流體機械原理教學模式研究與探索

摘 要 流體機械原理是能源與動力工程領域的核心課程，教學內容直接關系到本科畢業(yè)生的培養(yǎng)質量。流體機械結構復雜、抽象，學生理解難度大，如何讓學生掌握課程的核心知識點，是教學過程中的難題。針對上述問題，本課程在教學過程中積極引入多媒體教學方法，結合虛擬仿真平臺，以及鏈式教學法，力爭讓教學更加直觀化、趣味化，實現(xiàn)傳統(tǒng)教學方法與現(xiàn)代教學手段的有機結合，達到兩種教學模式相互補充、相互促進的目的。進一步引入案例教學，通過具體的工程案例分析，加深學生對基本概念、原理、結構的理解，最終提升該課程的教學質量。

關鍵詞 流體機械原理；課程改革；多手段融合；案例教學

中圖分類號：G642 " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A " "DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.12.018

Research and Exploration of Teaching Model of Fluid Machinery Theory Course

ZHANG Ning， GAO Bo， LI Zhong

（Jiangsu University， School of Energy and Power Engineering， Zhenjiang， Jiangsu 212013）

Abstract The principle of fluid machinery is a core course in the field of energy and power engineering， and the teaching content is directly related to the quality of training undergraduates. The structure of fluid machinery is complex， making it difficult for students to understand. How to make it easier for students to grasp the core knowledge points is a difficult problem. In response to the above issues， this course actively introduces multimedia teaching methods in the teaching process， combined with virtual simulation platforms and chain teaching methods， striving to make teaching more intuitive and interesting， achieve the organic combination of traditional teaching methods and modern teaching methods， and achieve the goal of complementing and promoting each other between the two teaching modes. Furthermore， case teaching is introduced to deepen students' understanding of basic concepts， principles， and structures through specific engineering case analysis， ultimately improving the teaching quality of the course.

Keywords fluid machinery theory course; curriculum reform; multi means integration， case teaching

流體機械及工程學科為國家重點學科，是江蘇大學傳統(tǒng)優(yōu)勢學科，也是教育部“卓越工程師計劃”人才培養(yǎng)試點專業(yè)，高水平流體機械專業(yè)人才的培養(yǎng)是學校的必然使命，也是行業(yè)的迫切需求[1-2]。

近些年，流體機械裝備規(guī)模及應用領域快速發(fā)展，以泵為例，其已從傳統(tǒng)的農業(yè)領域、普通工業(yè)領域向高精尖的核電領域、航空航天領域滲透。尤其隨著我國將核電作為能源的主要發(fā)展方向，核電用泵也迎來快速發(fā)展的黃金階段，其對專業(yè)流體機械人才的需求也日益迫切，高質量、復合型、實踐型人才的培養(yǎng)是相關領域發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)[3-4]，而這其中又以流體機械原理課程的教學建設為重中之重。

本課程的教學目標是讓學生掌握流體機械設計的基本原理，學會應用基礎理論解決部分實際問題。本課程主要包括葉片式流體機械基本原理、能量轉換、相似理論、空蝕、設計計算、特性曲線與運行調節(jié)、流體機械的選型等。通過教學使學生系統(tǒng)地掌握各種流體機械的工作原理及最常見流體機械的設計方法，尤其是泵的基礎理論及設計。學生在系統(tǒng)掌握各種流體機械工作原理的同時，對應用廣泛的風機、壓縮機和水輪機的設計計算也應有所了解。本課程的重點在于加強對學生專業(yè)基礎和抽象思維的培養(yǎng)，強調學生綜合應用能力的提高，使學生能夠靈活運用知識進行探索和開拓創(chuàng)新，并具有較高的綜合素質[5-7]。

幾何部件的三維空間扭曲形態(tài)及各種抽象概念是流體機械原理課程的教學難點，學生很難理解課程的核心知識點。鑒于此，教學團隊對課程教學模式進行了改革與探索，通過引入多種有效措施達到提升教學質量的目的。

1 "教學模式的改革與研究

1.1 "教學內容的全面梳理與調整

教學團隊重新對流體機械原理教學內容進行梳理，對教學大綱和教學內容進行了全面修訂，引入學科發(fā)展前沿知識，以提升學生學以致用的能力。采用深入淺出和引人入勝的內容安排，注重對多媒體、可視化、直觀化教學手段的運用，重視對流體機械結構、流體機械基本原理、流體機械設計基礎方法的系統(tǒng)講解。

