流體動(dòng)密封課程體系改革探索與實(shí)踐

張偉政　翟霄　俞樹榮　丁雪興

【摘 要】針對(duì)過程裝備與控制工程專業(yè)國家級(jí)特色專業(yè)建設(shè)及卓越工程師人才培養(yǎng)的要求，分析了流體動(dòng)密封課程體系在實(shí)際中存在的問題，提出流體動(dòng)密封課程教學(xué)體系改革的思路與措施，并進(jìn)行了探索與實(shí)踐，全面提高學(xué)生的工程實(shí)際應(yīng)用能力，增強(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)。

【關(guān)鍵詞】密封；課程體系；項(xiàng)目教學(xué)法；改革；實(shí)踐

在化工企業(yè)中，“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，究其原因是泄露。流體密封是流體機(jī)械、工藝設(shè)備、液壓設(shè)備、管道和閥門等的重要組成部分，密封件雖然不大，但往往能決定機(jī)器設(shè)備的安全性、可靠性和耐久性。尤其在化工機(jī)械設(shè)備上，密封裝置是其不可缺少的組成部分。為了使機(jī)械、設(shè)備能更安全更可靠地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須重視發(fā)展密封技術(shù)和培養(yǎng)掌握密封技術(shù)的工程技術(shù)人才。結(jié)合我校過程裝備與控制工程國家級(jí)特色專業(yè)的建設(shè)、卓越工程師的培養(yǎng)試點(diǎn)的需要，以及企業(yè)對(duì)密封人才的全方位素質(zhì)的需求，對(duì)流體動(dòng)密封課程進(jìn)行一系列的改革探索與實(shí)踐。

流體密封是一門涉及多學(xué)科的邊緣性的工程技術(shù)學(xué)科，涉及許多學(xué)科知識(shí)，包括流體力學(xué)、固體力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、材料學(xué)等。過程裝備密封技術(shù)屬于過程裝備與控制工程專業(yè)的專業(yè)課，是構(gòu)建本專業(yè)特色方向的重要專業(yè)課之一。理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握流體密封的基本機(jī)理，主要密封裝置的基本結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)，以及典型密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力，為學(xué)生畢業(yè)后從事相關(guān)工作打下必要的基礎(chǔ)。

一、存在的問題

隨著專業(yè)口徑的拓寬、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的要求和社會(huì)需求的變化，原有的課程教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計(jì)存在許多不足：

1.理論課程內(nèi)容多學(xué)時(shí)少，特色體現(xiàn)不足缺乏前沿性；教學(xué)方法、教學(xué)形式相對(duì)單一；實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱等

密封是一門多學(xué)科交叉性邊緣學(xué)科，涉及的學(xué)科領(lǐng)域非常廣，以機(jī)械密封或浮環(huán)密封為例，要解決這些密封問題，就要考慮定子和轉(zhuǎn)子元件由于受力和溫度作用產(chǎn)生的變形以及振動(dòng)、磨損對(duì)流體膜的流體動(dòng)力特性的影響，也就是說要從流體動(dòng)力學(xué)、彈性理論、傳熱學(xué)、摩擦學(xué)和振動(dòng)理論等方面去研究分析密封的問題。而專業(yè)課課時(shí)一般是32學(xué)時(shí)，要在這么短的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生熟悉和掌握密封的基本理論，以及墊片密封、填料密封、機(jī)械密封、非接觸式密封等典型結(jié)構(gòu)的選型和設(shè)計(jì)計(jì)算，還是有一定難度的。

目前流體密封技術(shù)課程教學(xué)還是采用“教師講，學(xué)生聽”被動(dòng)的教學(xué)模式，把教師掌握的現(xiàn)成知識(shí)和技能傳遞給學(xué)生，讓學(xué)生按照教師的安排和講授去得到一個(gè)結(jié)果。這種比較單一的教學(xué)方式存在許多不足的地方，比如學(xué)生接受的信息量有限；只能按照教師的安排和講授完成部分內(nèi)容，而沒有鍛煉獨(dú)立解決實(shí)際問題；學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，對(duì)課程內(nèi)容死記硬背以應(yīng)付考試，自學(xué)內(nèi)容和課堂討論少；教學(xué)內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合不足，不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性；達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)目的等。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是保證本課程教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)，是理論聯(lián)系實(shí)踐的橋梁。本課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：墊片密封比壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)；閥門填料密封裝置拆裝實(shí)驗(yàn)；機(jī)械密封裝置拆裝實(shí)驗(yàn)；機(jī)械密封過程模擬實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)都是穿插在教學(xué)過程中進(jìn)行的，大多是演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，加上實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少，學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì)不多。而且每個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及的僅是獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握僅停留在這幾個(gè)孤立的知識(shí)點(diǎn)上，限制了學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力和創(chuàng)造性思維能力。

