“流體輸配管網”課程設計和實驗優化

張宇坤，畢海洋，蔣 爽，秦海杰，李姍姍，王 振

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116605)

建筑環境與能源應用工程(簡稱建環)專業是將土木工程與建筑設備相結合的復合型專業，建環的學生不僅要具備土木工程的相關知識，還要掌握建筑環境與設備相關的設計、計算和施工的基本知識。“流體輸配管網”課程是建環專業指導委員規定的關鍵專業基礎知識單元課程[1]。它是研究流體輸送與分配規律的一門學科，是流體力學、傳熱學、工程熱力學課程的延伸，又是學習通風工程、供熱工程、建筑給水排水工程的基礎。通過該課程的學習，使學生掌握管網水力計算的基本原理與方法、泵與風機的基本原理以及選用方法，為下一步學習工程設計打好基礎。

“流體輸配管網”課程的內容繁多，課時相對緊張，既有課程實驗，又有大量的管網水力計算，想要獲得良好的教學效果需要解決以下問題：(1)教師在少課時的情況下容易重理論講授、輕實踐教學，學生對于實驗、管網設計往往存在敷衍的心理，課程設計和實驗內容吸引力不強，教學內容有待優化；(2)傳統的教學方式主要是教師課堂講授,學生課堂學習，教師了解學生學情的方式主要包括：批改學生實驗報告、課堂提問等，途徑較少，學生參與度較低，這會造成學生學習興趣下降，學習效果差，教學方法有待豐富；(3)傳統的考核方式主要是批改實驗報告和作業，學生為了應付而突擊學習，教學與考核脫節；部分學生存在抄襲、混大組的情況，這種考核方式忽略了過程管理，沒有體現成果導向，學生即使拿到高分也沒有獲得感，考核方式有待改進。因此為提升“流體輸配管網”課程的教學效果，提高學生參與度，筆者建議對課程設計和實驗內容、教學方法和考核方式進行改革。

1 課程設計和實驗內容的優化

在設置培養方案時，考慮了知識體系的前后關系，將流體力學課程設置在流體輸配管網課程前，在第5學期學習流體輸配管網。教材方面選擇了付祥釗、肖益民主編“流體輸配管網”(第4版)[2]，在這一版教材中強化了水力計算的案例與分析，這樣的設置有利于學生強化水力計算，提高學生在后續課程(通風工程、供熱工程、建筑給水排水工程)中課程設計中的表現。

(1)枝狀管網水力計算案例與分析知識單元是管網設計的重點也是難點，教師很難講透，學生很難學懂。容易出現學生考試考高分，課程(畢業)設計水力計算不會算的情況，體現了學生應用知識解決實際工程問題能力的不足。因此在枝狀管網水力計算案例與分析知識單元設置課程設計很有必要，用4個學時完成某住宅的重力循環式熱水供水管網水力計算的課程設計，強化學生的設計計算能力，也為后續課程設計打好基礎。

以重力循環式熱水供水管網水力計算為例對課程設計內容為例。設計對象為某3層住宅樓，已知各散熱器的熱負荷如圖1。圖中立管Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各散熱器的熱負荷與Ⅱ立管相同。試確定該重力循環熱水系統供暖管網的直徑。

此設計題目由于已知總資用壓力和干管長度，主要考察水力計算方法——壓損平均法的理解運用。先選取最不利環路(1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-1)，在這里涉及到雙管系統循環作用壓力的差異，高層循環作用壓力較大，因此本系統最不利環路為通過最遠立管底層散熱器的循環管路。確定最不利環路后，通過總資用壓力和最不利環路管長計算得到最不利環路的平均比摩阻，這是壓損平均法的核心控制參數。熱負荷可推出管段流量，管段流量和平均比摩阻可查出d、R、v[3]，進而求出管道阻力。這一部分的講授應為集中授課，重點是講設計思路和計算的前后邏輯關系。并聯管路阻力平衡是壓損平均法水力計算學習的重點和難點。阻力的平衡與否影響流量的分配，繼而影響流體供給與需求的匹配度，這是建筑環境與能源應用工程專業的學習重點。本例中還應考慮雙管系統不同樓層的重力作用力，I管路二樓重力作用力應高于一樓。通過控制資用壓力和管路阻力的不平衡率實現并聯管路的阻力平衡。出現不平衡后如何調整設計參數也是學習的重點，通過閥門調整會增大能源的無效損耗。應進行管徑調整，重新計算管路損失和不平衡率。也可以調整系統形式，如異程變同程，這樣可以很大程度減小不平衡率。

在進行課程設計模塊時，應注意將課上統一講解和單獨輔導結合起來；可考慮提供相似例題的慕課講解視頻，發揮線上學習、復習的作用。同時嚴格控制學生的學習進度，做到及時發布任務、輔導講解，集中學習。切忌發了任務后放任學生自行設計計算，這會降低學生學習課程設計的效率。

(2)課程實驗可以加深學生對理論部分的理解，傳統方式是理論部分在課堂講授。如果能改為教師邊操作、邊講授，可以大幅度提高學生的學習熱情。而學生通過動手實踐，可以在做實驗的過程中完成學習任務。本課程設置了熱網水力工況模型實驗和離心泵特性曲線測定實驗，下面以兩個實驗為例對課程實驗進行介紹。

