過程設備機械設計基礎與制圖集中教學改革探索

［摘 要］ 過程設備基礎、制圖、課程設計通常以分散教學模式面向工科學生，存在學生難以發現知識之間的內在聯系、知識體系受限、學習興趣不高等問題，而集中教學模式可以提高教學知識的豐富度和關聯度。依托華東理工大學機械與動力工程學院教學優勢，開展了過程設備基礎、制圖、課程設計三合一集中教學，實現了由簡入繁的課程銜接，形成了緊密配合的教學進度，改革教學效果評價方式，提高了學生的學習興趣，加深了專業知識的教學深度，為全國同類課程的改革實踐提供了借鑒。

［關鍵詞］ 過程設備；機械設計；制圖；集中教學

［基金項目］ 2020年度上海市教育發展基金會和上海市教育委員會“晨光計劃”（20CG39）

［作者簡介］ 許 蕭（1990—），男，山東臨清人，博士，華東理工大學機械與動力工程學院副教授，主要從事過程強化技術及新型化工裝備研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）32-0060-04 ［收稿日期］ 2023-07-18

引言

習近平總書記在黨的二十大報告中強調，加快建設高質量教育體系，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人，加強基礎學科、新興學科、交叉學科建設，加快建設中國特色、世界一流的大學和優勢學科，優化國家科研機構、高水平研究型大學、科技領軍企業定位和布局，加快實現高水平科技自立自強［1］。生物醫藥工科試驗班是由華東理工大學生物工程學院和藥學院結合其學科優勢和工程研究底蘊聯合創辦的新工科專業，秉承“厚基礎、強實踐、少而精、博而通”的培養理念，培養生物醫藥交叉學科領域的拔尖創新型人才，尤其是在新藥創制、細胞大規模培養與工程化技術、抗體與疫苗等現代生物醫藥領域進行人才培養，并服務于“健康中國”戰略的實施。

我國全日制高校的課堂教學普遍實行的是傳統的分散式教學模式，以32學時、2學分的課程為例，每周開展2學時課程教學，持續16周，在學期末進行考試考核。分散式教學模式提供了豐富的課余作業時間，學生可以充分利用每周的空閑時間進行預習、復習、做作業及實踐等，符合循序漸進的學習要求［2-3］。然而，隨著我國高等院校招生人數增加、學生自律能力減弱、就業前景黯淡等問題的出現，學生不再以興趣為學習的驅動力，難以理解課程之間的關聯和協調，學生關注的焦點也轉移到了應付考試、尋找深造和工作機會等方面，傳統分散式教學模式提供的豐富課余時間并沒有被用在鞏固課堂知識方面，存在課程重視程度不高、作業質量下降、課堂秩序散漫等問題。

集中式教學模式可以將具有關聯性的多門課程融合在一個課程中，并集中在一個學期或更短時間內完成。目前一些高校將部分選修課納入了集中式教學模式，開展了有益探索［4］。集中式教學模式對教學內容和教學時間進行了適當的集中，能夠解決知識點過于分散、學生難以發現知識之間的內在聯系等問題［5］；還能夠很好地提升學生的學習興趣，將多種教學內容進行系統的編排，使學生感到新奇，從而提高學習興趣［6］。

華東理工大學面向生物醫藥工科試驗班，將過程設備基礎、制圖、課程設計三門課程匯總集中教學，開設了“機電基礎及計算機輔助設計”課程，授課教師來自華東理工大學機械與動力工程學院。培養方案指出，該課程重點培養學生設計開發解決方案和使用現代工具的能力，開設在大學第四學期，是工程基礎知識模塊學分最多、學時最集中的課程之一。總學分為5學分、總學時為96學時，其中，過程設備基礎教學內容占32學時、2學分，計算機輔助設計和制圖教學內容占32學時、2學分，課程設計部分占32學時、1學分。該課程要求學生掌握綜合運用生物醫藥專業知識設計解決復雜工程問題的技術、工藝、系統及單元，在設計環節中體現創新意識，充分考慮社會、健康、安全、法律、文化及環境等因素，能夠開發、選擇和使用現代科學儀器、工程工具和先進的信息技術工具，能對復雜工程問題進行模擬、分析及預測。

集中式教學模式帶來了三個教學挑戰：首先是課程之間的銜接問題，其次是授課內容進度協調問題，最后是考試標準問題。集中式教學模式的順利開展，需要更加系統、全面、細致地考慮各門課程的銜接和各種教學資源在時間和空間上的分布狀況，完善評估方法和手段，發揮現有資源的整體優勢，最終實現全面提高辦學水平。

