流體機(jī)械類課程研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索與實(shí)踐

王 君， 孫卓輝

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580)

流體機(jī)械類課程研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索與實(shí)踐

王 君， 孫卓輝

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580)

流體機(jī)械具有種類多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和介質(zhì)高危等特點(diǎn)，流體機(jī)械類課程是工科院校的重要課程。分析了現(xiàn)有有關(guān)流體機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，提出設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法；根據(jù)所設(shè)定的綜合性實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生通過(guò)研究型學(xué)習(xí)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)過(guò)比較討論使之完善，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件確定最終可行的實(shí)驗(yàn)方案；搭建并組裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。結(jié)合3D打印、虛擬仿真、工作過(guò)程模擬，提出一種基于仿真模擬的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法；闡明了這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的實(shí)施步驟。介紹了對(duì)指導(dǎo)教師、實(shí)驗(yàn)室條件和管理方面的要求。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有助于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力。

研究型學(xué)習(xí)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法； 流體機(jī)械； 3D打?。?虛擬仿真； 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

0 引 言

流體機(jī)械種類繁多、原理各異、工況條件千差萬(wàn)別，包括：各種液體泵、氣體壓縮機(jī)、氣液混輸泵，如離心泵、往復(fù)壓縮機(jī)、雙螺桿混輸泵等，是石油化工生產(chǎn)過(guò)程中的不可或缺的重要設(shè)備，其功能是實(shí)現(xiàn)與流體之間的能量轉(zhuǎn)換，對(duì)流體進(jìn)行增壓輸送；其工作環(huán)境大多數(shù)情況是在高溫高壓下，且介質(zhì)易燃易爆，具有腐蝕性和高危險(xiǎn)性；同時(shí)其內(nèi)部工作過(guò)程具有不可視、不可及等特點(diǎn)。

有關(guān)流體機(jī)械方面的課程，如“過(guò)程流體機(jī)械”“泵與壓縮機(jī)”“泵與風(fēng)機(jī)”等，具有應(yīng)用性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)、內(nèi)容覆蓋面寬等特點(diǎn)[1-2]，覆蓋較多的專業(yè)，如：過(guò)程裝備與控制工程、油氣儲(chǔ)運(yùn)工程、熱能工程、石油工程等，是其核心專業(yè)課或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課；其培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生掌握多種流體機(jī)械的結(jié)構(gòu)形式、工作原理、性能特點(diǎn)和工程應(yīng)用；所培養(yǎng)的學(xué)生能夠從事各種類型流體機(jī)械的操作管理、使用選型、維修維護(hù)、設(shè)計(jì)改造和科研開發(fā)等方面的工作。不但要求學(xué)生掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且還要具有工程實(shí)踐意識(shí)、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力、新技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新能力；因此流體機(jī)械課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3-4]在學(xué)生培養(yǎng)中具有重要的作用。

流體機(jī)械類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容通常包括：往復(fù)壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)、離心泵性能和汽蝕實(shí)驗(yàn)、風(fēng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)等?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題有：①實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過(guò)于陳舊且固定不變，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容覆蓋面小，沒有包括其他類型的新型高效流體機(jī)械，無(wú)法迎合流體機(jī)械技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性；②實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式始終不變，教師向?qū)W生講解實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟和注意事項(xiàng)，學(xué)生按規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方法和步驟，被動(dòng)地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)[5-6]；學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)流程、裝置運(yùn)行特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備沒有深入的體會(huì)和理解；這種被動(dòng)式的學(xué)習(xí)，學(xué)生感到枯燥乏味，激發(fā)不了學(xué)生的興趣和創(chuàng)新欲望；③實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后，一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備只能對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；④實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只是最常用幾種流體機(jī)械的簡(jiǎn)單性能實(shí)驗(yàn)。⑤實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不好，沒有提供學(xué)生自己思考并處理問(wèn)題的機(jī)會(huì)，沒有提高學(xué)生的工程意識(shí)和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力；沒有達(dá)到加深學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，很多同學(xué)依舊不會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，不會(huì)分析問(wèn)題，甚至沒有深入理解流體機(jī)械的原理，不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性和綜合素質(zhì)。

