過程設備設計課程實踐性教學方法的改革與探索

俞建峰，崔政偉，王東祥，陳海英，衛靈君，楊新俊

(江南大學 a.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室；b.機械工程學院, 江蘇 無錫 214122)

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過程設備設計課程實踐性教學方法的改革與探索

俞建峰a,b，崔政偉a,b，王東祥a,b，陳海英a,b，衛靈君a,b，楊新俊a,b

(江南大學 a.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室；b.機械工程學院, 江蘇 無錫 214122)

提高實踐能力是工程教育的基本要求之一。以過程設備設計課程為例，分析了課程的設置目的，探索了基于卓越課程的實踐性教學方法，從課程教學、課程實驗、課程設計、教學實踐、科研實踐、軟件仿真等方面進行了改革。本實踐性教學方法取得了良好的教學效果。

工程實踐；過程設備設計；教學方法；實踐性教學

學習能力、實踐能力和創新能力是當代大學生必須具備的三種能力。工科學生尤其要重視實踐能力的培養。在人才培養體系中，課程是完成理論教學，提升教育質量的最基本而又最重要的載體。本文以過程裝備與控制工程專業的核心專業課程過程設備設計為例，探索并實施實踐性教學方法，以提高過程裝備與控制工程專業本科學生實踐能力為導向，提升過程裝備專業學生的過程設備設計能力。

1　過程設備設計課程設置目的

過程設備設計課程是從事食品、醫藥、化工、環保等設備設計的重要理論基礎。在食品、醫藥、化工、環保等生產過程中，各種壓力容器、常壓容器是生產過程中不可缺少、非常重要的一類設備[1]。通過本課程的學習，主要目的是使學生熟練掌握各種中、低壓容器的設計計算方法，材料選擇及典型設備的結構設計與計算等知識。本課程主要講解壓力容器設計的基礎理論知識，以及典型化工設備的設計計算和結構設計等，包括：旋轉薄殼理論、內壓容器設計、外壓容器設計、平板理論、通用零部件設計、現代壓力容器設計中的若干問題、換熱設備設計、塔設備設計、生化反應設備設計、內壓容器薄膜應力測試、外壓容器失穩試驗。通過本門課程的學習，要求學生掌握過程設備的基本理論、基本結構和設計方法[2]。學生完成課程學習后，能夠將所學的一些專業基礎知識有機地結合起來，運用本課程的知識進行融會貫通，有能力對化工、食品、生化設備等進行綜合設計和制造，為今后從事工程技術工作打下必要的基礎。

2　課程改革措施

2.1擴大課程內涵和外延

本課程在2014年被江南大學列入卓越課程建設項目。依托我校卓越課程平臺，按照卓越課程建設目標，在教學理念中實現三個轉變：變被動學習為主動學習，變灌輸式教育為啟發式教育，變單純書本教育為素質教育、創新人才教育。要實現教學理念的轉變，實踐教學活動將起著至為關鍵的作用。壓力容器設計的基礎是板殼理論，理論推導比較深奧，單元過程設備與食品加工過程、化學工程等行業緊密關聯，課程涉及的知識面廣而深。通過實驗和工廠實踐可以把抽象變具體，在實踐中理解提升理論知識，提高結構的理解和設計水平。通過理論學習-實踐(包括課程設計、實驗、創新設計，下廠實習)-理論的循環，達到理論學習-掌握應用-創新提高的目的。

其一，課堂教學：采用多媒體上課。本專業每年招生60人左右，分成2個班級小班上課，課外指導老師隨堂聽課。由于本課程理論性強，涉及彈性力學、彈塑性力學，課程內容枯燥乏味，傳統的“灌輸式”理論教學方式不受學生歡迎。為此，在教學內容上，采用案例式教學、基于工程項目的教學；在教學方式上，采用多元化教學方式，有意識地翻轉課堂，以學生為中心，引導學生主動參與教學互動，開展課堂討論，形成探究式教學、專題式教學、比較式教學、研討式教學等多種教學模式[3]。

其二，課程內容更新：在課程更新方面，結合教學團隊在科研過程中所掌握的最新學科前沿知識，精心組織、豐富、調整和更新過程設備設計的課程內容，結合科研的轉化成果，提煉過程設備的典型案例，將過程設備的理論學習與工程學習緊密結合起來；新增案例庫、例題庫等；以典型工程案例為引子，結合過程裝備的理論知識，注重培養學生的自學能力和科學的思維方法，有力地促進了學生分析和解決工程問題的能力的培養。

其三，專題討論：在討論課環節，設置討論主題。我們設置了“壓力容器設計法規、標準與規范的國內外現狀”“內壓容器設計與計算方法”“外壓容器的受力類型與穩定性設計方法總結”“壓力容器零部件類型及設計總結”“分析設計法的有限元計算”“換熱設備種類、性能與設計”等討論主題，學生在課余提前查找文獻資料、形成討論報告，學生可以走上講臺，自己講解。專題討論效果良好，學生投入到課堂中，學習興趣明顯提高。

其四，形成課程群：在2016 級本科人才培養方案修訂工作中，我們參考了南京工業大學、華東理工大學、北京化工大學、常州大學過程設備設計課程群，設置了過程裝備有限元分析、過程節能技術與裝備、過程裝備成套技術、過程裝備腐蝕與防護、過程裝備制造與檢測等課程，共同組成過程設備設計的課程群，幫助學生形成過程設備的系統化知識體系。

