基于多元化教學手段的《過程設備設計》教學的探索

宋健斐，張冀翔，嚴超宇，孫國剛，陳建義

(中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249)

《過程設備設計》是過程裝備與控制工程專業(以下簡稱過程專業)的特色課程和核心課程之一，也是化學工程、化學工藝、能源化工等專業學生的必選課程，每年授課人數達300余人。經多年授課，筆者感受到學生學習熱情不高，課堂表現不積極，課程的高要求與學生的實際掌握程度形成較大反差。總的來說，學生大致可分為三類，一是學習熱情高，上課認真，受教學手段的影響小，始終保持端正的學習態度，這類學生通常占10%～30%；二是學習熱情一般，講到感興趣的內容抬頭率較高，比例約占60%～70%；三是學習積極性低，對學習持無所謂的態度，比例約占10%左右。若能采用豐富的教學手段讓第一類學生感受到挑戰性，讓第二類學生帶著興趣學習，保證80%同學對課程有較好的掌握程度，教學效果將會明顯改善。

當前教學可用的手段和方法非常多元化，雨課堂、藍墨云、翻轉課堂、混合式教學等等[1-6]，可謂是亂花漸欲迷人眼，這些方法和手段并不一定適用于所有課程或者一門課程的所有教學內容。合理利用這些教學手段的關鍵還是要緊密結合授課內容，不斷梳理知識點，找到每部分內容適合的授課方法。本文以雨課堂和基于問題的教學法為例，介紹了筆者將多種教學手段有機結合改善課堂效果的探索。

1 課程的內容及特點

筆者將《過程設備設計》課程的培養目標歸納為：基于一定的理論，在國家或企業最新標準的指導下，發揮設計工程師的主觀能動性，設計出高效長壽命的設備。就知識體系而言，可分為四個部分：(1)國家或企業標準的熟悉及應用；(2)設備設計的理論知識；(3)壓力容器設計選材；(4)實踐篇—典型壓力容器的設計，如塔器、換熱器、儲罐等。前3個部分以知識點為主，第(4)部分注重實踐。因此，教學內容主要包括以下章節：(1)緒論，旨在讓學生了解過程行業，過程設備的特點，從我國關鍵設備的設計制造取得的巨大進步中獲得自豪感，激發學生對課程的學習熱情；(2)過程設備材料，要求學生掌握壓力容器用材的特點，掌握選材的原則，能針對特定工況合理選材；(3)內壓容器和外壓容器的設計，要求學生掌握薄壁容器的特點，能夠求解不同回轉殼體的薄膜應力，在此基礎上，了解容器的失效形式和設計準則，對內壓容器和外壓容器進行設計；(4)壓力容器零部件，了解壓力容器零部件的選型和設計，如法蘭，開孔，支座，安全附件等；(5)高壓容器的設計，學生需了解高壓容器的應用及特點，厚壁容器的應力特點及強度設計方法，同時還要掌握高壓容器的密封結構形式；(6)分析設計與疲勞設計，要求學生在掌握常規設計的基礎上，了解分析設計方法；(7)典型設備的強度設計計算，介紹儲罐、塔設備、換熱設備的結構特點，并進行強度計算。

2 雨課堂在教學過程中的應用

雨課堂是在移動互聯網與大數據背景下由清華大學推出的智慧教學工具[1]。筆者在近年的使用探索過程中，發現雨課堂在知識點類的教學內容中非常適用，能夠讓教師實施掌握學生對知識點的學習效果，學生通過做推送的習題，自我評估查找不足。

上課前，教師開啟雨課堂授課模式，軟件系統會自動生成本節課程的二維碼，學生通過掃碼可進入班級，教師在上課前推送預習課件，學生可提前預習本節課內容；課中，講授的每一頁幻燈片會即時發送到學生手機端，不懂之處可以標出，教師能及時掌握學生的學習情況，筆者發現雨課堂最實用且最有效果的功能就是課堂習題應答系統，當知識點講解完畢，教師可檢驗一下學生對該部分知識點的掌握情況，“光學不練”，學生很難對知識點有深入的理解和掌握，因此，知識點講解結束后，可適當插入習題，單選和多選是最適宜的題型，如圖1所示，學生通過手機端回答習題，并在指定時間內提交，教師在課堂上就可以獲得學生答題的正確率，錯誤選項等詳細信息(圖2)，及時了解了學生在知識點上理解的偏差；課后，學生可將課件保存下來便于回顧課程內容。因此，涉及到知識點講解的章節筆者全部采用了雨課堂習題應答系統，給學生帶來了全新的體驗和收獲。通過雨課堂的教學，筆者明顯感覺到，學生在課堂上做習題的過程中，能夠提出問題和質疑。

圖1 教學課件中插入的雨課堂習題

圖2 學生答題的正確率、正確錯誤選項

3 基于問題的教學法在教學過程中的應用

基于問題的學習(Problem Based Learning)，簡稱PBL模式，又稱作“問題式學習”，或“問題導向學習”，是以問題為基礎來開展教與學的一種模式[7]。這種學習模式認為，教師教學不僅要直接著眼于學習知識，而且要著眼于學生的分析能力、解決問題的能力、交流能力和綜合能力。教師應當采用積極的教學方法，使學生不但成為知識的接受者，還要成為知識的探索者、創造者。教師應盡量為學生創設基于問題化的自學情境，通過學生的自主學習、合作學習和探究學習激發學生的學習興趣，挖掘學習潛能，達到學習目的。

