蔣文春 李國成

摘要 過程設(shè)備設(shè)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)是過程裝備與控制工程專業(yè)基礎(chǔ)課,在工程科學(xué)與應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系中具有重要作用。結(jié)合課程特點(diǎn)和典型案例,探討如何進(jìn)行過程設(shè)備設(shè)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)課研究型教學(xué),從科研融入教學(xué)、基礎(chǔ)理論的講解與應(yīng)用、課外學(xué)習(xí)研究、教學(xué)內(nèi)容的拓展和更新、考核方式改革等方面出發(fā),嘗試尋找一條培養(yǎng)創(chuàng)新型科學(xué)與工程應(yīng)用人才的新途徑。

關(guān)鍵詞 過程設(shè)備設(shè)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ);研究型教學(xué);創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-489X(2009)30-0011-03

Research-based Teaching and Case Analysis for Mechanics Basis of Processing Equipment Design//Jiang Wenchun, Li Guocheng

Abstract Mechanics basis of processing equipment design is the basic course of process equipment and control engineering, which plays an important role in the innovation personnel culture system. This paper explores the technologies of research-based teaching combined with the course characteristics and typical case. The discussion is focused on introducing research into teaching, the basic theory explanation and application, extra-curricular study and research, the expansion and updating of teaching content and the reform of examination methods. This work tries to find a new foster approach to scientific and engineering application human resources.

Key words mechanics basis of processing equipment design; research-based teaching; Innovation

Authors address College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Dongying, Shandong, 257061, China

目前,國內(nèi)許多大學(xué)將教學(xué)研究型大學(xué)作為奮斗目標(biāo)。當(dāng)今世界各國高校的教學(xué)改革都在圍繞如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、研究能力和實(shí)踐能力來展開。教學(xué)研究型大學(xué)的建立需要研究型教學(xué)。對于基層教師,在教學(xué)研究型大學(xué)建設(shè)過程中所起的作用為:轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教育觀念,大力推進(jìn)教育教學(xué)改革,從以教師為中心向以學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變,從講授型教學(xué)向研究型教學(xué)轉(zhuǎn)變。

過程設(shè)備設(shè)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)是過程裝備與控制工程專業(yè)基礎(chǔ)課程,主要講解化工設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)的力學(xué)基礎(chǔ)理論。由于過程設(shè)備設(shè)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容較多、理論性較強(qiáng)、學(xué)時(shí)偏少,同時(shí)傳統(tǒng)教學(xué)以教師講解為主,模式單一,影響學(xué)生對基礎(chǔ)力學(xué)理論的掌握,限制學(xué)生分析問題與解決實(shí)際問題的能力。為解決這個(gè)問題,近年來,筆者進(jìn)行研究型教學(xué),以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為目的,融學(xué)習(xí)與研究為一體,引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí),自主發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題。筆者曾跟隨首屆國家級(jí)教學(xué)名師獎(jiǎng)獲得者、清華大學(xué)范欽珊教授從事研究型教學(xué),本文結(jié)合范欽珊教授研究型教學(xué)理論以及本課程特點(diǎn),探討如何在化工設(shè)備設(shè)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)這門課中進(jìn)行研究型教學(xué)。

1 將科學(xué)研究融入教學(xué)

高校的教學(xué)和科研是相輔相成的,“教而不研則淺,研而不教則空”。關(guān)于教學(xué)與科研的關(guān)系,理論研究普遍認(rèn)為,要通過教學(xué)帶動(dòng)科研,通過科研促進(jìn)教學(xué)。然而對于具體課程,要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并非易事。因?yàn)閷⒖蒲腥谌虢虒W(xué),需要具體的教學(xué)案例。案例要適合學(xué)生,學(xué)生要能夠利用所學(xué)基礎(chǔ)理論,來理解和參與到科研活動(dòng)中來,才能夠促進(jìn)教學(xué)。如果科研案例理論性太強(qiáng),學(xué)生無法理解和參與,則達(dá)不到效果。

