過程設備設計虛實融合實驗教學及考核體系*

盧海山，張翮輝，王志奇

(湘潭大學機械工程學院，湖南 湘潭 411105)

過程設備設計，或稱為化工容器設計，主要面向化工行業，講授化工生產工藝所需各類壓力容器的設計知識，包括儲存、反應、換熱和分離等設備，以培養學生開展化工容器創新設計的能力。該課程具有理論枯燥、教學難度大和實踐性強等特點，而其課程實驗教學則是激發學生興趣、培養學生工程實踐與綜合創新能力的重要環節，主要包括薄壁容器應力測定、外壓薄壁圓筒失穩和厚壁圓筒高壓爆破三個實驗[1]。以薄壁容器應力測定為例，傳統實驗模式主要針對石化行業生產中常用的典型臥式儲罐模型，測試不同形式封頭以及過渡區域的應力，分析應力分布規律，驗證理論課堂的教學結論，以強化學生對邊緣應力的認識[2]。隨著新工科理念的不斷深入，對實驗教學的交叉融合、實踐創新提出了更高要求，傳統“重理論、輕實踐”的驗證型實驗教學方式已經難以滿足復合型人才的培養要求[3]。同時受此次“新冠疫情”影響，傳統實驗教學方式難以開展，各高校實驗教學面臨嚴峻挑戰[4]。

近年來隨著信息技術的快速發展，虛擬仿真實驗突破了傳統實驗教學模式，成為實驗教學的發展新方向，具有不受時空限制、成本低、無危險性，而且便于開展設計型、研究型實驗教學的優勢[5]。隨著虛擬仿真實驗教學改革的深入，如何建立一套適合于虛實融合實驗教學模式的考核評價體系則成為當前面臨的新問題。該文將CAE虛擬仿真技術融入過程設備設計實驗，構建虛實融合的實驗教學模式，并形成一套以學生為中心、以成果為導向的全方位實驗考核體系，以提升實驗教學的效果與質量。

1 虛實融合實驗教學模式

針對過程設備設計傳統實驗教學模式的不足，該文將CAE仿真技術融入實體實驗教學，充分發揮虛擬實驗不受實驗設備、時間、空間的限制，以及易于開展設計型、創新型實驗教學的優勢，以薄壁容器應力測定實驗為例，構建了虛實融合實驗教學模式。

實驗課前學生自主預習實驗，完成測試容器的CAE虛擬仿真分析。實驗前學生根據實驗講義及參考資料預習實驗，明確實驗目的，理解實驗原理，并熟悉實驗裝置及整體流程。在此基礎上，學生將實際的測試容器抽象為CAE虛擬仿真模型，確定模型載荷及約束條件，開展測試容器的虛擬仿真分析，獲取容器外壁的應力分布曲線及變形圖。通過分析應力分布曲線與變形圖，總結筒體與封頭過渡區域的應力分布特性與變形協調特點，并與理論課堂結果進行對比討論，進一步強化對封頭邊緣應力分布特點及產生機理的理解。結合邊緣應力分布曲線，設計應力測試中的應變片布置方案。最后撰寫預習報告。

實驗課中教師指導學生完成容器外壁應力的測試。實驗課堂中，首先教師講解實驗原理等，并根據預習報告反饋的情況，有針對性的進行講解學生理解薄弱的部分。然后教師指導學生利用應變電測法完成實際測試實驗，得到各測試點的環向與軸向應變，并根據應力應變關系計算出容器外壁應力。在同一坐標圖中繪制實驗測試與CAE虛擬仿真的應力結果，進行對比分析。引導學生總結CAE虛擬仿真與實驗測試各自的優缺點，并深入思考二者在工程應用中的關系。

實驗課后教師指導學生開展創新型拓展研究。實驗課堂結束后，教師進一步指導學生運用CAE仿真技術研究具有復雜工程背景的案例，探索結構形式、結構尺寸、外部約束及載荷等條件對容器應力分布的影響。通過這種研究性的拓展實驗，培養學生發現問題的能力，鍛煉學生解決復雜工程問題的能力，并激發學生的創新思維。最后學生總結實驗過程及結果，撰寫實驗報告。

