過程裝備與控制工程專業(yè)力學課程教學研究與實踐

摘要：隨著過程裝備的精密化大型化發(fā)展趨勢，社會對過程裝備開發(fā)設計人才需求越來越大，力學課程在過程裝備與控制工程專業(yè)教學中作用日益凸顯。分析了力學課程在專業(yè)建設中的地位，結合教學實踐，分析了課程教學中存在的問題，對課程體系進行了優(yōu)化，避免課程內容的重復教學。進行了課堂教學方法的探索，并列舉了具體的教學實例，提高了課程的教學效果。

關鍵詞：過程裝備與控制工程；力學課程；內容優(yōu)化；教學方法

作者簡介：孫銅生（1981-），男，安徽天長人，安徽工程大學機械與汽車工程學院，副教授。（安徽#8194;蕪湖#8194;241000）

基金項目：本文系安徽工程大學教學研究項目“過程裝備與控制工程專業(yè)力學基礎課程教學研究與探索”（項目編號：2011xjy32）的研究成果。

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）14-0110-02

我國的過程裝備與控制工程專業(yè)始建于20世紀50年代，前身為化工設備與機械專業(yè)，由于其應用于加工制造流程性材料產品即過程工業(yè)中，且隨著自動控制技術在化工機械中得到越來越廣泛的應用，1998年經過教育部批準更名為過程裝備與控制工程。該專業(yè)目標是培養(yǎng)從事過程裝備與控制工程領域的工程設計、安裝、檢修與科研的應用型高級專門人才，專業(yè)基礎課及專業(yè)主干課主要有：理論力學、材料力學、機械設計、機械原理、電工技術、電子技術、工程流體力學、工程熱力學、化工原理、流體機械、化工設備設計、化工容器設計、過程裝備控制技術、過程裝備制造與檢測、控制工程基礎等，可見力學類課程在專業(yè)學習中起著重要的作用。

一、力學課程在過程裝備與控制工程專業(yè)中的地位

過程裝備根據(jù)制造方法不同可分為兩類：一類以焊接為主要的制造手段，如塔器、換熱器、鍋爐等，稱為過程設備；另一類以機械加工為主要的制造手段，如壓縮機、離心機、泵等，稱為過程機器。[1]過程設備一般都承受高溫、高壓，承壓部件的設計與制造是過程設備的關鍵問題，故過程設備又是壓力容器，壓力容器又分為低壓容器（0.1MPa≤p＜1.6MPa）、中壓容器（1.6MPa≤p＜10MPa）、高壓容器（10MPa≤p＜100MPa）、超高壓容器（p≥100MPa）。為了過程裝備能夠正常工作，需要其具有一定強度、剛度及穩(wěn)定性，如果裝備的結構設計不合理或選材不當，就不能保證裝備的正常及安全運行，同時還要滿足經濟性要求，這就對理論力學及材料力學提出了更高的要求。過程裝備中既有以流體能量為原動力的動力機械如蒸汽輪機、內燃機等，又有以流體作為工作介質的工作機械比如泵、各種塔器、換熱器、壓縮機等，這些過程裝備都是以流體靜力學、運動學及動力學為基礎的，故工程流體力學對過程裝備的設計尤為重要。過程裝備的主要目的是為了獲得產品，從原材料到產品要經歷一系列物理的或化學的反應，這些反應伴隨著能量的轉換，特別是熱能與機械能的轉換，而工程熱力學的研究內容就是能量的轉換規(guī)律、提高能量轉化效率的途徑及能源利用的經濟性，故工程熱力學是過程裝備與控制工程專業(yè)的一門基礎性課程。可見，力學類課程可為學生學習專業(yè)知識和從事本專業(yè)的科研、生產工作奠定必備的理論基礎。

二、力學課程教學問題及內容優(yōu)化

1.課程存在的問題

通過對開設過程裝備與控制工程專業(yè)的部分院校走訪及對各力學教材的分析，發(fā)現(xiàn)目前專業(yè)力學課程存在的主要問題有：

（1）基礎課程和專業(yè)課程的銜接不好。比如在工程流體力學里講述了流體動力學方程式及管中流動等，而在流體機械中這些基礎知識重復出現(xiàn)；工程熱力學中的壓氣機熱力過程及制冷循環(huán)在流體機械中也有重復；理論力學中的摩擦在機械設計中也有相關內容，材料力學中的平板彎曲分析理論與過程設備設計中有關內容重復等；工程流體力學中的流體靜力學基本方程式、流體在管中流體的連續(xù)方程式和能量方程式、流體粘性和牛頓定律、層流及湍流、流體流動的沿程阻力及局部阻力等內容均在化工原理中出現(xiàn)。