一、由簡入繁的課程銜接

該課程面向大二學生開課，但本科生尚未掌握制圖和讀圖的相關技能，當他們看到一張設備圖紙或一本設備計算書時，無法將圖紙和參數具象化，面對復雜的設備設計原理和公式，學生的學習效率較低［7］。因此，“機電基礎及計算機輔助設計”課程應首先開展計算機輔助設計和制圖專題。從簡單的點線面幾何投影原理開始，逐漸代入三視圖繪制和簡化畫法，最后開展計算機輔助制圖上機課程，介紹計算機輔助設計的便捷優勢，提供典型零部件的拆分畫圖案例。在該專題教學過程中，設置具有制圖經驗的研究生助教團隊，為學生的課后作業提供系統的跟蹤輔導與服務，幫助學生答疑解惑。

其次開展過程設備基礎專題。“過程設備機械設計基礎”是一門關于過程工業相關設備設計基礎的理論課程，主要面向非機械類工科學生，授課學生普遍缺乏基本的力學基礎，對這門課的學習積極性較低［8］。采用由簡入繁的順序，依次講解工程力學知識、工程材料、機械設計、過程設備和壓力容器等與過程設備機械密切相關的知識，使非機械類專業的學生能夠從過程設備的視角對過程工業的生產流程有更為深入的認識，全面提升工程能力和綜合素養，并在今后的工作和實踐中具備與設備工程師進行溝通與合作的基本知識和技能。該專題教學過程中，基于華東理工大學多層次信息化平臺，建立了完善的教學管理、知識分享、師生互動制度。

第三個開展的專題為課程設計。理論教學完成后，一般會安排相關的課程設計，鞏固理論課上所學的知識，培養學生解決工程實際問題的能力，旨在使學生獲得必要的過程設備機械設計基礎知識，了解典型設備的結構、性能和選用原則，掌握壓力容器設計的基本方法和步驟，推動實現學生既通工藝又懂機械這一行業共同目標［9］。該專題教學過程中，采用學生分組交作業的模式，完成不同的攪拌反應釜的設計。

二、緊密配合的教學時間協調

由于教學學期涵蓋16個教學周，“機電基礎及計算機輔助設計”課程每周為6學時，通常兩個學時為一次連續教學，因此，每周需要3次連續教學。為了保證學生能完成作業以及作業的及時批改，計算機輔助設計和制圖專題與過程設備基礎專題的教學時間為每周一、周二、周四上午。周一和周二合并布置一次作業，周三下午交作業，周三晚上完成作業批改；周四布置一次作業，周六上午交作業，周六下午完成作業批改，在周日完成典型作業錯題整理及知識點分析，這樣下周一就可以將學生未掌握牢固的知識點進行再次強調。緊密配合的教學時間協調充分地發揮了助教團隊和授課教師的教學教輔作用，可以突出重點的課程教授內容。學生在學習制圖技能之后，可以很快了解到制圖技能在過程設備基礎方面的重要作用，直接提高了學習效率，兩個專題之間的關聯關系更加緊密地呈現在學生面前，使學生對工程基礎知識模塊的主要內容有了概括而又重點突出的了解。

在上述兩個專題學習的基礎上，馬上進行課程設計教學。選取典型夾套式攪拌反應釜為例，根據其工藝特征，開展設備設計。針對130名本科生組織了36個設計小組，課程負責人專門組織了設計小組的內部分工及整體要求的培訓，提出了人人有任務、整體高水平的要求，小組分數等于個人分數。依次開展選題分組、設計說明書、設計圖紙、答辯考試四個教學環節，在課程建設過程中，既考慮保障課程的下限要求，又希望保障課程的上限要求，具體而言，未完成課程設計說明書和設計圖紙視為課程總體不及格，在答辯考試環節考查學生的學習質量。

三、課程評價標準與實施效果

“機電基礎及計算機輔助設計”課程涵蓋過程設備基礎、制圖、課程設計等課程內容，一張期末考試試卷無法覆蓋96學時的課程內容，無法以一次期末考試成績來確定學生的學習效果。而是應該關注學生的學習過程和持續改進，目的是希望學生珍惜和重視每一堂課、每一次作業和每一次設計任務的內容，因為這些內容即將在課程設計及未來工程設計過程中得到反復使用。

