流体机械类课程实验教学改革与实践

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摘要：针对流体机械类课程实验教学的现状及问题，为增强学生的创新意识和自主创新能力，开展了改进教学模式、增设自主实验设计，构建开放性创新实验平台等实验教学改革；并结合直接数值建模方法和主要零部件3D打印技术，构建了可实现多种流体机械啮合特性及工作机理测试的开放性实验平台。基于创新能力培养的流体机械类课程实验教学改革可提升实验教学效果，切实加强学生分析和解决过程装备领域复杂工程问题的能力，锻炼学生的创新意识和自主创新能力。

关键词：创新能力；流体机械类课程；实验教学改革；开放性实验平台

一、流体机械类课程实验教学改革

过程装备与控制工程专业开设的“过程流体机械”课程是支撑本专业学生毕业要求的主体。实验教学是该门课课程目标达成及学生工程实践能力和创新能力培养的基础。但随着工程教育认证及新工科建设工作的开展，目前实验教学中存在的问题逐渐显现。下面就具体问题展开分析并提出教学改革。

（一）实验教学内容及模式的优化

随着技术的进步，新型高效流体机械正越来越多地被应用于工业生产的各个领域。但反观本专业流体机械类课程所开展的实验教学的内容还主要是离心泵、往复活塞式压缩机和风机的简单工作性能测试实验，内容较陈旧[5]。很多石化行业应用广泛的螺杆压缩机（泵）及转子式压缩机（泵）等新型高效流体机械没有相应的实验装置，导致人才培养与科技进步和现实行业脱节，不利于学生创新意识的培养。鉴于此，在培养方案修订过程中，将流体机械类课程的实验独立设置“专业实验”课程，从课内实验变为独立课程，增加了授课内容和授课学时量。实验类型也在原来的认知性实验和验证性实验基础上，增加了综合性实验、设计性实验和研究创新性实验等不同层次的实验项目，为学生提供不同层次的锻炼和提高，以培养学生实验设计、实施和测试分析的能力，满足学生工程实践能力和创新能力的培养，更好地实现人才培养目标。另外，现有的实验教学模式依旧采用传统的讲授法。这种被动式的知识传授方式不能很好地激发学生的主动性和开拓创新能力。故在原来的讲授式教学模式基础上，增加了小组讨论及实验方案制定等环节。实际实验教学过程中，要求学生通过实验前的资料查阅、仪器设备预调确定多个实验方案，然后通过小组讨论确定最终的实验方案，并按照选定的实验方案进行实验操作，每个学生必须独立完成实验。最后各小组再针对测得的数据进行讨论和分析，得到相应的规律和结论。这种启发研讨式教学方法增加学生的自主性和参与程度，有利于锻炼学生从实验角度研究自然规律或解决本专业领域内复杂工程问题的能力，并形成良好的科学作风和开拓创新能力。

（二）创新研究型实验项目的丰富

实验教学内容及模式的优化对学生创新能力的培养还停留在实验方案的设计和选取上，并不是本质的创新。此外，流体机械类课程学习过程中引导学生提出了一系列创新设计思路，并由此延伸而申请了多个大学生创新创业训练项目“新型热发动机三维设计与发电系统研究”等，参加了多个创新大赛“滚子叶片泵的三维设计与仿真”等，但是在项目和大赛的实施过程中，没有开放性的实验平台作为支撑，导致学生的设计结果并不能得到良好的实验验证及优化改进，不能很好地满足学生开展研究创新性实验的要求。为了支撑上述要求，切实提高学生的原始创新能力，在实际的教学活动中，要求流体机械类课程授课老师和实验技术人员积极创造条件开放实验室。一方面利用教师所承担的科研项目及所搭建的科研实验平台，支持学生参加各种创新性比赛及大学生创新创业训练项目；另一方面在实验教学过程中需要构建开放性实验平台，为学生开展创新性实验研究提供平台。为此，本文结合直接数值建模方法和主要零部件3D打印技术，构建了可实现多种流体机械啮合特性测试及工作机理验证的开放性实验平台。

二、开放性实验平台方案设计与应用

（一）开放性实验平台方案设计

流体机械类课程开放性实验平台的三维模型，主要包括空间轴系啮合系统支撑平台、三维啮合副轴向精确定位支架、空间啮合轴和其他功能组件。空间轴系啮合系统支撑平台是啮合特性测试组件安装的基础，该支撑平台在中心位置处设置带有矩形凸起的横向滑轨，两侧分别设计螺栓紧固槽。横向滑轨主要用于固定中心转子的轴向精确定位支架，并起到调整中心转子支架轴向位置的功能。横向滑轨两侧设置的六条带有通槽的纵向滑轨主要用于满足采用平面啮合系统及空间啮合系统的回转式流体机械从动转子轴支架的导向和精确定位作用。中心转子和平行轴从动转子的转轴均是水平布置，中心转子轴支架的底端面开有矩形槽与横向滑轨配合实现定向滑动，平行轴从动转子轴支架结构基本相同，只是将滑轨槽改为与支撑平台纵向滑轨的导轨槽配合实现定向滑动的矩形导轨凸块。这两组水平轴的转子轴支架底座均可通过其上开设的螺栓孔与螺栓紧固槽连接并实现紧固定位。另外，在转子轴孔外侧面均设计有带有调节螺钉的端盖，实现转子轴向位置的精确控制。垂直轴从动转子轴支架主要包括转子轴支架、上顶尖、下顶尖、端盖和调节螺钉组成。转子轴支架起到支撑从动转子轴的作用，并通过上顶尖、下顶尖、端盖和调节螺钉组成从动转子轴的轴向调节系统。

（二）开放性实验平台应用

在流体机械类课程学习过程中，为了培养学生的创新能力，鼓励学生针对不同类型流体机械提出一些创新性的设计，并根据这些创新性设计思路，延伸申请大学生创新创业训练项目，参加“大学生过程装备实践与创新大赛”等一系列的创新性大赛。在此过程中，学生需要根据流体机械类课程学习的基础理论知识，提出创新设计，并利用三维数值模拟和实验的方法来验证啮合副型面的啮合特性和创新性。本文所设计的开放式实验平台即可提供学生进行研究创新性实验研究。学生自主设计的新型啮合副型面可以利用直接数值建模方法和3D打印技术，构建三维模型，并安装在该开放性实验平台上，一方面可以结合三维数值模拟的计算结果来验证创新性设计的正确性；另外一方面还可以直观地观察啮合过程所存在的问题，并提出啮合副型面的优化设计方法。可为学生参加创新创业训练项目及各种类型的创新性大赛提供验证性实验平台，对于促进学生自主创新能力和工程实践能力的培养具有重要的作用。

三、结束语

本文分析了过程装备与控制工程系流体机械类实验教学的现状，针对目前实验教学中存在的教学内容及装置陈旧，教学模式单一，实验设备的开放性差等问题，提出了独立设置“专业实验”课程，增加学时、增设综合性、设计性和研究创新性实验等实验教学的改进措施，针对可开展的创新研究型实验项目欠缺的问题，提出利用科研试验台及构建开放性创新实验平台的措施。并结合直接数值建模方法和主要零部件3D打印技术，构建了可实现多种流体机械啮合特性测试及工作机理验证的开放性实验平台。最终形成了基于创新能力培养的实验教学模式，切实加强了学生分析和解决过程装备领域复杂工程问题的能力，提高了学生的自主创新能力。

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作者：王增丽 王皓 李强 王君 单位：中国石油大学（华东） 化学工程学院