《葉輪機原理與設計》教學改革的探索

王志強

【摘要】《葉輪機原理與設計》作為飛行器動力工程專業的專業基礎課程，以工程熱力學、流體力學為基礎，牽涉到航空發動機原理、燃氣輪機原理、航空發動機構造等課程內容，是航空發動機原理和設計等課程的前修課程。由于本課程涉及的知識點較多，課堂時間又相對有限，如何在有限的時間里能讓學生盡量多的掌握本課程的主要內容，這就需要合理地安排教學內容，靈活地采用先進的教學方法。

【關鍵詞】葉輪機 教學改革 探索

【中圖分類號】G42 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）04-0071-02

葉輪機械主要包括燃氣輪機、蒸汽輪機、風力機、通風機以及水輪機等，其在國民經濟尤其是整個重工業體系中占有十分重要的地位。葉輪機械在工業中的應用非常廣，比如蒸汽輪機在發電廠廣泛應用，通風機是礦井和隧道的必備設備，其中燃氣輪機已廣泛用來作為航空、電站、艦船、導彈、坦克、重載機車等高端領域的核心動力以及冶金、勘探、化工、土木等一般工業領域的主要或輔助動力。葉輪機械在我們的日常生活中也隨處可見，比如夏天人們常用的電風扇，空調中的壓縮機，電腦中的冷卻風扇，汽車中的渦輪增壓器等，這些都屬于葉輪機械。因此如何進行教學改革、提高學生課堂學習效率是當務之急。

一、教材整合、突出重點

《葉輪機原理與設計》這門課程主要講授軸流壓氣機和渦輪的工作原理、特性和設計理論基礎等，其包括的內容非常豐富，主要有：軸流壓氣機工作原理和工作過程，壓氣機基元級的工作原理和工作過程，平面葉柵的概念、流動過程和特性以及設計原理和方法，軸流壓氣機級和多級的工作特點和設計方法，軸流壓氣機的特性；渦輪工作原理和工作過程，渦輪基元級的工作原理和工作過程，平面葉柵的概念、流動過程和特性以及設計原理和方法，渦輪級和多級的工作特點和設計方法，渦輪的特性等。由此可見，要在40課時內有效完成這些課程內容，對教與學都是極大的挑戰。通過對課程內容和課程特點的深入研究，并結合老教師多年的教學經驗，梳理出了本課程內容的“重點”與“一般”，從而明確了課堂講授內容的側重點。

本課程學習的兩大部分內容分別是軸流壓氣機和渦輪，雖然壓氣機和渦輪的工作原理不同，但是分析兩者的工作過程和流動特點所采用的基本方法是一致的，相應的知識點也是相通的。從兩部分內容的對比來看，渦輪部分的內容相對比較簡單，另外壓氣機部分的內容涉及的內容更廣，所以軸流壓氣機部分的內容是本課程的重點。在軸流壓氣機部分又包括了以下的內容：基本方程和熱力學圖示、基元級的工作原理、壓氣機中的三維流計算概述、徑向平衡方程、等環量/等反力度/通用分布規律、級的流動損失、多級軸流壓氣機的氣動設計概要、壓氣機的特性與調節等等。由于本課程是本科學生的專業基礎課，所講授的內容一定要控制在學生能接受的范圍內，所以一些基本的方程和方法必然是講授的重點，也是考核的重點；而相對復雜的一些內容如三維流計算、多級軸流壓氣機的氣動設計、壓氣機的特性與調節等方面的內容只需做一定地介紹，讓學生有所了解即可。

二、任務驅動、理論聯系實際

由于本課程是工科學生的專業課程，工程應用性較強，為了使得學生能很好地掌握所學的知識，并能靈活地運用所學的知識解決工程實際中的問題，就一定要讓學生在實踐中理解課堂上老師所講的知識，并掌握運用所學知識解決實際問題的能力。基于以上考慮，作者所在的課程組在講授本課程時，引入了任務驅動的教學方法，來提高課堂教學的效率。

基于構建主義理論發展的“任務驅動”教學方法[1]是一種理想的實踐教學方法，特別適用于注重實踐能力培養的工科專業課程。所謂“任務驅動”教學法就是指以學生為中心、以任務為驅動力的教學方式。具體來說就是教師根據當前教學主題設計并提出“任務”，針對提出的任務，采取演示或講解等方式，給出完成任務的思路、方法、操作提示及結果，然后引導學生邊學邊練，并完成相應的學習任務[2]。任務驅動教學方法符合探究式教學模式，適用于培養學生的創新能力和獨立分析問題、解決問題的能力[3]。任務是課堂教學的導火線，是問題提出的表現。通過創設的問題情境，把所要學習的內容巧妙地隱含在一個個任務主題中，使學生通過完成任務達到掌握所學知識的目的[4]。

