基于數據挖掘分析的“過程流體機械”課程教學改革初探

龔 彥

（西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500）

“過程流體機械”課程作為過程裝備與控制工程專業的核心基礎課之一，不僅涉及多種基礎知識的綜合運用，而且理論性和實踐性強，學習難度較大。學生在學習了基礎課和技術基礎課程，具備了工程力學、流體力學、工程熱力學、機械設計基礎的相關知識后方能進行本課程的學習。本課程的目的在于能夠使學生綜合運用相關基礎課、技術基礎課的基本理論，通過本課程的學習，使得學生掌握常見過程流體機械的基本工作原理和結構，熟悉各類流體機械的特點和應用場合，培養學生初步具備從事過程流體機械的選型、使用、管理及研究等能力［1-2］。本課程教學過程中積累了海量的教學數據，比如課程成績、平時成績、實驗成績、學習平臺等，課程成績不但可以分析學生的學習習慣、學習效果，還能用于評價教學質量。因此，數據作為數據挖掘的基礎，通過挖掘分析找到這些數據背后的價值和關聯，了解學生對課程學習的掌握程度，進一步提高“過程流體機械”的教學質量，為優化教學改革提供決策依據和數據支持［3］。

數據挖掘也稱數據庫中的知識發現，即從大量的歷史數據集合中提取有效的、新穎的、潛在有用的、最終可理解的信息和知識的過程，簡單來講，數據挖掘就是用統計的算法從大量數據中找出其中隱含的某些規律和關聯性知識的數據檢索方法［4］。數據挖掘方法有多種分類或預測型發現、聚類、序列模式發現、關聯規則發現、異常和趨勢發現等，關聯規則挖掘是數據挖掘的一個重要研究分支，其目的是發現大量數據集中的關聯或相關聯系［5］。

隨著“過程流體機械”課程基礎數據的不斷積累，可利用數據挖掘技術從大量的歷史基礎教學數據中挖掘影響“過程流體機械”課程成績的主要因素，發現“過程流體機械”與其他課程之間的關聯關系，進而使用系統工程方法進行“過程流體機械”課程教學改革，合理規劃“過程流體機械”課程的內容，使“過程流體機械”與其關聯課程之間的內容聯系更加緊密、銜接更加順暢，幫助學生從計算機系統整體的角度理解“過程流體機械”課程［6］。

一、“過程流體機械”數據挖掘實驗設計

本研究對象是某高校過程裝備與控制工程專業2019—2021級3個年級共246人，以圍繞“過程流體機械”學習的各環節為研究對象開展實驗設計，以本課程最終總成績作為評價學生對本課程的掌握效果。學習本課程的各環節分為學習前、學習中、學習后。學習本課程前，學生學習“流體力學”“工程力學”“工程熱力學”“機械設計基礎”等相關前期課程的成績作為數據展示了學生的相關基礎水平；學習本課程中，學生完成平時作業的質量、完成相關課程實驗的質量及成績、互動教學中學生對相關專業問題的理解及分析情況為展示學生學習過程及參與情況；學習本課程后，學生期末考試成績情況、學生課程設計的情況等為對學生學習本課程后對本課程知識綜合應用的能力考查。采用數據挖掘中的關聯規則算法，數據采集處理結果如表1所示。

表1 課程信息數據采集處理結果

設計基于關聯規則的成績預警模型，預警規則是形如X→Y的蘊涵式。其中X?I，Y?W。對?x∈I，?y∈W，有（x，y）∈P。該規則可以看作一種預警項集和項順序關系約束的關聯規則。預警規則反映了預警事件和其他事件之間依賴或關聯的關系，事件中的項值可以依據與其存在關聯的項值進行預測［7］。