2.密封畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)中設(shè)計(jì)方法傳統(tǒng)；缺少相關(guān)軟件的訓(xùn)練以及密封產(chǎn)品實(shí)物，缺少實(shí)踐機(jī)會(huì)

密封畢業(yè)設(shè)計(jì)通常是根據(jù)已給定的工況和要求，參照或模仿傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式初選參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行工作性能計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果滿足要求則設(shè)計(jì)合格，反之則要不斷改進(jìn)參數(shù)甚至是形式，反復(fù)計(jì)算，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。然而，這種慣常采用的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)論，往往存在很多不足之處。現(xiàn)代科技不斷進(jìn)步，技術(shù)革新的日新月異，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比之下顯得過于陳舊，已經(jīng)無法達(dá)到現(xiàn)如今的設(shè)計(jì)要求；此外，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)結(jié)論簡單且大部分多為經(jīng)驗(yàn)公式，直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的模型密封性能較差，生產(chǎn)出的產(chǎn)品效率低，已經(jīng)跟不上企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的需要。鑒于此，應(yīng)用現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法刻不容緩。

在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中缺少相關(guān)軟件的訓(xùn)練，如CFD軟件、Maple計(jì)算軟件等。而密封企業(yè)需要熟悉掌握此類軟件的人才，若在校期間不訓(xùn)練，工作之后需要長時(shí)間熟悉此類軟件，降低了工作效率，增加了企業(yè)的成本。由于甘肅地區(qū)無干氣密封生產(chǎn)廠家，使得在本地區(qū)缺少畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)場所，設(shè)計(jì)過程中也無相應(yīng)的密封產(chǎn)品實(shí)物，使得設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的問題，如對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有不清楚的地方，需要花時(shí)間去琢磨，若有實(shí)物則可立即解決，在有限的畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間中，花費(fèi)了不少時(shí)間去熟悉結(jié)構(gòu)，對(duì)設(shè)計(jì)不利。

二、課程體系改革與實(shí)踐

針對(duì)以上存在的問題，對(duì)流體動(dòng)密封課程體系進(jìn)行了改革，體現(xiàn)在以下方面：

1.課程教學(xué)方面

（1）以課堂教學(xué)為載體，結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的目標(biāo)要求，更新課程內(nèi)容體系，改革教學(xué)內(nèi)容，修訂課程大綱。把握重點(diǎn)知識(shí)內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容的選擇體現(xiàn)基礎(chǔ)性與前沿性相結(jié)合、重視動(dòng)密封同時(shí)兼顧靜密封。根據(jù)當(dāng)前的形勢(shì)，注意收集用人單位的意見和建議，了解企業(yè)對(duì)本課程教學(xué)內(nèi)容的需要，強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性和應(yīng)用性。在教學(xué)內(nèi)容安排上，適當(dāng)增加與密封技術(shù)發(fā)展相關(guān)的知識(shí)，及時(shí)傳授新知識(shí)，增加反映當(dāng)前科技發(fā)展成果的內(nèi)容尤其是授課教師特色科研方向新型動(dòng)密封干氣密封內(nèi)容，形成本課程新的教學(xué)內(nèi)容體系，在新版的培養(yǎng)大綱中已體現(xiàn)。