根據實際講授的內容和知識點，本課程采用了兩種層次的任務來驅動學生的學習過程，分別是針對單一知識點的簡單任務和將多個知識點糅合在一起的綜合任務。

所謂簡單任務，即為完成一定數量的課后作業，以及查閱相關的文獻資料等。因為這門課程的內容非常豐富，但是課堂時間又是有限的，教師不可能把每個知識點都講得非常清楚，因此，可以在每堂課后讓學生完成一定量的簡單任務，幫助學生迅速地理解相應的知識點，并掌握利用這些知識點解決具體問題的方法，從而達到提高學生實踐能力的目的。

另一方面，因為本課程的知識點較多，學生即使把每個知識點都掌握了，也未必能在實際情況中靈活地運用所學的知識，這該怎么辦呢？所謂“實踐出真知”就給我們指明了方向，只有讓學生在實踐中運用所學的知識，他們才會真正地掌握這些知識。為此本課程組的老師為學生設計了一個綜合任務，該任務主要內容是在保證某臺九級壓氣機相應性能參數不變的情況下，在其前面增加“零級”壓氣機（見圖1），達到提高發動機性能的目的。該任務比較接近工程實際，看似簡單，實則其包含的內容很豐富，幾乎囊括了壓氣機部分的所有知識點，如相似準則、多級壓氣機的壓比和效率的計算方法、速度三角形以及壓氣機設計流程與方法等。在講授完壓氣機部分的內容后，讓學生完成這樣一個比較接近工程實際的綜合任務，可以使得將之前所學的各個看似獨立的知識點串起來，形成一條完整的知識鏈，從而真正地掌握所學的知識，并能在今后的工程實際中靈活地運用這些知識，解決更為復雜的工程問題。

另外，由于該綜合任務涉及的知識點較多，難度相對較大，所以允許3～4個學生組成一個小組共同完成這個任務。所以通過該綜合任務的實施，不僅可以讓學生盡快熟悉和掌握相應的知識點，還可以提高學生團隊協作的能力，真正體現了培養學生綜合素質的教學宗旨。

三、實驗演示、加深理解

由于本課程工程應用背景較強，只通過課堂上抽象地講解，很難讓學生真正了解所學對象的特點，也很難體會學習中的重點和難點。因此，本課程的教學過程要引入實驗教學環節。

該教學實驗的內容是低速軸流壓氣機性能測試。實驗在南京航空航天大學能源與動力學院的雙級低速軸流壓氣機試驗臺（圖2）上開展。該雙級低速壓氣機的外徑為900mm，設計轉速為1500rpm，壓氣機由一臺200KW的直流電機帶動，壓氣機的進口流量調節可以通過調節壓氣機下游管道中的電動蝶形閥門實現。

在實驗開始前，要讓學生做好充分地預習工作，明確實驗的目的和任務，了解實驗的基本過程，教師還應向學生詳細介紹試驗臺的組成、各部件的功能和作用，并介紹實驗過程中所需測量的參數以及這些參數的基本測量方法，讓學生對整個實驗過程有一個清晰地認識。實驗過程中通過調整閥門開度，緩慢調節壓氣機進口流量，在每個流量狀態下，測量并記錄壓氣機的進口的壁面靜壓、進出口總壓、以及壓氣機的轉速和扭矩等參數。指導學生通過這些參數計算出壓氣機的流量、壓比和效率，從而獲得壓氣機性能曲線。同時，在實驗過程監測壓氣機進出口的動態壓力信號，當進口流量減小到某個狀態時，壓氣機會進入失速狀態，此時，壓氣機進出口的動態壓力信號會表現出明顯的波動性，壓氣機的噪聲也會和正常工作時明顯不同。通過讓學生觀察動態壓力信號和噪聲的變化，可以讓學生壓氣機的失穩過程有更直觀的認識。

通過該教學實驗的開展，可以在較短的時間內，使學生對壓氣機的工作過程有更直觀、更全面的認識，對壓氣機的性能測量方法和過程以及壓氣機的失穩過程有更加深刻的認識，從而達到預期的教學效果。

四、結束語

專業課程教學過程中，完善的教學內容固然重要，但合理優化的教學方法更加重要。工科教學工作必須將理論教學、學術研究和應用實踐相結合。在教學過程中，教師必須深入剖析教書育人規律，扎扎實實地研究教學方法，并在實踐中借鑒、消化并創新，不斷摸索教學規律，才能不斷提高講學水平，提高課堂學生的課堂學習效率。

參考文獻：

[1]何克抗. 建構主義革新傳統教學的理論基礎（上）[J]. 電化教育研究， 1997， （2）：3-9.

[2]嚴春風. 任務驅動法在JSP教學中的探討[J]. 教育論叢， 2010， 141.

[3]吳蜀紅， 周群. 任務驅動法在信息檢索課中的運用[J]. 農業圖書情報學刊， 2009， 21（6）：115-117.

[4]張昌年， 劉曉剛， 李衛紅. 論高職高專的課堂教學改革[J]. 教育與職業， 2006（23）.