基于“新工科”的“过程流体机械”教学方法研究

随着工业4.0的提出和互联网科技与工业技术的互相渗透,世界正在兴起一场新的工业科技革命,同时产业变革加速进行,综合国力竞争愈加激烈。我国实施创新驱动发展、“中国制造2025”“互联网+”“一带一路”等重大倡议,以新技术、新业态、新产业为特点的新经济蓬勃发展,这又对我国高等工程教育提出了新的挑战。为此,教育部教育司日前下发了《关于开展新工科研究与实践的通知》[1],提出了高等工科教育 “新工科”建设的人才培养思路。“新工科”建设是一种新的工程教育发展模式,它不仅要解决如何培養具备更强创新创业能力、跨界整合能力的新型工程科技人才的问题,更着眼于面向未来新技术和新产业发展,着力推动学科交叉融合和跨界整合,并构建工程教育的新理念、新结构、新质量和新体系。所以,新工科虽然是以新经济、新产业为背景提出的,其建设目标之一就是要设置和发展一批新兴工科专业,但另一方面也旨在推动现有工科专业的改革和创新。这种改革和创新的一个关键就是对现有专业传统课程教学体系和方法进行改革。“过程流体机械”是一门讲授流体高效输送设备的课程。它是许多传统专业的主干课程,也是一门多学科交叉融合的专业技术课程。长期的教学实践表明,该课程在强化学生工程意识、培养学生工程创新能力方面大有可为。“新工科”对工程技术人才知识结构转换、工程创新能力提升的要求,为课程的改革指出了方向。本文拟从新工科的视角,重新审视该课程的教学体系和教学方法,并从教学方法、教学体系、实践教学平台以及课堂教学延伸等四个方面对教学过程做初步的探究。 
  一、以CDIO的教学思想,构建知识传授与工程能力培养并重的教学方法 
  “CDIO工程教育模式就是将企业产品生产全过程映射至高校人才培养的全过程[2]。就是在整个教学过程中,将被动学习的学生转换角色,成为一个能够应对挑战的工程师角色。CDIO模式下的教学,突出的是学生主动参与学习的程度和高标准的工程教育内容及实践。因此,CDIO的教学理念与“新工科”的建设理念是相通的。为此,以CDIO的工程教育思想,构建培养工程能力和创新能力的教学方法具有很好的借鉴作用。遵照这一思路,本课程将探索“教师讲解结合研讨交流”的教学方法。其中教师讲解部分多采用案例式教学,而研讨交流主要采取学生课堂即时讨论和课后查阅资料再汇报交流的形式。该方法的核心是将知识传授与工程实际密切结合,提高学生综合运用所学知识进行观察、分析和解决工程问题的能力。要点是:针对本课程内容繁多、实践性强的特点,在课程讲授中,采用思想实验、模拟演示等方式,让学生先从感性上认知流体机械(泵、压缩机)的结构和工作原理,再启发学生从能量转换角度,提出不同的流体增压和输送方案;然后,通过深入的理论讲解,并结合讨论和辩论,分析评价学生所提方案的优劣;再配以课后的综合作业、专题调研和探索创新研讨,实现让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习,强化教学效果。与传统的教学模式相比,新的教学方式贯彻了“做中学”角色转换的CDIO教学理念,体现了知识传授与工程能力培养并重的特色,可提升学生学习的主动性和热情,教学效果也得到了提高。 
  二、以“新工科”为指导,构建新的课程教学体系 
  “新工科”强调的是学生工程意识的培养,突出的是培养满足“中国制造2025”,“互联网+”等国家战略要求的创新人才。为达成这些目标,“过程流体机械”教学体系的改革既要考虑到本课程与先修课程和后续教学环节的衔接,又要考虑适应流体机械发展和用人单位的需求。为此,本课程教学内容删除了部分与先修课程重复的内容,改进或补充了部分新内容,具体包括: 
  1.在流体机械历史和发展趋势简介中,增加人类利用流体机械的历史的描述以及目前的发展趋势;特别是通过若干典型应用实例(如乙烯工业、西气东输中的流体机械)的简要分析,指出其主要特点,分析流体机械面临的高参数、大型化、自动化、高可靠性的发展趋势,并重点比较国内外存在的技术差距,激发学生的学习积极性。 
  2.在流体机械选型设计和操作维护章节学习中,考虑到毕业生大多从事选型和操作维护方面的工作,很少从事流体机械结构设计工作,因此删减部分设计内容,相应增加石油化工领域所用流体机械的选型设计、性能比较和操作维护等方面的内容。同时,结合“新工科”建设的目标,引入全生命周期的概念,从流体机械的选型设计、操作使用、维护管理乃至设备报废等各个环节,以及从工艺性能、能量利用效率、投资维护费用、安全可靠性和环境影响等方面,全面分析评价选型方案的合理性。 
  3.引入流体机械新概念和新技术的介绍,一方面,结合现场实际,让学生了解流体机械的发展概况。例如,在讲解离心泵和压缩机工作原理时,重点采用简化的一元流动理论进行分析,再附带介绍三元流动理论的应用;在离心压缩机性能曲线和零部件部分,还补充压缩机性能测试技术、喘振控制方案、新型干气密封以及新型滑动轴承等知识的介绍;在活塞压缩机部分,补充国外最新的用于乙烯压缩的超高压压缩机的工作原理、结构特点、设计制造难点和操作维护要点等内容。另一方面,设立流体机械新概念创新训练环节,要求学生从能量转化的角度及其基本原理出发,先尝试提出各种可能的方案,再结合方案实现的各种工程制约因素(如结构复杂性、制造“三化”的便利性、操作维护方便性、成本经济性等),进行讨论和评价。
