“互聯網+Python”“汽輪機課程設計”課程輔助教學

摘要：“汽輪機課程設計”是通過汽輪機的熱力設計提升學生工程實踐能力的教學過程。以往“汽輪機課程設計”經歷了由手算向電算的轉變過程，但依然存在設計質量不高、進度卡滯等問題。為了改善教學效果，本文基于PythonFlask輕量化網絡框架技術，結合math浮點運算、pyXSteam水蒸氣函數和MathJax網頁矢量公式設計了一套在線驗證程序。該程序具有編制簡單、結構清晰、由個人維護和升級的特點，通過引入該程序，可以有效地避免學生在設計中的計算方向錯誤，起到加快設計進度、加深學生對設計內容理解和運用的作用。

關鍵詞：汽輪機課程設計；互聯網+；PythonFlask；教學建設

中圖分類號：TK269文獻標識碼：A

Internet+PythonSteam"TurbineCourseDesign"Course

andTeachingAssistance

XuWanjun*SongHuayangZhuSisi

SchoolofEnergyandPowerEngineering，NanjingInstituteofTechnologyJiangsuNanjing211167

Abstract：Steamturbinecoursedesignisateachingprocesstoimprovestudents'engineeringpracticeabilitythroughsteamturbinethermodynamicdesign.Inthepast，thecoursedesignofsteamturbinehasexperiencedthetransformationprocessfrommanualcalculationtocomputercalculation，buttherearestillsomeproblemssuchaslowdesignqualityanddelayinprogress.Inordertoimprovetheteachingeffect，thispaperdesignsasetofonlineverificationprogrambasedonthePythonFlasklightweightnetworkframeworktechnology，combinedwithmathfloatingpointoperation，pyXSteamfunctionandMathJaxwebvectorformula.Theprogramhasthecharacteristicsofsimplepreparation，clearstructure，maintenanceandupgradebyindividuals.Throughtheintroductionofthisprogram，studentscaneffectivelyavoidthewrongcalculationdirectioninthedesign，acceleratethedesignprogress，anddeepenthestudents'understandingandapplicationofthedesigncontent.

Keywords：Steamturbinecoursedesign；Internet+；PythonFlask；Teachingconstruction

1概述

“汽輪機課程設計”是能源與動力工程專業的一門設計類課程，要求學生根據汽輪機熱力設計的規范要求，完成一臺小型汽輪機通流部分的熱力設計。課程目標是通過工程設計，鞏固學生對級和多級汽輪機工作原理的理解，提高學生對所學知識的綜合應用能力，培養學生分析解決問題的能力。根據往年的教學經驗，發現在設計中，部分學生很難完成高質量的課程設計任務。主要原因是設計任務計算量大、前后關聯性強，往往是某一隱蔽參數選取或計算不正確，導致后續計算錯誤，整體不能閉環，查找原因也十分困難。

典型案例1：某同學在計算進汽量時將汽輪機排汽口焓值取為理想焓值（正確應取為實際焓值），導致后面校核部分，相對內效率吻合良好，但內功率和流量始終無法吻合。修正排汽口焓值后，需要經過多步重復計算，降低了設計效率。

典型案例2：某同學在調節級設計中，代錯了流量公式（正確應根據臨界狀態選取不同的流量公式），導致噴嘴出口葉高偏小，后續計算也均不正確，需要推倒重來，浪費了時間。

典型案例3：某同學在壓力級分級中，采用整機理想焓降減去調節級有效焓降的方法來計算壓力級理想焓降（正確應根據調節級出口點等熵至排汽壓力來計算），導致壓力級級數偏多，在后續校核計算中，發現汽輪機內功率偏大，無法閉環。修正壓力級后，需要重新分級和計算。

除了上述邏輯錯誤，還經常出現的錯誤有：Excel公式運用錯誤，如將開方公式寫為x*0.5（正確應為x^0.5）；公式量綱錯誤，如將量綱為米的平均直徑和量綱為毫米的葉高直接相加；查圖錯誤，如將水蒸氣焓熵圖看串行，得到不正確的焓、熵值。

為了提高“汽輪機課程設計”課程的教學質量，讓更多的學生完成高質量的設計計算，需要對現有教學方法進行優化和創新［12］。總結上面的典型案例，發現亟待解決的問題是如何保證學生每一階段的計算結果都在合理的誤差范圍之內。然而因為每個學生的設計參數都不相同，沒有統一和標準的結果進行參考，目前只有部分參數的大致范圍可供參考。因此，需要尋找到一種有效方法讓每個學生每一階段的計算結果都有可靠的參考，也就是需要一套驗證程序來輔助教學。