針對(duì)存在的問(wèn)題，提出流體機(jī)械類課程研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法；包括：采用方案設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，用于選擇流體機(jī)械的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；采用基于三維(3D)造型、3D打印技術(shù)的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，用于新型流體機(jī)械關(guān)鍵零部件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)；采用基于虛擬仿真、數(shù)值模擬的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，用于流體機(jī)械的虛擬裝拆、工作過(guò)程模擬。從而提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性、鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力、牢固學(xué)生所學(xué)知識(shí)和提升學(xué)生科研素質(zhì)。同時(shí)分析了對(duì)教師要求，討論了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理[7-10]；對(duì)于提高流體機(jī)械類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有重要的意義。

1 流體機(jī)械研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

研究型學(xué)習(xí)方法是指在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過(guò)研究型學(xué)習(xí)方式、主動(dòng)地分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，從而在知識(shí)學(xué)習(xí)、能力培養(yǎng)和素質(zhì)形成等方面達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)的過(guò)程[11]；該方法以分析、研究和解決工程實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程為目標(biāo)，以師生互動(dòng)、同學(xué)合作為形式，將學(xué)習(xí)知識(shí)與研究問(wèn)題相結(jié)合；具有學(xué)習(xí)方式的研究型、學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性、教師教學(xué)的主導(dǎo)性和教學(xué)活動(dòng)的互動(dòng)性等為特征。

1.1 方案設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

方案設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指：給定實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)[12-13]。方案設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用本門課程或相關(guān)課程的綜合知識(shí)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)踐方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合性實(shí)驗(yàn)，著重培養(yǎng)學(xué)生的分析和解決問(wèn)題的能力。該方法具有綜合性、研究型和設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，能夠培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)和方案設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、且具有創(chuàng)新高度的實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)構(gòu)。具體包括以下步驟：①教師設(shè)定實(shí)驗(yàn)任務(wù)；②通過(guò)研究型學(xué)習(xí)，學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；③通過(guò)師生討論，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，完善并確定可行的實(shí)驗(yàn)方案；④按照實(shí)驗(yàn)方案組建和準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備；⑤完成實(shí)驗(yàn)。

1.1.1 方案設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)任務(wù)的設(shè)定

方案設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)任務(wù)的確定是該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法中非常重要的環(huán)節(jié)；方案設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)任務(wù)應(yīng)具有綜合性、典型性、一定的覆蓋面、可操作性及具有一定的深度，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及本課程的綜合知識(shí)；來(lái)源于教師長(zhǎng)期從事的流體機(jī)械教學(xué)、科研和產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中中的啟示；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)涉及流體機(jī)械的工作原理、性能特點(diǎn)和運(yùn)行操作等方面。其目的是使學(xué)生將所學(xué)的專業(yè)理論知識(shí)綜合運(yùn)用于實(shí)踐，使學(xué)生樹立實(shí)驗(yàn)的整體觀，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)和科研意識(shí)。在確定實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)，可分多個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)任務(wù)：基本實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn)；學(xué)生可以根據(jù)自身的情況選擇不同層次的實(shí)驗(yàn)。

所以實(shí)驗(yàn)任務(wù)應(yīng)具備如下特點(diǎn)：①綜合性，包含流體機(jī)械的原理、運(yùn)行特點(diǎn)、操作和測(cè)試等多方面的基本知識(shí)；②與工程實(shí)踐問(wèn)題緊密聯(lián)系，且需要及時(shí)更新；③有利于學(xué)生開闊思維，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維，發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題；④所需的實(shí)驗(yàn)裝置易于實(shí)現(xiàn)。

所采用過(guò)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)案例如下：

案例1 設(shè)計(jì)一種離心泵運(yùn)行工況，使得離心泵能夠發(fā)生汽蝕，并測(cè)試汽蝕工況的運(yùn)行特點(diǎn)及性能曲線，這樣的實(shí)驗(yàn)任務(wù)既包含了原有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容“離心泵汽蝕實(shí)驗(yàn)”，又能體現(xiàn)出綜合性，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