給定一個交易集D、項集W和項順序關系集P，挖掘規則的問題就是產生支持度大于給定的最小支持度（minsupp）、可信度大于給定的最小可信度（minconf）的關聯規則X→Y，其中X?I，Y?W。對?x∈I，?y∈W，有（x，y）∈P。統計所有的業務數據，設置最小支持度和頻繁項集的最大長度K=8。剪除小于支持度的項集，再進行下一次統計。直到達到FT-tree的最大長度8時算法終止。

從關聯規則分析得到重要關聯，“理論力學”“流體力學”“熱工基礎”與“過程流體機械”課程之間有很強的關聯性，這些相關課程的成績和學生平時作業成績及實驗成績對“過程流體機械”課程成績影響較大，學生平時作業成績及實驗成績則揭示的是課程開展過程中的教與學過程。由此可見，“過程流體機械”課程改革的重點是扎實前期“理論力學”“流體力學”“熱工基礎”等相關基礎課程的教學，著重抓課程的教學過程，使學生學會應用前序學習知識分析認知本課程所講解的內容，從而深入把握本課程所傳遞的教學內容，最終達到具備相關知識的培養目的。總體上講，需革新教學模式，夯實基礎知識，借用先進的教學手段，更新并豐富教學資源，將抽象的理論知識形象化、具體化、可視化，便于學生理解，給學生帶來視覺、聽覺及感知的認知沖擊，將書本扁平的文字生動化、立體化，加深學生在學習相關知識的印象。

二、“過程流體機械”課程改革實施

基于數據挖掘分析的“過程流體機械”課程改革主要強調基于融合相關基礎知識的“教與學”過程的重塑，在“過程流體機械”課程的教學過程中，貫穿于與“過程流體機械”關聯度較高的“流體力學”“熱工基礎”“理論力學”等課程內容，在教學過程中將流體能量與機械能轉化形式作為主線，基于不同的轉化形式，闡述解釋不同類型流體機械的工作原理、工作特性、結構特征、應用場合，使得學生從機理上理解掌握本課程所講述的各類流體機械，最終達到培養學生具備從事過程流體機械初步設計研究使用的能力，以及具備在實際工程中使用運營，選型、管理過程流體機械扎實理論知識的目的。因此，此次“過程流體機械”課程改革主要圍繞以下幾方面進行。

1.強化前序基礎知識的鞏固，加深學生對基礎知識的掌握及在本課程中的靈活應用，使得前序基礎知識在本課程中起到“穿針引線”的作用，夯實學生知識基礎，形成課程學習的整體性和連貫性。本課程講授的原理主線一直圍繞流體能量與機械能的相互轉化開展，能量的轉化是在不同力作用下的結果，涉及核心的流動方程即為能量方程和動量方程。不同形式的流體機械正是基于不同形式的流體能量與機械能相互轉化的結果而分類的，這需要理解和掌握流體運動的能量方程，而動量方程則從力學本質上指出了不同類型流體機械的工作原理差異，以上兩大方程對于可壓縮流體涉及熱力學基本定律的相關知識。要理解和掌握本課程的主線，就需要對“流體力學”“理論力學”“熱工基礎”等相關課程的知識熟練運用，以理解本課程所講的知識。在本課程教學活動開展前期，指導學生對前序知識的核心內容進行疏導，形成知識儲備；在課程教學中，課程內容進行到相應章節時，應及時引出相關基礎知識，幫助學生復習前述知識，同時引導學生將所引出的知識用于分析、理解本課程對應所講的知識點；在本課程教學的末期，通過比較法展示不同流體機械的運行現象，指導學生分析其背后的原理和力學本質，加深學生對所學知識的理解和掌握。

2.更新教學手段，優化課堂組織方式，引導學生主動思考，使得被動接受式學習變為主動探索式學習。

改變傳統講授說教式的、被動接受式的教學方式，注重應用引導式、啟發式、互動式的教學組織方式，將枯燥的“填鴨式”教學方式生動化，提高學生的學習興趣。本課程本身與工程實際應用緊密聯系，課程學習的目的之一就為更好地服務實際工程，應通過展示實際工程案例，設置現場應用的問題，引出所講述的知識點，引導學生基于工程問題積極思考，將本課程所講知識與工程實際相結合，使原本空洞抽象的知識點找到工程案例的落腳點。將書本知識融入工程實際問題中，起到加深學生學習印象的作用，學生通過主動思考問題，加深了對知識的理解和掌握。