“新工科”建设是高等工程教育的新模式、新思路,只有突破传统的教学模式,突出工程教育和新技术发展衔接的教学重点,引入全生命周期的课程教学内容,重新建立课程内容的层次架构,才能构建出新兴产业要求的工程技术人才培养教学体系。 
  三、以工程教育实践教学为重点,构建具有创新能力培养的实践教学平台 
  “新工科”倡导的是工程能力的培养,而工程技术问题是综合的、复杂的,往往涉及多领域、多学科,同时还要考虑诸如经济的,管理的,法律法规等非技术方面的因素[3]。现代工程的这些特点,使得工程教育必须着力加强对学生工程意识、工程思维能力的培养以及工程实践环节的训练。首先应从解决工程问题和工程案例的角度,将学科中的相关基本知识、基本定律等进行组合分析,一方面着重培养工程意识和工程思维能力,另一方面结合解决方案的实用性、经济性等方面,注重培养学生多学科知识点的综合能力。其次,通过实践教学使学生融会理论知识、贯通实践方法、酝酿创新意识。以工程教育实践教学为重点,构建具有创新能力培养的实践教学平台,对“新工科”建设目标的实现,对新兴产业所需的工程技术人才培养具有不可替代的作用。 
  正是基于对实践教学平台重要性的认识,“过程流体机械”课程在大纲要求的8个学时的教学实验基础上,进一步深化对教学内容的改革和教学平台建设,新建了壓缩机、泵、阀门等的拆装实验室(具体包括:两台L型压缩机、单级泵、多级泵、水平中开式油泵等10台,安全阀,控制阀等10个),并逐步添置了流体机械密封、叶轮等部件拆装实验。对上述实物模型,鼓励学生设定实验主题,自己安排拆装和操作,培养学生解决问题的实用性和有效性方面的能力,以强化学生在专业课基础知识方面的教学效果,是课堂教学的一个有益的补充。 
  此外,为了拓展学生多领域、多学科知识综合能力以及与经济、政策和法律相关的工程能力,设计了若干启发性的实验项目,如多功能转子教学实验,压缩空气能汽车的工作原理与传统的汽油车、柴油车等工作原理比较实验,并要求学生从工程化、经济性等角度入手进行分析研究,进一步提升学生的工程实践和综合分析能力,实现理论教学、实践教学与创新训练的衔接和贯通。 
  四、以工程教育与企业需求的融合,实现课堂教学的延伸 
  “新工科”建设的目标中除培养新形势下的工程创新人才外,还必须培养学生具有自主学习和终身学习的意识,具有不断学习和适应工业技术发展的工程能力[4]。因此,按照“新工科”的教学模式中,教学不仅仅是大学课堂的几十个教学学时。为此,可以充分利用北京地区的资源优势,将工程创新教育从课堂延伸出去,用实训的方式,实现“新工科”要求的培养目标。首先,利用在京举办的石油石化装备展等活动,组织学生参观学习,开拓思维和视野,并直观感受流体机械的发展趋势。其次,在紧接本课程之后的企业生产实习环节,安排学生到燕山石化教培中心,在专业师傅的带领下,进行离心泵、活塞压缩机的专业拆装以及测绘训练,这不仅可有效补充学校教学资源的不足,而且极大提升了学生参与工程实践的兴趣。另外,在后续的专业综合课程设计中,增加有关流体机械的综合设计内容(例如活塞式压缩机的核算、零件设计绘图和简单控制方案设计),让学生对过程流体机械进行更加深入、全面的学习,进一步巩固理论知识,并且在这系列的课程延伸中,不断提高学生的工程视野,培养学生自主学习和终身学习的意识。 
  五、结论 
  培养满足“中国制造2025”,“互联网+”等国家战略需求的新型工程技术人才,是我国高等工科教育目前的工作焦点。倡导把制造业人才培养与工程实践和创新能力培养紧密结合,着力提高人才的工业文化素养,是教育部“新工科”工程教育的建设目标。为此,开展高等工程教育课程的教学方法改革,特别是与工程实践紧密相关的专业课和专业基础课教学方法的改革就显得尤为重要。“过程流体机械”课程教学应该在保持扎实的理论基础知识学习优势的基础上,着力探索工程教育新的教学理念和新的教学方法,为培养学生的创新精神、实践能力和国际视野,为学生毕业后更好地适应新形势下的工程设计、科学研究及其他技术工作奠定必要的基础。 
  参考文献: 
  [1]教高司函[2017]6号 教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知[Z]2017-2-21.http://www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201702/t20170223_297158.html
  [2]韩雁,冯兴杰,梁志星,张婧.工程教育模式下的教学效果分析[J].中国民航大学学报,2012,30(4):38-41. 
  [3]袁慧,于兆勤,秦哲,新形势下培养提高工科学生工程实践能力的认识与实践[J].高教探索,2007,(2):61-63. 
  [4]陈萌,专业认证视域中公共计算机课程改革研究与探索[J].高教学刊,2016,(8):133-134.
浏览次数:  更新时间:2017-11-30 09:53:19
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