實物/模型在“鍋爐原理”課程教學中的實踐與探索

摘要：通過分析現階段“鍋爐原理”課程的教學特點發現，在教學中除了需要依靠教材、參考書以及課堂課件外，還應將復雜結構、非常見實物以及模型引入教學過程。教學實踐發現，不同階段引入不同的模型、實物，可以有效地提高教學效率，加深對相關知識點的印象，明顯改善教學效果，彌補現階段實習環節的不足之處。實踐表明，將實物/模型與引入教學相結合的方法，簡單易行，效果顯著。

關鍵詞：教學改革；實物/模型化教學；鍋爐原理

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0060-02

一、“鍋爐原理”課程的特點

按照我國的能源結構，未來幾十年內火力發電依然是我國各類發電的主力軍。鍋爐是火力發電的三大主機之一，對火力發電的安全、經濟運行起著至關重要的作用，同時鍋爐也是應用很廣泛的一種能源轉換設備，是能源與動力工程及其相關專業學生畢業后從事運行、調試、改進設計、實驗研究的主要對象。

“鍋爐原理”是能源與動力工程專業的主要專業課程之一，[1]通過本課程的學習，學生將掌握鍋爐工作的基本原理，并具有鍋爐安全、經濟運行的一般知識，同時獲得分析工程問題以及設計、計算和實驗的初步能力。“鍋爐原理”課程體系包括認識實習、課內講授、教學實驗、課程設計以及畢業實習等環節。現行的教學模式課內講授前2周認識實習，課內教學60學時，教學實驗4學時，課程設計2周，畢業實習2周。

“鍋爐原理”課程涉及基本原理、設備結構以及理論計算等，其突出特點是結構復雜、點多、面廣，早期的教學計劃課內學時數曾經達120學時，分兩個學期開設，學時較為充裕。近幾年培養計劃的調整要求體現“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質”的人才培養模式，“鍋爐原理”課程總學時數壓縮到64學時，內容繁多與學時緊張的矛盾日顯突出。尤其是以“抽象”“論述”為主教材編寫模式，使得大部分學生由于無法看到實物而難以引起學生的注意力和興趣，這已成為“鍋爐原理”課程教學中的難點。

二、實物/模型的教學實踐

大學教學論包括：教學在學校教育中的地位和作用、教學的目的任務、教學過程、教學原則、教學內容、教學方法手段、教學組織形式和教學效果的檢查與評價。[2]因此對教學內容、教學方法以及組織形式的研究是大學教學論的重要內容。

從心理學的角度，學習是一種相當復雜的活動過程。[3]學習者、學習過程和學習情景是學習活動中的三要素。現階段高校的學習主要屬于知識的學習，即對知識的感知、理解、保持和應用。從人的認識發展角度來看，“實物化”教學遵循“理性認識→感性認識→感性實踐→理性認識”的過程，符合人的識記規律。談華軍[4]將模型制作引入船舶零件的教學環節，收到了較好的效果。鑒于上述原因，“鍋爐原理”教學過程中應貫徹實物/模型化教學的指導思想。

1.鍋爐的整體結構

鍋爐設備由鍋爐本體和輔助設備構成，前者包括爐膛、汽包、過熱器、省煤器、空氣預熱器、爐墻和構架等，后者包括送風機、引風機、給水泵和煤粉制備設備等。其中，省煤器、汽包、下降管、水冷壁、過熱器等設備組成鍋爐的汽水系統，而燃燒器、爐膛、煙道及空氣預熱器等設備組成鍋爐的燃燒系統。由此可見，鍋爐設備體積龐大、系統復雜、工作條件各異，運行時涉及高溫蒸汽、高溫火焰、高溫煙氣、高溫空氣以及固體煤粉等的流動，在生產現場很難整體把握。

對于這種復雜的系統，在教學實踐中引入三維立體鍋爐模型，學生可以仔細觀察鍋爐模型的結構特征，清晰地建立鍋爐汽水系統、各個受熱面的相對位置、燃燒器的布置和煙風系統等概念，全面把握鍋爐的整體結構。

2.鍋爐受熱面的結構

受熱面是工質吸收熱量轉變為蒸汽或熱空氣的主要途徑，包括水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器和空氣預熱器。這些受熱面由于其作用和布置位置不同，在結構上有很大的差異。

水冷壁的作用是將未飽和水加熱到飽和汽水混合物。為了增強爐膛的氣密性、增加輻射受熱面積以防止管壁超溫、降低金屬耗量等，通常采用膜式水冷壁。圖2表示內螺紋管水冷壁的結構，采用這種水冷壁是為了強化工質在管內的擾動、推遲膜態沸騰以避免管壁超溫。在實際教學中發現，將這些模型引入課堂教學后，學生不僅直觀認識了膜式水冷壁和內螺紋管水冷壁的結構，而且直觀理解了膜式水冷壁中彎管、開孔的作用。

省煤器的作用是加熱給水以減小汽包的熱應力。為了適應燃用劣質燃料的要求，具有結構緊湊、金屬耗量低等特點的擴展受熱面省煤器在新機組鍋爐制造或舊鍋爐改造中逐漸應用。圖3為螺旋鰭片省煤器的結構示意圖，這種省煤器增加了傳熱面積和傳熱系數，提高了結構的緊湊性。但是繞制過程在內圓弧會形成等距的波紋皺褶。當氣流沿鰭片流動時，螺旋角引導氣流改變方向，這樣在省煤器管子根部煙氣局部煙速劇增，且氣流沖刷后在波紋皺褶突出位置磨損加劇，形成坑點甚至泄露。可以設想，如果沒有這種省煤器的實物結構，學生很難理解由于煙氣流動方向改變所引起的煙氣流動方向的改變、磨損等問題。