案例2 選擇一種類型的液體泵，將液體從特定的入口條件輸送到特定的出口條件，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量泵的性能曲線，這種實(shí)驗(yàn)任務(wù)不但包括了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容“離心泵性能實(shí)驗(yàn)”，而且與實(shí)際工程問(wèn)題更為接近，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可包含離心泵、螺桿泵、往復(fù)泵和液環(huán)泵等。

1.1.2 采用研究型學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)是該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的核心。采用學(xué)生研究型學(xué)習(xí)方法，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高了獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。如在案例1中，學(xué)生通過(guò)研究型學(xué)習(xí)自行完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生曾經(jīng)提出多種方法產(chǎn)生汽蝕的方法并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案：降低離心泵入口液面高度、調(diào)節(jié)管路阻力損失、改變介質(zhì)的溫度、增大離心泵入口真空度等。在正式實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，能夠加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，同時(shí)也能夠反思學(xué)生自己所提出的實(shí)驗(yàn)方案存在的問(wèn)題。又如在案例2中，學(xué)生通過(guò)研究型學(xué)習(xí)熟練掌握各種泵的運(yùn)行條件、操作條件、管路條件和測(cè)試方法；同時(shí)也強(qiáng)化了對(duì)不同類型流體機(jī)械工作原理這類基礎(chǔ)問(wèn)題的理解，使之能夠觸類旁通。

在學(xué)生采用研究型學(xué)習(xí)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案過(guò)程中，其關(guān)鍵在于：①給學(xué)生較長(zhǎng)的時(shí)間去思考、設(shè)計(jì)、修改和完善實(shí)驗(yàn)方案，可在該部分內(nèi)容講課的時(shí)候，就將實(shí)驗(yàn)任務(wù)布置給學(xué)生，學(xué)生在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容的過(guò)程中，即開始思考，產(chǎn)生靈感；②教師在講課過(guò)程中，要針對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行提示，將可利用的方法都加以說(shuō)明，供學(xué)生選擇，這樣加深對(duì)相關(guān)問(wèn)題的掌握；③學(xué)生在課余時(shí)間，通過(guò)查找相關(guān)資料，完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)；④教師要在課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案討論，修改和完善實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)情況，最終確定實(shí)驗(yàn)方案。

1.1.3 對(duì)比討論確定實(shí)驗(yàn)方案

將學(xué)生所提出的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比和討論，分析其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，使之完善；根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，最終確定學(xué)生所設(shè)計(jì)的可行的實(shí)驗(yàn)方案。通過(guò)問(wèn)題討論，使得學(xué)生明白解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，必須考慮其實(shí)際適用條件；讓學(xué)生之間檢查所提出的實(shí)驗(yàn)方案的正確性與可行性，明確其實(shí)驗(yàn)方案的不足，并找到合理的解決方法，加強(qiáng)了不同實(shí)驗(yàn)方案之間的比較，增加了對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，并能夠運(yùn)用到實(shí)際中；同時(shí)也排除了一些理論上可行，而在實(shí)際操作中存在眾多缺點(diǎn)的方案；所以該方法增強(qiáng)了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和工程實(shí)踐能力；在學(xué)生所提出的實(shí)驗(yàn)方案中也不乏包含一定的創(chuàng)新性，有助于豐富實(shí)驗(yàn)方法、開發(fā)新型實(shí)驗(yàn)裝置。

如在案例1中，學(xué)生提出的產(chǎn)生離心泵汽蝕的方法有：①降低離心泵入口液面高度，②增大離心泵入口真空度，③改變介質(zhì)的溫度，④調(diào)節(jié)管路阻力損失；方法①要求較大的實(shí)驗(yàn)室空間，方法②簡(jiǎn)單易行；方法③是一種理論上可行，實(shí)際操作中難以實(shí)現(xiàn)的；方法④難以進(jìn)行定量的測(cè)量。學(xué)生在該方法的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中不乏一定的創(chuàng)新性，有一定的價(jià)值。

1.1.4 組建實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)

根據(jù)所確定的實(shí)驗(yàn)方案，教師可事先準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)裝置，也可與學(xué)生一起完成實(shí)驗(yàn)裝置的準(zhǔn)備；并按照學(xué)生所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案完成實(shí)驗(yàn)。