課程選用的教材為九五期間普通高等教育機電類規(guī)劃教材《流體機械原理》，該教材在編制的時候，為了照顧流體機械不同的研究方向，囊括的內容十分豐富，主要包括泵、風機、壓縮機、水輪機。然而，從江蘇大學流體機械及工程方向的教學現(xiàn)狀來看，目前已較少涉及水輪機及壓縮機內容，重點教學內容仍然是各種類型的泵，尤其是葉片式泵。原有的教學框架不再適應目前的教學現(xiàn)狀。為此，教學團隊把相對陳舊的知識點進行適當精簡，去除容積式泵、水輪機調節(jié)等陳舊內容，詳細介紹流體機械基礎理論涉及的核心知識點，并進行適度拓展，同時介紹最新的流體機械學科發(fā)展方向，例如引入泵典型內流的簡介、泵內流現(xiàn)代測試基礎介紹，達到精簡教材、提高教學質量的目的。

除了仍然采用上述教材外，教學團隊充分考慮教育的國際化，在教學過程中借鑒國際上優(yōu)秀的流體機械專著，例如Centrifugal pumps，該書重視對泵基礎理論的講解。Pumping machinery-theory and practice，該參考教材重視對應用基礎理論的講解。中英文教材相結合，可以為學生提供全面、系統(tǒng)的流體機械教學參考資料。

1.2 "多媒體教學手段的綜合運用

流體機械原理課程的難點在于學生對流體機械三維復雜結構的理解，由于葉輪、導葉、蝸殼皆呈現(xiàn)三維扭曲的空間形狀，因此如何理解流體機械的復雜機械形狀，建立平面圖形與三維空間的關聯(lián)，是課程的難點。因此，如何使學生快速理解流體機械過流部件的空間幾何結構，提升學生的學習興趣，是學生掌握該課程內容的關鍵環(huán)節(jié)。本課程對教學課件進行重新編寫，引入相關圖畫及動畫，讓教學更加直觀化、可視化，從而在教學中讓學生更直觀地理解流體機械的結構特點和基本原理。通過高質量課件的編寫，讓學生專注于學，構建流體機械感性認知與理性邏輯認知的有機融合，從而提升課程教學質量。

本課程積極引入虛擬仿真教學手段，針對課程中的重難點知識進行虛擬教學，例如在泵內速度三角形章節(jié)，引入可視化的CFD手段，對泵內流動結構、速度分布進行直觀展示。在空化教學章節(jié)，引入虛擬仿真平臺，充分調動學生學習的積極性和主動性，在平臺上觀察空化現(xiàn)象的產生及其在泵內的演化過程。借助現(xiàn)代化教學手段，加深學生對流體機械基本理論和相關復雜現(xiàn)象的理解。通過引入多媒體教學方法，結合虛擬仿真平臺，力爭讓教學更加直觀化、趣味化，實現(xiàn)傳統(tǒng)教學方法與現(xiàn)代教學手段的有機結合，達到兩種教學模式相互補充、相互促進的目的。

基于本課程的特點，教學中應貫徹啟發(fā)式、互動式教學方法，著重講清基本概念、基本理論，并引入可視化、直觀化教學手段，并配以適量討論，逐步培養(yǎng)學生對流體機械的直觀感受，提升學生對過流部件的認識水平，培養(yǎng)學生由二維平面到三維空間的學習能力，最終達到提升教學質量的目的。

1.3 "引入“鏈式”教學法

課堂教學遵循學生的認知學習規(guī)律，引入“鏈式”教學法，著重知識點與知識點的銜接，努力構建前后教學內容的一體化體系，做到知識點的融會貫通，從而達到鞏固已學知識點、提升教學質量的目的。此外，將課堂教學分成4個方面：講解、練習、復習、總結，通過“鏈式”授課法，構建知識點的有機融合。授課過程中采用討論式、互動式授課方式，充分調動學生的學習主體性和積極性，幫助學生掌握課程的核心知識點。