2問題分析

學生完成“汽輪機課程設計”，主要參考的資料有教科書、PPT和Excel計算表格。教科書為肖增弘《汽輪機課程設計》、馮慧雯《汽輪機課程設計參考資料》、靳智平《電廠汽輪機原理及系統》，這三本教科書給出了較為全面的設計過程和方法。PPT是針對本課程的設計任務說明，給出了較為詳細的設計過程、計算方法和注意事項。Excel計算表格是輔助學生計算工作，降低人工計算量。

盡管PPT給出了具體注意事項，但在實際計算中，很多問題仍然不能避免。Excel計算表格只能保證代數計算的正確性，不能解決代數計算之外的問題。教科書《汽輪機課程設計》附贈有汽輪機設計MATLAB程序，但該程序是針對大型汽輪機機組開發的，程序設計較為復雜，內部關聯性強，不適用于本課程的驗證工作。在互聯網上，能夠查閱到較為久遠的《設計寶典Xp》和Delphi開發的計算程序，這些程序年代久遠，無法直接使用，即使能夠使用，也不適用于本課程的設計任務。

鑒于此，本文根據“互聯網+”教學模式，設計了一套能夠在互聯網上實時訪問的“汽輪機課程設計”驗證程序，幫助學生完成高質量的設計任務。設計具體目標如下：（1）通過互聯網訪問，能夠在電腦、手機、平板上實時訪問。（2）包括回熱系統、進汽量、調節級、第一級/末級直徑、壓力級、校核等計算程序。（3）網頁設計簡捷，只給出輸入和輸出，以及必要的圖表說明。（4）網站有后端系統，從靜態網頁無法提取計算過程。

3在線程序的實現

實現具有互聯網訪問的交互程序有多種方法，比如傳統網站、手機APP、MATLAB在線APP等方法。傳統網站技術成熟，限制性少，可以實現豐富的功能，但網站的開發和維護難度較大，且與選擇的開發工具有關。手機APP專注于移動手機端，對桌面端支持不友好，開發難度與開發商提供的開發平臺相關性高。MATLAB在線APP是近年來MathWorks公司推出的功能，優點是可以方便使用MATLAB提供的函數，缺點是訪問較為消耗服務器內存資源（前期測試發現），不利于大量用戶并發訪問。綜合比較，本文采用新穎的PythonFlask輕量化網絡框架技術來開發“互聯網+”程序，它不同于以往基于PHP和JavaScript的傳統建站技術，具有復雜、門檻高的特點，該技術具有程序簡單、結構清晰、由個人維護和升級的特點。Flask是一個基于Python的輕量級Web應用框架，可以讓開發者快速搭建Web應用程序，加之Python語言的靈活性和豐富的開發包，非常適用于本文在線驗證程序的開發。

“汽輪機課程設計”的特點在于要深入理解和應用水蒸氣的物理特性，為了精確模擬和計算，需要引入一些專業的數學函數庫。首先，浮點運算是設計中的關鍵部分，為了提供這種計算能力，這里選擇安裝Python的math模塊，可以通過在控制臺輸入pipinstallmath命令安裝math模塊。這個模塊包含了大量的數學函數，可以方便地進行冪次運算、三角函數運算等。為了實現水蒸氣的性質計算，需要引入pyXSteam模塊。這個模塊專門針對水蒸氣的熱力學性質進行設計，包含了大量的函數，可以方便地計算水蒸氣的各種物理屬性，如壓力、溫度、焓值等。通過在控制臺輸入pipinstallpyXSteam命令，可以將這個模塊集成到程序中，實現對水蒸氣性質的精確計算。

為了便于公式的說明，需要在網頁上顯示數學公式，這里選擇MathJax。MathJax是一款運行在瀏覽器中的開源數學符號渲染引擎，使用MathJax可以方便地顯示矢量形式的數學公式，不需要使用圖片。使用時，將MathJax的es5文件夾下載，存儲于“static”文件夾內；在HTML的head部分中添加＜scriptsrc="{{url_for（'static'，filename='es5/texmmlcHTML.js'）}}"id="MathJaxscript"async>＜/script>語句。HTML的body中可以使用LaTex語法來書寫公式，比如x=a2，可以寫為x=a^2。單行公式可以用轉義符$$x=a^2$$包裹起來，嵌入文字內的公式可以用轉義符＼＼（x=a^2＼＼）包裹起來。另外，為了避開Flask的Render_template模板對LaTex公式解析造成的混亂，必要時可以在公式前后加入{%raw%}和{%endraw%}語句來避開Render_template的解析。

