理，而不是把大量時(shí)間花費(fèi)在解答個(gè)別學(xué)生的具體問題上，在一定程度上加快了教學(xué)的進(jìn)程，更多的學(xué)生可以在課內(nèi)時(shí)間完成報(bào)告撰寫。

結(jié)語(yǔ)

本文將“互聯(lián)網(wǎng)+”思想引入“汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)”中，基于新穎的PythonFlask輕量化網(wǎng)絡(luò)框架技術(shù)設(shè)計(jì)了在線驗(yàn)證程序，該程序具有編制簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰、由個(gè)人維護(hù)和升級(jí)的特點(diǎn)。通過學(xué)生對(duì)程序的試用，得到了正向反饋，有效解決了進(jìn)度卡滯問題，提高了本課程的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］宋曉皎.“精品課程”建設(shè)背景下的汽輪機(jī)課程教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.造紙裝備及材料，2021，50（1）：173174+181.

［2］施鎏鎏.計(jì)算機(jī)軟件在汽輪機(jī)原理課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.課程教育研究，2017（29）：233234.

基金項(xiàng)目：南京工程學(xué)院教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目（JXJS2023018）

*通訊作者：許萬(wàn)軍（1985—），男，漢族，黑龍江海林人，博士，副教授，研究方向：汽輪機(jī)性能優(yōu)化。