隨著實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)方案的不斷豐富，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；可采用各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備和各種測(cè)量?jī)x器并聯(lián)切換的方法，滿足多種實(shí)驗(yàn)方案；實(shí)驗(yàn)設(shè)備盡量小型化、模塊化和多樣化，易于滿足相應(yīng)的裝拆、維護(hù)和管理。由此搭建的實(shí)驗(yàn)裝置具有如下特點(diǎn)：①同一套實(shí)驗(yàn)裝置能進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；②實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量?jī)x器能夠得到充分的利用；③實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)流程易于更改、不固定，適應(yīng)于更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；④實(shí)驗(yàn)室的功能也得到擴(kuò)大，不但能夠承擔(dān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且能夠承擔(dān)科學(xué)研究、大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練等。由此改善了原有一套裝置只能完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。

1.2 基于仿真模擬、3D打印的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1.2.1 流體機(jī)械零部件的3D設(shè)計(jì)

3D設(shè)計(jì)是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)，它是建立在平面和2D設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計(jì)目標(biāo)立體化，更形象化的一種新興設(shè)計(jì)方法[14]。針對(duì)流體機(jī)械主要零部件的形狀復(fù)雜性，如：離心泵葉輪、雙螺桿泵轉(zhuǎn)子、螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、渦旋壓縮機(jī)動(dòng)渦旋等；采用常用的3D設(shè)計(jì)軟件SolidWorks、Pro/E，對(duì)其進(jìn)行3D設(shè)計(jì)；由此學(xué)生能夠?qū)诵牟考M(jìn)行設(shè)計(jì)。流體機(jī)械核心零部件的設(shè)計(jì)是決定其先進(jìn)性的關(guān)鍵所在，通過(guò)學(xué)生的3D設(shè)計(jì)，不但使得學(xué)生掌握流體機(jī)械的核心部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)，而且也能促進(jìn)學(xué)生在核心部件設(shè)計(jì)和造型方面的創(chuàng)新。

1.2.2 3D虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真

基于虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真在新型流體機(jī)械創(chuàng)新開發(fā)、維護(hù)、操作培訓(xùn)方面具有獨(dú)特的作用。在交互式虛擬裝配環(huán)境中，使用3D裝配軟件，將完成3D設(shè)計(jì)的零部件，象在真實(shí)環(huán)境中一樣對(duì)其進(jìn)行各類裝配實(shí)驗(yàn)，在裝配過(guò)程中，能夠進(jìn)行碰撞檢測(cè)、裝配約束處理、裝配路徑和次序等，使得學(xué)生能夠?qū)α黧w機(jī)械的可裝配性進(jìn)行分析、對(duì)零部件裝配序列進(jìn)行驗(yàn)證和規(guī)劃。在裝配(或拆卸)結(jié)束后，記錄裝配過(guò)程的所有信息，并生成評(píng)審報(bào)告、視頻錄像等供隨后的分析使用。

通過(guò)3D運(yùn)動(dòng)仿真軟件，對(duì)流體機(jī)械的全部運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，展現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律；通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真，使學(xué)生深入地掌握流體機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成零部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系；學(xué)生通過(guò)相關(guān)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，獲得與真實(shí)情況一致的體驗(yàn)，降低成本的同時(shí)提高了學(xué)習(xí)效果；使得流體機(jī)械內(nèi)部的不可及、不可視、高風(fēng)險(xiǎn)、高污染等的操作過(guò)程不再受時(shí)間、空間限制，借助于虛擬仿真手段，形象生動(dòng)地呈現(xiàn)在大家眼前，更具可操作性，鞏固和加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，鍛煉在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面有著其他教學(xué)環(huán)節(jié)所不能替代的獨(dú)特作用。同時(shí)也有利于豐富流體機(jī)械種類的數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2.3 采用3D打印技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