此外，針對關鍵知識點，設置部分具有針對性、代表性的例題，幫助學生通過做習題的方式掌握重點內容，力求講得清、練習勤、掌握快，促進學生高效掌握本課程的核心知識點。

1.4 "案例教學法

除了傳統(tǒng)的化工泵、排灌泵，目前葉片式流體機械也在國防、航空等高端領域快速發(fā)展，整體朝向高速化、高功率密度、高效、低振動噪聲等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的僅僅考慮性能指標的流體機械設計已經跟不上發(fā)展潮流。因此，將前沿的流體機械知識引入課堂，通過案例教學讓學生更好地掌握高端流體機械特點及領域發(fā)展方向極為必要。本課程教學過程中，特別引入了船用泵設計關鍵技術和超高速泵原理及結構兩部分內容，通過案例教學讓學生更快地接觸到葉片式流體機械的研究前沿及發(fā)展方向。

1.4.1 "船舶用泵設計關鍵技術案例教學

船舶用泵相比于常規(guī)泵來說具有如下特點：尺寸嚴格限制、振動噪聲指標要求高。尤其是振動噪聲，其直接關系到船員的舒適性，因此是船舶用泵的關鍵性能指標。鑒于此，教學過程中對船舶用泵的結構設計特點、振動噪聲的來源、泵內壓力脈動特性、水力激勵如何控制等內容做了介紹。讓學生明白流體機械的設計不是一成不變的，在設計的過程中應該抓住主要矛盾，忽略次要問題，從而完成高質量流體機械的設計。最后，針對船舶用泵的特點，從水力設計開始，講述如何從水力上完成低噪聲設計，并進一步分析了船舶用泵的結構特點，從案例中講述低噪聲泵的結構特點及設計過程中應該注意的相關事項。

1.4.2 "超高速泵原理及結構案例教學

高速離心泵是航天、航空、化工等特殊領域的特種用泵，其轉速高，功率密度大。葉片泵的高速化是高端應用領域的發(fā)展趨勢，與常規(guī)低轉速泵相比，超高速泵轉速高、設計難度大、運行穩(wěn)定性要求高、結構復雜，其設計過程面臨非常大的挑戰(zhàn)。超高速泵的轉速可達30000r/min以上、渦輪泵甚至可以達到100000r/min，揚程可達15MPa，甚至更高。超高速泵可以在單級內實現(xiàn)多級泵的性能，其體積緊湊、重量輕，在石油化工領域亦得到了廣泛應用。超高速泵的特點是流量小、轉速高、揚程高，比轉速通常處于低比轉速范疇，通常由電機驅動齒輪箱實現(xiàn)增速，高速帶來的水力設計、結構設計（軸承、密封）、轉子穩(wěn)定性、空化等問題突出。鑒于高速化帶來的突出優(yōu)勢及設計挑戰(zhàn)，教學團隊根據(jù)最近幾年超高速泵領域的研究成果，引入超高速泵案例教學模塊，重點分析了高速泵的結構設計特點、水力部件匹配模式及多工況下的水力設計方法，為學生講述高端流體機械產品的相關知識，幫助學生拓寬視野，觸及流體機械的研究前沿。此外，高速泵主要服務于航空領域，通過案例思政教學，也可以培養(yǎng)學生的家國情懷以及服務國防等重要領域的信念。

2 "結語

針對流體機械原理的教學難點，本文對課程教學模式進行了改革與分析，基于現(xiàn)實需求，重新梳理了流體機械原理的教學內容，通過引入鏈式教學方法，運用多種教學手段，同時針對流體機械的發(fā)展方向及最新前沿，將案例教學方法引入課堂，最終達到提升教學質量的目的。

*通訊作者：張寧

參考文獻

[1] 康燦，吳里程，朱洋.能源與動力工程導論課程思政教學方案設計與實踐[J].大學教育，2023（1）：21-23.

[2] 朱躍進，劉棟，王爽.能源動力類專業(yè)的工程教育專業(yè)認證研究[J].大學，2022（16）：14-17.

[3] 劉棟，康燦.現(xiàn)代熱流測試技術教學模式的研究與探索[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（24）：141-142.

[4] 田飛，施剛，施衛(wèi)東，等.能源與動力工程控制基礎現(xiàn)代化教學一體化探討[J].教育教學論壇，2018（43）：88-89.

[5] 周磊，王軍鋒，喬芬.雙碳目標下儲能科學與工程專業(yè)建設討論[J].內江科技，2023，44（12）：83-84.

[6] 王海，王軍鋒，康燦，等.新工科背景下《傳熱學》雙語課程教學探索與實踐[J].科技資訊，2022（1）：189-192.

[7] 樓波，董美蓉，王輝.“鍋爐原理”課程虛擬實驗設計[J].科教導刊，2023（33）：90-92.