空氣預熱器的作用則是加熱空氣以強化燃料著火和燃燒。回轉式空氣預熱器由于結構緊湊、受熱面布置簡化、腐蝕的危險性小等特點在大型鍋爐中得到了廣泛應用。但是，由于其結構復雜，在講授這種空氣預熱器工作原理時遇到很多問題，比如煙氣的走向、空氣的流程等。在教學過程中，通過空氣預熱器的實物結構），充分展示回轉式空氣預熱器的換熱過程，使得學生對該受熱面兩種介質之間的相對位置、相互關系一目了然。

3.鍋爐爐膛的結渣

燃料是鍋爐輸入能量的載體，輸入鍋爐的燃料形態包括氣、液、固態等。現在的學生僅有煤種的抽象概念，幾乎沒有煙煤、無煙煤、褐煤以及劣質燃料煤矸石的直觀認識。另外，對于在爐膛內燃燒的高溫狀態下，工況異常時熔融或半熔融狀態的灰分會在管子表面結渣的現象無法想象。對于“自惡化”的結渣會造成表面溫度升高、結渣層增厚，甚至形成很大的焦塊，進而對鍋爐安全和經濟運行的影響更無法理解。

為了解決在教學中遇到的問題，在教學中引入從現場收集的煙煤、無煙煤、褐煤以及煤矸石等實物樣品，飛灰、灰渣以及燃燒異常時的結焦塊、結渣塊，圖5為煤粉爐和循環流化床鍋爐結焦的實物。通過直接觀察，學生對難以用語言描述的鍋爐爐膛的結渣產生了直觀、深刻的印象。同時，通過該環節還可以形象地告訴學生，在從事鍋爐運行工作的過程中避免鍋爐結渣的必要性和重要性。

4.高溫腐蝕

高溫腐蝕是發生在高溫受熱面煙氣側金屬管壁的腐蝕現象，會使受熱面管壁變薄，強度降低，壽命縮短，嚴重時將造成爆管事故，甚至被迫停爐。在教學過程中，通過實物展示高溫腐蝕對管壁造成的危害（見圖6），一方面可以對高溫腐蝕后果產生直接的感受，另一方面可以強化學生安全運行的意識。

三、實物/模型的教學效果

因為人類認識事物，直接的觀察對象是最快速的一種方式，通過符號圖形描述認識事物的過程就比較復雜，而借助于文字則效率最低。實物、模型等輔助教學手段多用于中學階段的教學過程，如姜宇[5]在生物教學中引入直觀教具，幫助學生很好地完成從形象到抽象的過程；喬萌[6]則在立體幾何的教學中引入實物教具有力地培養了學生的空間想象能力，解決了空間思維上的學習障礙。

隨著大學教學方式的改變，人們往往忽略了高等教育中實物/模型化教學手段的作用。筆者在“鍋爐原理”教學過程中認識到，盡管現在多媒體教學是一種重要的手段，但是實物和模型的作用仍是不可替代的。首先，對于預定的學習目標需要考慮是否需要使用實物和模型，使用哪種或哪幾種實物和模型。其次，不同實物/模型儲存信息的直觀程度不同。作為教師，應該在了解各種實物/模型的特征和作用的前提下，決定使用哪些實物和模型，并注意實物和模型的互補優勢，不能用現代化教學媒體完全取代傳統實物和模型。例如在講授鍋爐結構時，通常先展示各個部件的實物，使得學生具有具體和真實的印象，然后采用放大的立體模型演示其結構布局，讓學生全面把握鍋爐的整體結構。通過將實物/模型引入到“鍋爐原理”課程教學，將融知識性和趣味性于一體，對于學生視覺的刺激要強烈得多。學生們看見實物后印象較深，能豐富學生的感性知識，而通過模型的觀察，可以有效地培養學生的空間想象力、觀察能力和思維能力，對大型設備的整體把握比較完整，比文字、圖片以及視頻的效果都要好。這種教學方式激發了學生學習專業知識的熱情，鞏固和加深了對“鍋爐原理”知識的理解。對太原理工大學已經畢業的熱能與動力工程專業2008級和2009級學生進行追蹤調查發現，“鍋爐原理”采用的實物/模型化教學為他們快速適應工作崗位奠定了良好的基礎。熱能與動力工程專業即將畢業的2010級學生有的繼續攻讀碩士學位，有的將奔赴自已的工作崗位。調查分析發現，無論是研究生復試還是就業面試，學生由于得益于實物/模型教學方法，對鍋爐相關知識的考題從容自如，安之若素。

四、結束語

“鍋爐原理”作為熱能與動力工程專業的傳統專業課，在新的條件下，除了要賦予新的內容外，還有必要在教學方式上進行改進，只有這樣學生才能更好地掌握課程規定的內容，并很快轉化到生產實踐中。實踐證明，在“鍋爐原理”教學過程中將實物/模型與引入教學相結合的方法，簡單易行，效果顯著。

參考文獻：

[1]丁立新.電廠鍋爐原理[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]王殿璋.大學教學論[M].北京：北京師范大學出版社，1991.

[3]吳育桂.心理科學概論[M].北京：北京師范大學出版社，1991.

[4]談華軍.淺談模型制作在實踐教學中的作用[J].廣東科技，

2011，（22）：27.

[5]姜宇.淺談直觀教具在生物教學中的使用[J].職業教育，2011，

（11）：132.

[6]喬萌.實物教具在立體幾何教學中的作用[J].現代教育，2012，

（16）：62-63.

（責任編輯：孫晴）