流體機(jī)械是通過(guò)關(guān)鍵零部件的運(yùn)動(dòng)，使之與流體之間通過(guò)相互作用，實(shí)現(xiàn)流體的吸入、增壓、排出全過(guò)程；通過(guò)3D設(shè)計(jì)、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，還難以充分展示關(guān)鍵零部件(如：雙螺桿壓縮機(jī)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子、單螺桿壓縮機(jī)星輪等)的結(jié)構(gòu)，使學(xué)生難以充分認(rèn)識(shí)關(guān)鍵零部件與流體之間的能量傳遞關(guān)系。通常需要觀摩零部件實(shí)體；而流體機(jī)械產(chǎn)品價(jià)格貴、體積大，難以在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)實(shí)物展示；流體機(jī)械的關(guān)鍵零部件的加工需要專門的專用數(shù)控機(jī)床、和專門的加工工藝和加工過(guò)程，造價(jià)相當(dāng)昂貴，操作非常復(fù)雜，周期長(zhǎng)，且不易管理，因而面對(duì)種類繁多的流體機(jī)械，其關(guān)鍵零部件的加工是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無(wú)法完成的。然而采用3D打印技術(shù)來(lái)打印流體機(jī)械的核心領(lǐng)部件可較易實(shí)施，使得這一問(wèn)題迎刃而解。圖1所示為3D打印的相互嚙合的雙螺桿真空泵轉(zhuǎn)子。

圖1 通過(guò)3D打印的雙螺桿真空泵轉(zhuǎn)子

3D打印也稱增材制造，通過(guò)3D打印機(jī)，不需要加工刀具和設(shè)備，利用3D模型可快速地制造出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)工件，解決傳統(tǒng)工藝難以加工或無(wú)法加工的局限，解決高精度零部件的加工困難，適用于流體機(jī)械的關(guān)鍵零部件，尤其具有創(chuàng)新設(shè)計(jì)的流體機(jī)械零部件，如新型雙螺桿泵轉(zhuǎn)子；也可以3D打印典型流體機(jī)械的全部零部件，實(shí)現(xiàn)裝拆。結(jié)合研究型教學(xué)，采用3D打印技術(shù)，促進(jìn)新型流體機(jī)械的開發(fā)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了的學(xué)生創(chuàng)新能力、設(shè)計(jì)能力及知識(shí)的融合，對(duì)于探索實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展起到了重要作用。整個(gè)過(guò)程不但激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)打印出的關(guān)鍵零部件可供學(xué)生研究，引導(dǎo)學(xué)生以開放性實(shí)驗(yàn)的途徑參與流體機(jī)械設(shè)備模型制作，這些模型的制備可以加深學(xué)生對(duì)其原理的理解，直接當(dāng)作教學(xué)道具用于下一屆的學(xué)生的授課當(dāng)中；同時(shí)也豐富了流體機(jī)械模型庫(kù)。

2.5 革蘭陽(yáng)性球菌對(duì)抗菌藥物的耐藥性 從患者標(biāo)本中分離出的3種革蘭陽(yáng)性球菌對(duì)抗菌藥物的耐藥性見表4。

1.2.4 流體增壓過(guò)程的數(shù)值模擬

流體機(jī)械是完成與流體之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械，以上3D設(shè)計(jì)、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真、3D打印，都是針對(duì)流體機(jī)械本身，而沒有展示流體的狀態(tài)變化，為了研究流體在流體機(jī)械內(nèi)部壓力、溫度、速度的變化規(guī)律，對(duì)流體流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行工作過(guò)程模擬。

采用計(jì)算流體力學(xué)Computational Fluid Dynamics軟件，對(duì)流體機(jī)械在工作過(guò)程中的流體區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，讓學(xué)生完成流體的工作過(guò)程模擬，加深學(xué)生對(duì)工作原理的理解，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化基礎(chǔ)、深化認(rèn)知，使之觸類旁通；同時(shí)也增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)。

如通過(guò)渦旋壓縮機(jī)工作過(guò)程的數(shù)值模擬，可直觀再現(xiàn)氣體在壓縮機(jī)內(nèi)部其壓力、溫度、速度的變化規(guī)律。展示流體機(jī)械內(nèi)部流體的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，使之由抽象到具體。是常規(guī)實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成的，同時(shí)數(shù)值模擬也能夠驗(yàn)證一些創(chuàng)新性。