課程最終的總成績綜合考慮了期末考試試卷成績、日常作業等級、課程設計說明書和圖紙、課程設計答辯考試等內容，所占總成績比例分別為50％、10％、10％、30％。其中，期末考試試卷滿分為100分，包括50分的過程設備基礎題目及50分的制圖題目，題型分別為單選題、判斷題、簡答題、計算題和讀圖題，20個單選題和10個判斷題覆蓋了大部分知識點，簡答題考查了學生工程力學的受力分析和動手制圖的能力，計算題包括兩個典型的過程設備設計案例，讀圖題提供了一個A1圖紙的設備圖紙。日常作業根據完成情況從優到差分別給予A、B、C、D四個等級，分別對應99分、89分、79分、59分。按時提交課程設計說明書和圖紙且無知識性錯誤的給予100分，按時提交課程設計說明書和圖紙但有知識性錯誤的給予90分，未提交課程設計說明書和圖紙的總成績為零分。課程設計答辯考試滿分為100分，采用線上考試，將課程設計過程中使用到的公式、公理、標準進行開卷考試，時長為45分鐘，共計20個選擇題，在華東理工大學多層次信息化平臺進行考試，題目順序和選項順序均做了打亂處理，考查學生短時間內的課程設計相關資料查閱能力和工程設計意識。課程考核考查了學生的查閱資料能力、團隊協作溝通能力、動手操作能力、軟件運用能力、分析及解決問題能力等，多維度的考核評價指標彌補了傳統考核形式單一的缺點，更能全面地考核學生的真實水平。

課程教學過程中，60％以上的學生可以做到100％參加課堂教學，課堂平均簽到率達到95％，作業完成率達到100％，課程設計完成率達到100％。學期的最后，一些學生對自己開展的作業和課程設計感興趣，向課程負責教師詢問是否可以提供類似的設計案例，以便加強專業技能的熟練程度，體現了學生扎實的過程設備設計能力、超強的學習興趣及創新創業意識。基于對每個專題及專題之間關系認識水平的加深，學生更加熟練地掌握了工程基礎知識。集中式教學模式不僅使學生學習興趣大幅提高，而且促進了學生實踐能力的發展。課程匯集了過程設備基礎、制圖、課程設計等眾多內容，總成績分數集中在66～85分，如圖1所示。90分以上的人數較少，說明了該課程知識覆蓋范圍大、學習難度較大。另外，總成績分數呈現正態分布，說明課程的考核評價指標比較合理，能夠有效評價學習效果的優良程度。

結語

依托華東理工大學機械與動力工程學院在過程設備機械設計基礎、工程制圖等方面的教學優勢，面向華東理工大學生物醫藥工科試驗班，開設了“機電基礎及計算機輔助設計”課程，匯集了過程設備基礎、制圖、課程設計等課程內容，探索了集中式教學模式的課程建設和實施效果，解決了課程銜接、進度協調、評價標準等難題。教學實踐表明，過程設備基礎與制圖的集中式教學模式，有助于提高課程之間的關聯度，優化課堂授課質量，調動學生自主學習的能動力，提高了學生的學習興趣，加深了專業知識的教學深度，為培養拔尖創新型人才提供了支持。

致謝

感謝上海市教育發展基金會和上海市教育委員會“晨光計劃”（20CG39）的資助和支持。

參考文獻

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［9］錢錦遠，李文慶，劉寶慶，等.從“壓縮餅干”到“運動飲料”：過程設備的選型與設計課程教學改革與實踐［J］.化工高等教育，2021，38（4）：80-84.

Exploration of Centralized Teaching of Mechanical Foundation for Process Equipment and Cartography

XU Xiao， HAO Jun-wen

（School of Mechanical and Power Engineering， East China University of Science and Technology，

Shanghai 200237， China）

Abstract： Mechanical foundation for process equipment， cartography， and curriculum design are usually presented to engineering students in a decentralized teaching mode. It results in problems such as difficulty in discovering the connections between courses， limited knowledge systems， and low interest in learning. The centralized teaching mode can improve the richness and relevance of the knowledge points. Based on the teaching advantages of the school of mechanical and power engineering of East China University of Science and Technology， a course， combination of mechanical foundation for process equipment， cartography， and curriculum design， has been carried out as centralized teaching. The order of teaching content was realized from the simple to the complex and a reasonable time schedule was performed. We reformed the evaluation method to improve students’ interest in learning and deepen the teaching depth of professional knowledge. This work provides a well reference for the similar courses in China.

Key words： process equipment; mechanical foundation; cartography; centralized teaching