熱網水力工況是學生反饋學習難度比較大的知識單元，如能結合課程實驗教學，學生在理解很多概念時能更快的接受，如在介紹定壓水箱時，如圖2。定水壓線即為定壓水箱自由液面線，定水壓線直接影響了整個水壓圖的壓力水頭；動水壓線也是直觀可見(供回水的測壓管水頭)，用水節點的供回水動水壓差即為資用壓力，這比課本學習或仿真模擬視頻更容易理解，降低了學生的學習難度。

離心泵是建筑環境與能源應用工程重要設備，其性能參數多(流量、揚程、軸功率、效率等)，在選取水泵時經常參考性能曲線。但課本講授較為枯燥，離心泵特性曲線測定實驗可以做較好的補充。在測定特性曲線時，如圖3，可以發現揚程隨流量的增大而減小，離心泵特點是揚程大、流量小，而軸流泵的流量大、揚程小，兩者適用工作場景不同；軸功率隨流量的增大而快速上升，這會導致原動機超載而損壞；效率隨流量的增大呈現先增大后減小，這意味著在選擇水泵時，應挑選工況點在水泵高效段內，提高水泵在工作時的效率。

2 教學方法的豐富

采用傳統方式講授流體輸配管網水力計算方法和實驗時，以教師課堂傳授知識為主。由于學生學習基礎的差異，部分學生理解困難、學習動力不足；而水力計算內容較多、學生不預習，容易產生老師賣力講，學生跟不上的情況。教師授課時大段時間用來講授，用于接收學生反饋、對學生進行輔導、答疑的時間較少，教師講的累，學生聽不懂；另外課后學生自學資料也較少。為此，在教學方法上增加了如下措施。

(1)注重課前準備。在課程設計和實驗環節向學生提供慕課視頻和仿真模擬視頻，如水力計算案例、水壓圖繪制等內容。慕課內容以知識講授、例題講解為主。在課前發布預習任務，引導學生預習慕課視頻。

(2)提高課堂中學生學習參與度。首先通過實物介紹來引導學生在思想上進入課堂，主動思考本堂課要解決的問題。通過提問抓住學生的注意力也是一個很好的方法，比如：如何實現熱網不同用戶的均勻供熱需求，課堂中的教學手段包括：提問、設置討論題、設置分組任務等，并規定在一定時間內完成上交，記錄答得好的同學，在考核環節加分。討論題的內容一般是開放性的問題，如：膨脹水箱的作用和設置位置，通過這些方法可有效提高學生的課堂參與度。

(3)在課后鼓勵學生復習慕課，應用慕課所學知識點解決實際工程問題。這樣一方面提高了學生自主學習的積極性，另一方面也為學生提供了自主學習的學習資料，豐富了與學生的互動反饋。線上可考慮采用聊天工具(釘釘、QQ、微信等)對學生提出的問題進行解答；線下可以設置答疑課，針對共性問題，集中答疑。課程設計應考慮線下進行，讓學生在集中時間、集中地點完成流體輸配管網的設計計算。一方面教師方便管理，可以對共性問題做解釋說明；另一方面，學生可以互相討論、借鑒，大大提升了學習效率。

(4)強化線上學習、線下復習在課程學習的作用。傳統的教學方式是單一的講授，對于學生學習狀態難以把控；由于知識點多，課時緊張，也沒有多余時間來與學生互動。慕課視頻的提供減少了老師在知識傳授部分所花精力。慕課方式學習較好的利用了學生的碎片化時間，符合當前學生學習特點。

3 考核方式的改進

傳統的考核方式一般包括閉卷期末考試、考勤等，學生多以死記硬背的方式應對考試。而注重考勤僅能將學生固定到課堂上，學生學習反饋無法體現。課程實驗和課程設計均屬于實踐環節，應注重過程控制，學生的實踐表現和成果(實驗報告、課程設計計算書)均比較好記錄和批改，更能體現學生的學習成效差異。同時教師對學生的指導和考核也會促進學生的學習。因此在本課程的考核方式上，減少了期末考試成績所占比重，增加課程實驗、課程設計考核環節。課程的考核成績由實驗成績10%、平時成績10%、課程設計成績20%和期末考試成績60%四部分構成。實驗成績和平時成績主要記錄學生的課堂表現情況；課程設計環節注重的是學生實踐能力的提高，也就是將所學知識應用于具體案例，當學生可以獨立完成一個管網系統的水力計算，也就達到了課程目標。期末考試以綜合性考核為主。

考核方式的變化是以學生學習產出為導向，體現了以學生為本。比如在實驗成績方面，去掉了考勤，變為實驗表現和實驗報告。對學生在實驗過程表現和實驗報告進行評價，強化了過程考核管理，學生只有充分參與才能獲得較高的平時成績，考核的目的不是把學生固定在課堂，而是讓學生獲得一定的理解分析能力和表達能力。課程設計任務一般是一個綜合性的工程問題，增加這個考核環節，目的是讓學生在完成課程設計的同時，提高學生解決工程設計實際問題的能力，增強學生的獲得感。即以成果導向來評價學生，而非簡單的考勤點名。通過過程管理來提升課堂參與度、通過成果導向提升學生獲得感、通過期末考試對學生進行綜合評價，這樣的考核評價方式改變了一考定終身的方式，提升了教學效果。

4 結 語

以課程中出現的具體問題為例，通過優化“流體輸配管網”課程設計和實驗內容、豐富教學方法和轉變考核方式，提升了學生的課堂參與度，提高了課程的教學效果。在今后的教學中，要以學生為中心，以能力達成為目的，結合實際進一步完善流體輸配管網課程的教學，培養出高素質人才。