2 改革成效與實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

2.1 研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革成效

(1) 所提出的研究型方案設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法具有綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究型學(xué)習(xí)等特點(diǎn)；應(yīng)用于流體機(jī)械類課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力；具有良好的教學(xué)效果。綜合性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)和技能解決實(shí)際問(wèn)題的能力；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和獨(dú)立運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和技能分析和解決問(wèn)題的能力；研究型學(xué)習(xí)增加了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性。

(2) 通過(guò)對(duì)典型流體機(jī)械3D設(shè)計(jì)、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真、3D打印、工作過(guò)程數(shù)值模擬，展示了流體機(jī)械的全部過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的掌握，為學(xué)生在流體機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新提供基礎(chǔ)。新型流體機(jī)械3D模型是研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的基礎(chǔ)和前提，3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)教學(xué)模型的個(gè)性化制作，工作過(guò)程的數(shù)值模擬將流體機(jī)械內(nèi)部流體能量轉(zhuǎn)化過(guò)程由抽象變?yōu)榫唧w。由此豐富了流體機(jī)械模型庫(kù)，能夠演示所提出的新型流體機(jī)械的原理。

(3) 研究型方案設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，改變了原有的一套實(shí)驗(yàn)裝置只能完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的問(wèn)題，改變?cè)辛黧w機(jī)械類課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容始終不變的弊端，通過(guò)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，增加了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其覆蓋面，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)和內(nèi)容的更新。采用設(shè)備小型化、模塊化和多樣化的思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，以及相類似的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試儀器的并聯(lián)，使得實(shí)驗(yàn)裝置的功能和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率都得到提高，實(shí)現(xiàn)一套實(shí)驗(yàn)裝置能夠完成多個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)新型實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)。提出建設(shè)具有互換功能的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路，使得同一套實(shí)驗(yàn)裝置能進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還要不斷地增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，適應(yīng)科研的發(fā)展。

(4) 擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)室的功能，有利于實(shí)現(xiàn)開放式實(shí)驗(yàn)室，可面向不同專業(yè)的相似課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)室不但能夠承擔(dān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且能夠承擔(dān)科學(xué)研究、大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新、卓越工程師的培養(yǎng)和學(xué)科競(jìng)賽等，如：國(guó)家級(jí)的“挑戰(zhàn)杯”大賽、全國(guó)大學(xué)生過(guò)程裝備實(shí)踐與創(chuàng)新大賽、大學(xué)生工程訓(xùn)練能力競(jìng)賽等比賽。具有教學(xué)功能、科研功能、大學(xué)生創(chuàng)新功能。

(5) 提高了教師的能力和水平，能夠?qū)⒔處煹目蒲泻徒虒W(xué)充分結(jié)合。

2.2 實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

在實(shí)驗(yàn)室的管理中，加強(qiáng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)學(xué)生的管理，學(xué)生應(yīng)嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室管理?xiàng)l例，嚴(yán)格在教師的監(jiān)護(hù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中要求進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生了解各個(gè)流體機(jī)械的功能，愛護(hù)實(shí)驗(yàn)室儀器和設(shè)備，在技能操練中注重培養(yǎng)科學(xué)研究的基本素質(zhì)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)、嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)密的科學(xué)方法，認(rèn)真完成每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)了開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生可以自由選擇實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程、自行完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)空，并面向大學(xué)生第二課堂、畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和科學(xué)研究全面開放，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享。

流體機(jī)械的種類繁多、增壓輸送的流體性質(zhì)不盡相同、應(yīng)用環(huán)境和工況要求各異；現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室難以收集盡可能多的流體機(jī)械。通過(guò)對(duì)流體機(jī)械的三維設(shè)計(jì)實(shí)踐，可以逐漸豐富實(shí)驗(yàn)室中流體機(jī)械的模型庫(kù)，將更多的特種流體機(jī)械、新型流體機(jī)械展現(xiàn)給學(xué)生，以迎合流體機(jī)械的飛速發(fā)展。