（2）力學課程之間也存在內容交叉。比如工程流體力學和工程熱力學中都有關于氣體和蒸汽的流動、定熵和絕熱氣流的基本方程式的章節(jié)，工程流體力學中的流體狀態(tài)參數(shù)和工程熱力學的工質狀態(tài)參數(shù)內容重復；理論力學中的動量矩定理在工程流體力學中重復出現(xiàn)。

綜上可見，目前力學基礎課停留于教學計劃中的自身建設，課程規(guī)劃缺乏有機協(xié)調，課程結構需要進一步優(yōu)化，避免重復建設和教學資源的浪費。

2.課程內容優(yōu)化

由于理論力學是學習材料力學的基礎，可將將理論力學和材料力學合并為工程力學，工程流體力學及工程熱力學單獨開設，將專業(yè)課中所需要的理論知識全部歸并到力學課程中進行講解，力學課程中的交叉內容按照先上課程先安排的規(guī)則進行調整，優(yōu)化后的主要教學內容有：

（1）工程力學。[2]平面匯交力系；平面力偶系；平面一般力系；空間力系；點的運動及合成運動；鋼體的基本運動和平面運動；質點的運動微分方程；剛體轉動的微分方程；質點及質點系的動能定理；剛體的慣性力系；動量定理與動量矩定理；虛位移法；軸向拉伸與壓縮；剪切的計算；圓軸的扭轉；梁的彎曲內力、彎曲應力及彎曲變形的計算；第一、二、三、四強度理論；組合變形及強度計算；壓桿穩(wěn)定性計算。

（2）工程流體力學。[3]流體的基本參數(shù)及粘性；流體平衡的微分方程式；重力場中的流體平衡及流體的相對平衡；流體靜壓強的計算與測量；流體運動的連續(xù)方程式；流體運動的微分方程式；伯努利方程式；層流及湍流；管路的沿程阻力及局部阻力計算；薄壁孔出口流；厚壁孔出口流；平面縫隙流體；環(huán)形縫隙流動。

（3）工程熱力學。[4]熱力系統(tǒng)與熱力學狀態(tài)；功和熱的概念；熱力學第一定律；開口和閉口系統(tǒng)能量方程式；氣體和蒸汽的比熱容、熱力學能、焓和熵；氣體和蒸汽的基本熱力過程；熱力學第二定律；卡諾循環(huán)與卡諾定理；孤立系統(tǒng)熵增原理；壓氣機的熱力過程；制冷循環(huán)；氣體動力循環(huán)；蒸汽動力裝置循環(huán)；實際氣體性質及熱力學表達式。

三、力學課程教學方法探索

1.理解記憶教學法

教學中發(fā)現(xiàn)學生學習過程中存在以下兩個問題：

（1）部分同學覺得力學課程太難，書上隨便哪一頁都可以看到公式，一本書學下來接觸的公式基本上都在幾百個，便放棄了課程學習。

（2）部分同學認為既然力學就是公式的組合，那么平時上課不需要聽講，考試前把公式背一遍就可以了。其實這兩種態(tài)度都是不可取的，力學課的公式雖多，但大多數(shù)公式都是基于一些基本的定理推導來的，只要理解這些定理的實質就能靈活應用，大多數(shù)的公式都可以通過簡單的推理得來，所以在教學中要特別注意基本定理的講解。比如工程熱力學課程內容基本是建立在熱力學第一定律和第二定律的基礎上，在進行熱力學第一定律講解時，首先應從能量守恒原理講起，能量不生不滅，熱力系統(tǒng)存儲能量的增量等于進入系統(tǒng)能量與離開系統(tǒng)能量的差值，而熱力系統(tǒng)又分為開口系統(tǒng)和閉口系統(tǒng)，因此第一定律表達式有兩種形式，難點在于開口系統(tǒng)表達式的推導，只要逐次分析進入系統(tǒng)的能量的組成、離開系統(tǒng)的能量組成及系統(tǒng)儲存能量組成并用表達式表示，那么開口系統(tǒng)能量表達式就不難理解了。再如，工程力學中講解如何提高梁抗彎能力的措施時，結合梁彎曲時的正應力強度條件。因此，不難理解如下措施：第一，選用合理的截面：由正應力強度條件可知，梁的抗彎能力還取決于抗彎截面系數(shù)。而材料的重量又取決于梁的截面積，因此可把抗彎截面系數(shù)除梁截面積作為一個衡量指標，以達到既提高強度，又節(jié)省材料的目的。第二，采用變截面梁：從正應力強度條件可以看出，橫力彎曲時，梁的彎矩是隨截面位置而變化的，位置不同彎矩的大小不同，在某個截面處彎矩最大，若設計成等截面的梁，只有最大彎矩所在截面處正應力達到許用應力值，材料強度得不到充分發(fā)揮。為了減少材料消耗、減輕重量，可把梁制成截面隨截面位置變化的變截面梁。第三，適當布置載荷和支座位置：從正應力強度條件可以看出，在抗彎截面模量不變的情況下，最大彎矩越小，梁的承載能力越高，應合理地安排梁的支承及加載方式以降低最大彎矩值。