（2）改革教學(xué)方法、形式，運(yùn)用項(xiàng)目教學(xué)理念，探索建立“研中學(xué)”、“做中學(xué)”的教學(xué)模式。改變單一、呆板的教學(xué)方法、形式。在課程教學(xué)中以項(xiàng)目問題為導(dǎo)向，采取大作業(yè)、專題研究報(bào)告、文獻(xiàn)綜述報(bào)告、研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告等多種載體相結(jié)合的教學(xué)方式，增加學(xué)生的參與機(jī)會(huì)，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；授課內(nèi)容產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，教師將自己在科學(xué)研究項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)與成果融入教學(xué)。通過工程實(shí)踐應(yīng)用的實(shí)例豐富教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)課程的基本理論知識(shí)與工程實(shí)踐之間的內(nèi)在聯(lián)系。培養(yǎng)學(xué)生從工程全局出發(fā)，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)、各種技術(shù)和現(xiàn)代工程工具解決工程實(shí)際問題的綜合素質(zhì)。例如，在講解非接觸式密封時(shí)，可結(jié)合項(xiàng)目組已結(jié)題、在研的多項(xiàng)干氣密封國家自然基金項(xiàng)目、教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目等，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考問題并尋找解決辦法。學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐過程中，理解和把握課程要求的知識(shí)和技能，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。通過這樣的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的教育教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生工程意識(shí)、工程素質(zhì)和工程能力的學(xué)習(xí)和鍛煉，培養(yǎng)具有“卓越工程師”高素質(zhì)的專業(yè)人才。同時(shí)改進(jìn)教學(xué)手段，在制作和完善課件時(shí)，針對(duì)性的準(zhǔn)備一些與課程有關(guān)的錄像或仿真動(dòng)畫，并結(jié)合密封產(chǎn)品開展現(xiàn)場教學(xué)，對(duì)于所謂晦澀難懂的內(nèi)容變得輕松、愉快、順暢的接受，同樣也收到事半功倍的效果。

（3）加強(qiáng)與完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)。將演示型實(shí)驗(yàn)改成設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及課堂講授的內(nèi)容，獨(dú)立制定實(shí)驗(yàn)方案，然后與實(shí)驗(yàn)教師溝通，給予學(xué)生更多的動(dòng)手機(jī)會(huì)。涉及到的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備由學(xué)生自己操作，老師起輔助作用，其實(shí)驗(yàn)成績由現(xiàn)場操作成績與實(shí)驗(yàn)報(bào)告相結(jié)合給出。打破老師操作講解學(xué)生被動(dòng)觀看的模式，給學(xué)生充分的自由和主動(dòng)權(quán)，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的主動(dòng)性，鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神。

2.畢業(yè)設(shè)計(jì)方面

畢業(yè)設(shè)計(jì)中，突破以往的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，將科研的思想應(yīng)用到密封畢業(yè)設(shè)計(jì)中來。在畢業(yè)設(shè)計(jì)選題方面，專門增加了干氣密封設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用現(xiàn)代的優(yōu)化密封設(shè)計(jì)方法，針對(duì)槽型參數(shù)，建立合理的多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化函數(shù)，并應(yīng)用軟件Maple進(jìn)行近似求解，獲得設(shè)計(jì)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的最佳的槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)。進(jìn)一步以此槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后應(yīng)用 CFD軟件進(jìn)行密封性能校核。此舉大大加快了畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度，提高了效率，并且又訓(xùn)練了相關(guān)軟件，可謂一舉多得，對(duì)以后進(jìn)行密封設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

針對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中無相應(yīng)的密封產(chǎn)品實(shí)物，兩種方式相結(jié)合可以解決。一是將科研所設(shè)計(jì)的密封樣機(jī)直接用于畢業(yè)設(shè)計(jì)，增加了學(xué)生拆裝實(shí)踐的機(jī)會(huì)，在11年的畢設(shè)中已應(yīng)用，效果良好，解決了甘肅地區(qū)無干氣密封廠家實(shí)習(xí)的短板。二是讓學(xué)生去產(chǎn)學(xué)研合作單位進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí)及設(shè)計(jì)，在今年的畢業(yè)設(shè)計(jì)中已實(shí)現(xiàn)。

通過對(duì)流體動(dòng)密封課程體系存在的問題的分析，進(jìn)一步提出了課程體系改革的思路與措施，并進(jìn)行了積極地探索與實(shí)踐，全面提高學(xué)生的工程實(shí)際應(yīng)用能力，增強(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)，取得了較好的效果，為培養(yǎng)合格的高素質(zhì)工程人才做出了積極的貢獻(xiàn)。

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