2.3 對(duì)指導(dǎo)教師的要求

指導(dǎo)教師的業(yè)務(wù)水平與素質(zhì)是開展研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)和基于仿真模擬、3D打印的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的重要保證，教師要制定切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并提供實(shí)驗(yàn)條件；教師要對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施給予必要的啟發(fā)和引導(dǎo)、對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行把關(guān)，還要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)學(xué)生做必要的指導(dǎo)。因此對(duì)教師有如下的要求：

(1) 教師具有流體機(jī)械方面全面的理論知識(shí)、專業(yè)知識(shí)、熟練的技能和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有從事流體機(jī)械相關(guān)工程實(shí)踐和科研的經(jīng)歷。

(2) 教師能夠制定出適合培養(yǎng)學(xué)生多方面能力的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并能在實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，都能夠給予學(xué)生指導(dǎo)。

(3) 實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)等都應(yīng)來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐、新產(chǎn)品研發(fā)和科研過(guò)程，教師必須在實(shí)際生產(chǎn)與科研過(guò)程中吸收內(nèi)化，并有效地再現(xiàn)給學(xué)生。

(4) 有較強(qiáng)的管理學(xué)生能力，同時(shí)還要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平確定相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)研究型學(xué)習(xí)，學(xué)生自行設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，而且充分考慮了實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，比較了多種實(shí)驗(yàn)方案，最終確定了可行的實(shí)驗(yàn)方案；又據(jù)此組建了實(shí)驗(yàn)裝置，最終完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)采用研究型學(xué)習(xí)方法，加深強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新思維。在實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生提出了很多有一定可行性的新觀點(diǎn)、新結(jié)構(gòu)和新想法；實(shí)驗(yàn)方案的討論和確定過(guò)程有利于理論聯(lián)系實(shí)際，能夠加強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力；同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生的表達(dá)能力，促進(jìn)交流，增強(qiáng)合作意識(shí)。

學(xué)生通過(guò)研究型學(xué)習(xí)，完成流體機(jī)械零部件的3D造型、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真、3D打印，完成流體機(jī)械工作過(guò)程中流體增壓流動(dòng)過(guò)程的數(shù)值模擬。加深學(xué)生對(duì)其工作原理、工作過(guò)程、關(guān)鍵零部件的掌握和理解；在實(shí)驗(yàn)對(duì)象上，可以針對(duì)常規(guī)流體機(jī)械、特種流體機(jī)械、和新型流體機(jī)械，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠及時(shí)進(jìn)行知識(shí)更新，迎合流體機(jī)械行業(yè)的飛速發(fā)展；學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了工程實(shí)踐意識(shí)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化實(shí)踐；使之實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化基礎(chǔ)、深化認(rèn)知，觸類旁通；同時(shí)也促進(jìn)學(xué)生在流體機(jī)械關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)、工作過(guò)程原理、流體增壓輸送方法等方面的創(chuàng)新。

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Exploration and Practice of Research-type Experimental Teaching Methods in Fluid Machinery Courses

WANGJun,SUNZhuohui

(College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

Fluid machineries have many characteristics of various types, complex structure and high risk medium; and fluid machinery is the major course in the college of engineering. The disadvantages of the existing relevant fluid machineries in the experiment teaching are analyzed in this paper; and a research-type designing experimental teaching method is proposed. According to the comprehensive experimental task, this method requires students to design the experimental scheme using research-type learning method; and then by comparison discussions the final feasible experimental schemes are perfected and determined based on laboratory conditions; finally, the experimental equipment is assembled and the experiment is completed. Combined with 3D printing technology, virtual simulation technology, the working process simulation, an experiment teaching method based on the research study is put forward, where this experimental teaching methods are illustrated. Requirements of tutors, laboratory condition and management are introduced. The proposed experimental teaching methods help to improve abilities of creativity and of solving practical problems of students.

research-based learning; experimental teaching method; fluid machinery; 3D printing; virtual simulation; laboratory building

2016-03-21

中國(guó)石油大學(xué)(華東)校級(jí)研究型教學(xué)方法改革項(xiàng)目(YK201404)

王 君(1976-)，男，吉林梅河口人，博士，副教授，研究方向：流體機(jī)械、化工機(jī)械。

Tel.：13589269049；E-mail: wangjun@upc.edu.cn

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1006-7167(2017)02-0244-05