其五，改變考核方式：理論學習占成績70%，實驗、工廠實習參觀占30%。理論考核為閉卷考試，實驗、工廠實習參觀成績以實驗報告、參觀報告為主要依據。要求完成一張一號圖紙幅面的總圖和一張拼成一號的主要的零部件圖，一份設計說明書。學生在結束時要經過設計的答辯。教師從計算的正確性、繪圖的正確性和完整性、圖面質量以及答辯等方面進行評分。

2.2強化課程實驗實踐

課程實驗是幫助深化學生專業知識的重要途徑[3]。近年來我校過程裝備專業已經擁有內壓容器薄膜應力測試、外壓容器失穩試驗、換熱器實驗系統等過程設備試驗設備。江南大學機械學院內的江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室、江蘇省實驗教學示范中心、江蘇省機械工程實踐教育中心面向學生開放，為過程裝備學生提供了一流的實驗和實習環境。

2.3抓好課程設計

通過開設課程設計[4]，全面綜合應用機械CAD、熱工學、傳熱與傳質、機械設計和過程設備設計等課程的知識，將理論和實踐結合起來，鍛煉學生的結構設計、強度計算、化工設備加工圖紙繪制的能力；熟悉并綜合運用各種有關的設計手冊、安全技術規范、標準和圖冊等設計資料。課程設計課題主要來源于科研項目、企業課題，校企結合，設置的課程設計主題為浮頭式換熱器設計、升膜式濃縮器設計。

2.4發揮教學實踐基地作用

精心組織本課程的教學實踐基地，無錫華光鍋爐股份有限公司、無錫布勒機械制造有限公司、中糧工程裝備(無錫)有限公司被遴選為本課程的教學實踐基地和生產實習基地。為拓寬學生視野，帶領學生到生產企業現場進行工廠現場教學。聘請工廠有經驗的技術人員為輔助教學人員，協助主講老師和實習帶隊老師現場教學。學生和工人一起參加一定時間的生產實踐。帶領學生赴企業進行現場聯合教學。帶隊老師補充講解過程設備設計理論知識，解答學生在現場教學中碰到的理論方面的疑難問題，企業老師講解過程設備設計中的實踐案例，解答學生的工程項目疑難問題。

2.5發揮科研實踐作用

課程十分注重與上下游銜接，通過結合本項目團隊承擔的國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、江蘇省產學研項目、江南大學重點科研項目，開展“降膜式冷卻器”“生化反應器放大原理與方法”的科研實踐。本課程項目在實施過程中，請多名學生參與其中，在完成了過程設備設計的課程學習之后，創新性地運用壓力容器的知識，教、學、研相互結合，學生的科研實踐成果參加了全國大學生過程裝備實踐與創新大賽。

3　軟件仿真實踐教學

3.1有限分析設計

傳統的手工計算設計出來的壓力容器的安全系數偏大，設計出的設備壁厚比較厚、重量重[5-6]。以JB4732為基礎，以彈性應力分析和塑性失效準則、彈塑性失效準則為基礎的有限元分析設計方法，能夠準確分析壓力容器的應力分布，增加了設備的可靠性，有利于節約成本和優化產品結構。我們指導學生應用ANSYS有限元分析軟件設計壓力容器，提高了學生的壓力容器分析設計能力。

3.2發酵罐設計程序開發

發酵設備是發酵工廠中最基本最重要的設備[7]。過程設備設計課程與生化發酵設備的開發緊密相關，教學團隊與江南大學生物工程學院聯合開發“發酵罐、懸浮操作攪拌罐設計程序”，增強學生過程設備設計實踐能力。通過程序設計，學生對發酵罐的筒體、封頭、開孔補強、熱交換計算、攪拌器設計有了更深刻的認識，為他們走出校門、走上工作崗位進行過程設備設計打下良好基礎。

4　結語

過程設備設計是理論性較強的一門課程，如何上好這門課程一直是過程裝備與控制專業教師的教學難點。作為江南大學的卓越課程，教學團隊在課堂教學、課程內容更新、專題討論、形成課程群、改變考核方式、強化課程實驗、課程設計、教學實踐基地建設、科研實踐、軟件仿真教學等環節進行探索，收到了良好的教學效果，學生的工程實踐能力得到提升，受到了學生的歡迎和好評。據初步統計，班上有50%以上的學生希望在相關學科包括化學工程、化工過程機械、工業自動化等專業繼續學習和深造。

[1] 王勇,偶國富.過程設備設計教學方法探討及對教材的建議[J].化工高等教育,2011(3):78-81.

[2] 錢才富,段成紅,于洪杰,等.重視教學效果，錘煉精品課程[J].化工高等教育,2006(2)：23-26.

[3] 楊興華,王吉岱,胡效東.過程設備設計課程教學改革的探索與實踐[J].化工高等教育，2009(4)：44-46.

[4] 趙杰,呂濤,張衛義,等.基于工程應用能力培養的過程設備設計課程改革與實踐[J].化工高等教育,2015(4)：34-36.

[5] 王海峰,董金善,周勇軍，等.數值模擬方法在過程設備設計教學中的探索和實踐[J].化工高等教育，2013(6)：85-88.

[6] 張彩麗.壓力容器的有限元分析及優化設計[J].陜西科技大學學報，2012(6)：93-96.

[7] 陳余.淺談發酵罐的選型設計[J].化學工程與裝備,2011(10)：86-89.

(責任校對朱正余)

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.10.001

20160501

2014年江南大學《過程設備設計》卓越課程建設項目；江南大學2015年本科教育教學改革重點項目(JG2015011)；江南大學教師卓越工程項目(JG2015134)

俞建峰(1974-)，男，江蘇宜興人，副教授，博士，主要從事食品加工裝備研究。

G642.0

A

1674-5884(2016)10-0055-03