申請人在《過程設備設計》教學改革的過程中，完成了多個知識點的基于問題的研究性教學的案例。教學的基本思路為：教師拋出問題——學生圍繞給定問題，頭腦風暴，課后調研——學生課堂上分析問題——教師點評，以此加強同學們思考和分析的過程。下面以筆者講授緒論時拋出的問題為例介紹該教學過程。

拋出的問題：這門課程我們學什么？(這是一個不能再簡單的問題，每個老師第一次課都會問到。但是筆者并沒有直接對此問題做出回答，而是準備了一個生活小實驗)

課上實驗道具：打氣筒、大氣球(薄的、厚的)。課上請一名同學用打氣筒給氣球打氣，并請學生觀察并分析看到的現象。

學生討論的主要結果：氣球在逐漸變大，氣球最終破裂，薄的比厚的氣球破裂的快……

教師適當引導，又提出如下問題：氣球為什么會逐漸膨脹？膨脹過程中材料內部發生什么變化？為什么薄的氣球比厚的氣球容易破裂？如果同樣厚度換一個更結實，彈性更好的材料會有什么結果？怎么判斷充多少壓力時氣球會爆裂呢？……

通過這些問題的討論引出本課程的授課內容：(1)氣球可以看做一個壓力容器，器壁受氣體壓力時容器材料內存在應力→薄膜應力的分析；(2)為什么薄的氣球比厚的氣球容易破裂？如果同樣厚度換一個更結實彈性更好的材料會有什么結果？→材料的影響；(3)怎么判斷充多少壓力時氣球會爆裂呢？→容器的強度設計、設計準則等。

最終在黑板上形成如圖3所示的本門課程的教學內容網絡圖。

圖3 課程教學內容網絡圖

對于教師拋出的復雜的問題，如高長徑比的反應器或塔器在設計中都考慮哪些因素？學生需結合課上所學，通過課后調研做出回答。授課時講解的是塔器的結構類型及設計，那么塔器設計的相關知識能否推廣到具有類似特點的反應器上呢？這個問題讓第一類學生感到了挑戰性，也激發了第二類學生的學習興趣。他們結合所學的塔器的相關知識，通過課后調研，獲得了如下主要結論：

(1) 塔設備是化工過程設備中的一種典型裝置。狹義上的塔器主要是指用于蒸餾、提純、吸收、精餾等化工單元操作的直立設備，一般分為板式塔和填料塔。而在工業用設備設計標準中，廣義上的塔器是指具備一定高度和高徑比的裙座自支撐式的立式容器。決定一個立式容器是否為塔器，并非是看容器中有無安裝塔板或填料，而是看容器是否采用了裙座支撐。所以，即使是反應器、儲罐或其他立式裝置，也可以參照塔式容器的標準進行設計(對塔器的理解得到提升)。

(2)與腿式、支承式及其他立式容器常用的支座相比，裙座支撐可大大提高立式容器下封頭與支座之間的空間，便于下封頭上外伸接管的布置。此外，裙座式支撐更有利于立式容器在多種載荷條件下的穩定，便于與支座基礎連接安裝。

(3)相對于一般的立式容器，塔器設計需要考慮的載荷因素更多。這些因素包括：容器受到的內壓或外壓；介質液柱靜壓力；容器的自重(內里、填料等)以及正常操作條件下或實驗狀態下內裝物料的重力載荷；附屬設備如隔熱材料、襯里、管道、扶梯、平臺等重力載荷；風載荷和地震載荷。

(4)按照塔器設計方法對容器進行設計時，容器內外添加的各種附件，都會對容器受到的地震載荷、風載荷、質量載荷和偏心載荷提出更苛刻的計算需求。因此，在載荷計算時，需要選取若干計算截面(包括全部的危險截面)，依次進行校核計算，直到滿足全部載荷條件為止。

(5)在選擇危險截面時，需要包括：

塔裙座基礎環板處裙座殼體的橫截面(課上提及過)；

通過裙座開孔水平中心線的裙座殼體最小截面(課上提及過)；

裙座與塔體封頭對接接頭(或塔接接頭)截面(課上提及過)；

不等直徑塔變截面交界處塔殼橫截面(學生自己關注到的)；

等直徑塔變壁厚交界處塔殼橫截面(學生自己關注到的)。

(6)在選擇除危險截面以外的其他計算截面時，要充分考慮在地震或風作用下塔器自身的自振，將塔器進行分段。

對于不等截面塔，在計算基本振型自振周期及地震載荷時，將其視為多自由度體系。因此將塔沿高度分解為若干計算段，各段的質量可處理為作用在該段高度二分之一處的集中質量。對于高徑比>5且塔高度>10 m的塔器，宜將塔分為10個等高段。

對于等截面塔，在計算風載荷時，一般將距地面高度10 m以下作為第一計算段，其他的計算段一般取每段小于或等于10 m。

4 結 語

本文探索了將多元化教學手段融入《過程設備設計》教學過程的可行性，并以雨課堂和基于問題的教學方法兩種方法為例，詳細闡述了其在課堂上的實施過程。雨課堂適用于知識點豐富的章節，利于教師實時掌握學生的學習效果。基于問題的教學方法能將記憶和被動學習轉為分析討論、綜合概括、質疑發現的主動式學習訓練，其中還用到了學生感興趣的信息檢索、網絡學習等方式，符合以學生為中心的OBE教學理念，有效提高了教學效果。