在線驗證程序的主體部分由前端的HTML網頁和后端的Python程序構成。HTML采用post方法，將body中由用戶輸入的多個text數據，通過sumbit按鈕提交到后端的Python。Python通過request.form［］和float命令將得到的text數據轉換為浮點數字，結合math和pyXSteam函數，進行相應的計算，將計算結果通過render_template模板再次傳遞給前端的HTML網頁。為了在HTML網頁上顯示結果，可以使用轉義符{{}}將變量包裹起來。當HTML網頁被渲染時，變量會被其對應的值所替換，用戶在前端的HTML網頁上會看到計算結果。

Flask是構建在線驗證程序的核心框架。通過在控制臺輸入pipinstallflask命令安裝Flask模塊。在Python程序起始部分輸入fromflaskimportFlask，render_template，request和app=Flask（__name__）創建Flask應用程序。每一個獨立的驗證程序，由定義路由、處理函數、HTML網頁三部分組成。路由通過@app.route（）定義，它的作用是在程序運行時，裝飾一個視圖函數，用給定的URL規則和選項訪問它。處理函數由def命令執行，它是指當用戶訪問該路徑時執行的代碼，代碼內容包括了驗證程序的輸入、計算、提交三個部分，其中提交部分通過render_template模板渲染HTML網頁實現。一個驗證程序需要定義兩個HTML文件，一個用于顯示首頁（index.html），另一個用于顯示結果（result.html），也可以合并成一個文件（display.html），便于管理和修改。HTML文件存放于“templates”文件夾內。除了上述所述，還需要在細節問題上進行一些把控，比如，如何給定輸入參數的缺省值、如何采用公網IP和域名訪問等問題。

在線驗證程序的設計重點是簡單、方便、一看就懂，設計的驗證程序可以遵循以下原則：（1）階段化，設計的驗證程序與課程任務階段匹配，學生完成相應階段后再使用驗證程序來校核結果；（2）輕量化，設計的程序只給出輸入和輸出，以及必要的圖表說明，無須其他復雜選項；（3）便捷性，學生可以通過電腦、手機、平板在教室隨時訪問，不用注冊、登錄、驗證等煩瑣手續；（4）維護性，驗證程序易于維護，可以隨著反饋多次修改和優化，如條件允許可由上課教師維護。本文先后設計了汽輪機總進汽量D0的估算（方法一）、汽輪機總進汽量D0的估算（方法二）、調節級、動葉頂部漏汽量、導葉頂部漏汽量、第二列動葉頂部漏汽量、葉輪摩擦損失、葉高損失、鼓風損失、斥汽損失、級內漏汽損失、濕汽損失、第一壓力級平均直徑d1的估取、凝汽式汽輪機末級直徑dz的估取等若干驗證程序。圖2給出了汽輪機總進汽量D0的估算（方法一）的網頁界面，可見，本例的輸入參數為六個變量，輸出參數為兩個變量，通過calculate按鈕提交和反饋，網頁右側給出了公式說明，詳細解釋了每一個參數的含義和量綱。

本文設計的驗證程序在2023年秋季學期的“汽輪機課程設計”中得到了部分應用，該程序主要提供給那些在設計過程中遇到困難、無法準確找出問題所在的學生進行試用。在使用過程中，學生們能夠利用驗證程序來檢查他們的設計步驟和計算過程，從而找出可能的錯誤或疏漏。這種即時的反饋機制使學生們能夠及時調整他們的設計策略，避免了在錯誤的方向上花費過多的時間和精力。從學生們的使用反饋來看，驗證程序在緩解進度卡滯問題上表現出了顯著的效果。它不僅提高了學生們解決問題的效率，也提升了他們的學習體驗。學生們表示，使用驗證程序后，他們能夠更快地找出并解決問題，從而有更多的時間去深入理解和探索課程的其他方面。此外，驗證程序的使用可以使教師更專注于講解課程的核心概念和原理，而不是把大量時間花費在解答個別學生的具體問題上，在一定程度上加快了教學的進程，更多的學生可以在課內時間完成報告撰寫。

結語

本文將“互聯網+”思想引入“汽輪機課程設計”中，基于新穎的PythonFlask輕量化網絡框架技術設計了在線驗證程序，該程序具有編制簡單、結構清晰、由個人維護和升級的特點。通過學生對程序的試用，得到了正向反饋，有效解決了進度卡滯問題，提高了本課程的教學效果。

參考文獻：

［1］宋曉皎.“精品課程”建設背景下的汽輪機課程教學設計［J］.造紙裝備及材料，2021，50（1）：173174+181.

［2］施鎏鎏.計算機軟件在汽輪機原理課程設計中的應用［J］.課程教育研究，2017（29）：233234.

基金項目：南京工程學院教學建設項目（JXJS2023018）

*通訊作者：許萬軍（1985—），男，漢族，黑龍江海林人，博士，副教授，研究方向：汽輪機性能優化。