2 全方位實驗考核體系

傳統實驗教學主要對學生提交的實驗報告進行單一維度的考核評價。這種考核方法維度單一、方式簡單、標準隨意，不能充分客觀反映學生的實際水平，而且無法對部分抄襲報告的學生實行懲罰；同時虛實融合模式的引入，對實驗教學的考核評價體系也提出了新的要求。針對傳統考核方法的不足，結合虛實融合實驗教學模式的特點，構建以學生為中心、以成果為導向的全方位實驗考核體系，包括考核維度、考核方式和考核標準。通過這種立體化的考核方式，教師可及時掌握來自學生的反饋信息，從而形成教學閉環，對實驗教學進行持續改進。

2.1 考核維度

虛實融合模式下過程設備設計實驗的教學目標是培養學生的自主學習、抽象建模、工具運用、操作實踐、團隊協作、結果分析、文檔撰寫等多方面的綜合能力與素質。根據這一教學目的，以學生為中心構建了實驗預習、仿真運用、實驗操作、分工協作、數據分析、撰寫報告等六個考核維度，覆蓋了實驗前、實驗中、實驗后的整個實驗教學流程，注重考核學生的綜合實驗能力。實驗前的考核維度包括實驗預習和仿真運用，主要考核學生能否通過獨立預習實驗講義獲取必要的實驗知識的能力，以及能否將實際容器力學分析問題簡化建立CAE虛擬仿真分析模型的抽象建模能力。實驗過程中，則從實驗操作與分工協作兩個維度考核學生的實踐操作和團隊協作能力。實驗課堂后，根據學生提交的實驗報告，從數據分析與撰寫報告兩個維度評價學生處理數據、分析數據以及撰寫文檔的能力。

2.2 考核方式

虛實融合模式下的考核體系比傳統模式更加強調以學生中心，通過引入自我評價、相互評價、教師評價相結合的方式，對實驗全流程中學生多方面的表現進行考核評價，避免單一教師評價容易受教師主觀意識影響的缺陷，充分體現了以學生為中、以目標為導向的理念。實驗前的階段，首先學生根據預習和虛擬仿真完成情況進行自我評價，然后教師根據預習報告和學生自評情況進行評價。實驗操作中，一般以小組形式開展實驗操作，因此采取互評與教師評價相結合的方式，即小組成員之間對實驗操作、分工協作等進行互相評價，而教師則以指導者的身份對小組團隊的操作、協作能力進行整體評價。實驗課后，教師對學生提交的實驗報告進行定量考核。三種評價方式相結合涵蓋了實驗過程與結果，使得學生在實驗過程中的每個階段、各個方面都得到充分客觀的考核。

2.3 考核標準

由于考核維度廣、考核方式多，因此需要制定一套完整的合格標準。預習報告主要反映學生對實驗的預習掌握情況，因此條理清晰、結構完整、內容詳實是合格的基本要求；CAE虛擬仿真分析的關鍵核心在于實際問題的抽象建模，其合格標準為所建立的仿真模型能夠準確反映實際結構的力學特性，約束與載荷正確。實驗操作過程中，應理解實驗原理，能夠熟悉操實驗儀器，知曉安全防護措施，同時與小組成員能夠很好的分工協作，不會出現配合不協調、協作不愉快的情形。實驗報告的要求為實驗目的、原理闡述清晰，實驗步驟條理清楚，圖表數據展示符合規范，結果分析討論嚴謹無誤，拓展研究體現創新。

3 結 語

為發揮過程設備設計實驗教學在培養學生綜合能力方面的重要作用，將CAE虛擬仿真技術融入傳統實驗教學，構建了虛實融合的實驗教學模式，激發了學生的學習興趣，提升了學生的綜合實驗素養。針對該實驗教學模式，分別從考核維度、考核方式、考核標準三個方面，形成以學生為中心、目標為導向的實驗考核體系，全方位考核評價虛實融合實驗教學模式下學生的綜合實驗能力，有效評價新模式下的實驗教學效果，以構成教學閉環，持續改進實驗教學質量。