2.工程實踐教學法

力學課程主要任務在于：通過對課程的學習，可提高學生力學基礎理論水平，培養(yǎng)學生分析和處理問題的抽象能力和邏輯思維能力，為學生從事過程裝備本專業(yè)的設計工作奠定必備的理論基礎，同時可訓練學生在實際工程中的理論聯(lián)系實際的能力。因此在力學課程講解過程中，要注重將力學知識和工程實例結合起來進行講解。[5，6]一方面可以加深同學們對課程的認識，訓練并提高從事設備設計工作的實踐能力；另一方面可激發(fā)同學們的學習興趣，從枯燥的公式推理中解脫出來，提高學習效率。例如，在進行逆向卡諾循環(huán)講解時，逆向卡諾循環(huán)又分為制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)，通過理解記憶教學法推出制冷系數(shù)和供暖系數(shù)分別為：

（1）

（2）

這里，q1為工質向高溫熱源的放熱量，q2為工質從低溫熱源的吸熱量，T1為高溫熱源溫度，T2為低溫熱源溫度。這四個參數(shù)在理解時往往會混淆，為什么會從低溫熱源吸熱向高溫熱源放熱？為什么在同一個循環(huán)下會有制冷和供暖兩種效應？為什么制冷系數(shù)用從低溫熱源的吸熱量除循環(huán)凈功而供暖系數(shù)卻用向高溫熱源的放熱量除循環(huán)凈功呢？這里就可以引入空調的實例，夏天時把模式調到制冷上，空調就會吹出涼風，冬天時把模式調到供暖時，空調就會吹出暖風。夏天，室外比室內溫度高，室外就是高溫熱源，室內是低溫熱源，制冷的原因就在于把室內（低溫熱源）的熱量排向室外（高溫熱源），這就實現(xiàn)了從低溫熱源吸熱向高溫熱源放熱，同時室內制冷效果就在于從室內吸收的熱量的多少，因此制冷系數(shù)把q2作為分子。冬天，室內比室外的溫度高，室外就是低溫熱源，室內是高溫熱源，供暖的原因在于把室外（低溫熱源）的熱量排向了室內（低溫熱源），同樣實現(xiàn)了從低溫熱源吸熱向高溫熱源放熱，室內供暖的效果在于從室外吸收的熱量的多少，所以供暖系數(shù)把q1作為分子。

3.知識串聯(lián)教學法

過程裝備的設計過程中往往需要把所學力學課程的知識進行綜合，在一門力學授課課程中不能與其他力學課程獨立，要注意將力學課程知識進行銜接，使同學們對力學課程形成一個整體思維，以便在今后能靈活應用并有機結合力學基本原理來解決工程實際問題。

例如，在工程流體力學中講解流體靜壓強的方向性時，可將其與工程力學中的空間匯交力系知識進行串聯(lián)，先分別把作用在微元四面體上的力向三個坐標方向進行投影，寫出表面力方程為：

（3）

而微元體上的質量力為：

（4）

再根據(jù)空間匯交力系的平衡方程，表面力和質量力的合力在三個坐標方向的投影都為零，從而可得出在三個坐標方向的壓強相等，也即流體靜壓強無方向性的結論。

四、結束語

力學課程在過程裝備與控制工程專業(yè)建設中要引起足夠重視，教學內容優(yōu)化可避免重復教學，使學生在有限的課堂中能學習更多的專業(yè)知識，在教學過程中要不斷探索教學方法，提高教學效果，營造良好的教學氣氛，全面提高學生的綜合素質。

參考文獻：

[1]鄒廣華，劉強.過程裝備制造與檢測[M].北京:化學工業(yè)出版社，

2012.

[2]北京科技大學，東北大學.工程力學[M].北京:高等教育出版社，2010.

[3]張也影.流體力學[M].北京:高等教育出版社，2005.

[4]沈維道，童鈞耕.工程熱力學[M].北京:高等教育出版社，2010.

[5]聶永芳，張素君，曹軍.突破傳統(tǒng)教學模式深化工程力學課程改革[J].力學與實踐，2010，(32):98-99.

[6]吳吁生，邢改蘭.工程熱力學課程教學改革[J].化工高等教育，

2007，(5):18-20.

（責任編輯：王意琴）