3.引入行業先進技術手段，豐富教學資源，使得枯燥復雜的理論知識變得直觀化、可視化、易學化。流體機械的內流多看不見，摸不著，諸如流道中流體的速度場分布規律，壓力場分布規律，流動分離現象，空化現象，以及流道壁面的各種物理量分布等，這些物理量在不同類型的流體機械內部存在較大的區別，使得不同類型流體機械的外特性也存在著較大的區別，學生只能基于對理論知識理解和消化，形成抽象的認識和映像，這種方式很容易造成學生在學習時混淆知識，造成理解的“黑箱”。現代計算機輔助教學技術和數據處理技術，使得將以上物理量可視化，直觀化的表達成為可能。在本課程的教學中，應借用CFD仿真技術，結合數字孿生技術，虛擬仿真與增強現實技術，將原本看不見、摸不著的流體機械內流場可視化地呈現出，通過彩色云圖、三維流線、動畫等生動形象地描述流體在流體機械中的流動過程和能量轉變過程，使得學生能更為直觀的認識流體和流體機械的相互作用過程，理解本課程所講授的知識點，達到提高學生學習效果和學習效率的作用。

4.強化課程的實驗內容，改變傳統的實驗教學方法，增加學生動手環節，加強學生對所學知識的綜合應用。課程實驗對學生理解、掌握課程所述知識具有重要作用，實驗課程是將抽象的理論知識具體化展示的一種直接方式，能使得學生印象深刻。為了在學習過程中，加深學生對相關知識直觀形象的理解，應豐富實驗手段和實驗內容。如將結構剖析實驗、原理展示實驗采用虛實結合的方式展現，一方面使得學生能全方面掌握相關流體機械（特別是大型設備）的結構原理，另一方面能直接面對工程實際流體機械，有更為直觀的印象。在外特性實驗、內流實驗等實驗中，可采用故意試錯法，在實驗過程中故意設置相關故障和錯誤，將在實際工程中不允許出現而又可能出現的工況搬到實驗教學中，促使學生在實驗中發現問題、思考問題，增加其動手環節，培養其分析問題、解決問題的能力，最終達到使學生具備知識應用能力的目的。

結語

通過數據挖掘中的關聯規則得到影響“過程流體機械”課程成績的因素，了解學生對“過程流體機械”課程知識的掌握程度，“理論力學”“流體力學”“熱工基礎”相關的前序課程和本課程的教學開展過程有著重要的關系，從而分析進行“過程流體機械”課程改革的必然性和可行性。改革從系統觀出發，強調在本課程開展的各環節中注重融入前序“理論力學”“流體力學”“熱工基礎”等相關課程的基礎知識，更新教學手段，優化課堂組織形式，借鑒線上線下深度融合的課堂教學方式，引進先進的信息化教學手段，豐富課程教學資源，將教學資源掛載到云端，實時更新教學資源，利用教學信息化手段將抽象的內容可視化、直觀化；在實驗環節注重采用虛實結合和故障設置的方式，增加學生動手環節，提高學生動手能力，提高就業質量。通過對本課程的改革，使得學生在學習完本課程后具備扎實的理論基礎知識，熟練地掌握流體機械專業基礎知識，并構建起對流體機械的宏觀認識，為其進入相關行業從事流體機械的設計研究、運營、維護等打下扎實的基礎。隨著融合大數據特征的新工科迅猛發展，工科核心課程教學改革大勢所趨，課程改革及課程教學應使得培養出的學生所具備的知識能滿足行業及社會對相關人才的要求。