從2006年開始,筆者參與《微小型過程機(jī)械高溫封裝的仿真研究》這一項(xiàng)目,主要針對板翅式換熱器高溫釬焊技術(shù)進(jìn)行研究。此項(xiàng)目得到國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金的資助。板翅式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、輕巧而牢固、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好,被廣泛運(yùn)用在石油化工、航空航天、原子能和國防工業(yè)等領(lǐng)域。在研究中發(fā)現(xiàn),板翅結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算尚沒有合適的方法,這個(gè)基本的力學(xué)問題尚沒有得到解決。這主要是由于板翅結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,現(xiàn)有規(guī)范都沒有涉及,國內(nèi)外尚沒有完整的計(jì)算方法。而本科生利用材料力學(xué)的相關(guān)基本理論知識(shí),可以得到一些有用信息。將此作為研究型教學(xué)的案例,非常合適。

為此,筆者在課堂上把這個(gè)問題進(jìn)行介紹:板翅式換熱器的基本單元由翅片、隔板、封條和倒流片組成,它是在隔板(金屬平板)上放一翅片,再在其上放一隔板,然后兩邊以邊緣封條密封而組成一個(gè)基本單元;將許多基本單元用專用夾具裝夾牢固后,采用真空釬焊的方法制成板翅式換熱器的芯體(基本結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)[5]),要求計(jì)算隔板和翅片的應(yīng)力。

首先介紹課題背景、研究內(nèi)容與要解決的問題。當(dāng)學(xué)生了解了課題背景之后,尤其是了解到耐高溫板翅結(jié)構(gòu)在高溫氣冷堆發(fā)電和制氫系統(tǒng)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景,而我國在此領(lǐng)域還沒有掌握關(guān)鍵的制造技術(shù)時(shí),課堂氣氛十分活躍,學(xué)生熱情高漲,興趣濃厚。課后,學(xué)生主動(dòng)去圖書館、上網(wǎng)搜集資料,同時(shí)了解到很多相關(guān)知識(shí),開闊了眼界。

后來分析,過程設(shè)備設(shè)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)就是一門理論性很強(qiáng)的學(xué)科,傳統(tǒng)的授課以理論講解、公式推導(dǎo)為主,十分枯燥。學(xué)生即使理解并記住幾個(gè)公式,卻不知道如何運(yùn)用理論知識(shí)去解決實(shí)際問題。而通過科研項(xiàng)目的介紹,學(xué)生了解到基礎(chǔ)理論在生產(chǎn)實(shí)際中的用武之地時(shí),興趣被調(diào)動(dòng)起來,以較高的主動(dòng)性和積極性參與到研究型教學(xué)中來,這就是科研融入教學(xué)所起的作用之一。

科研項(xiàng)目的介入提高了教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)行、科學(xué)性。將科研項(xiàng)目融入教學(xué),采用的教學(xué)案例要堅(jiān)持以下幾點(diǎn):1)案例要具有工程應(yīng)用背景;2)案例要適合學(xué)生,理論性不能太強(qiáng);3)學(xué)生能夠利用課程基礎(chǔ)理論,解決實(shí)際問題;4)案例不在數(shù)量,重在質(zhì)量,具有典型性,能夠觀貫穿課程教學(xué)的始終。

2 重視基礎(chǔ)理論的講解與應(yīng)用

課程教學(xué)的關(guān)鍵是使學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論知識(shí),而困擾學(xué)生的問題是如何應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識(shí)來解決實(shí)際問題。因此,要通過科研案例,讓學(xué)生利用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí),解決實(shí)際問題。一方面能夠促進(jìn)學(xué)生對基礎(chǔ)知識(shí)的理解,另一方面能夠讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到基礎(chǔ)理論知識(shí)學(xué)習(xí)的重要性。

對于所提問題,對學(xué)生進(jìn)行講解和相關(guān)提示后,部分學(xué)生能夠解決問題。對于翅片強(qiáng)度,假設(shè)由于介質(zhì)壓力作用在上下兩隔板而產(chǎn)生的垂直于隔板表面方向的總應(yīng)力全部由翅片承受,根據(jù)力的平衡方程,可以得到翅片中的應(yīng)力為。式中,σ為翅片中的應(yīng)力,為相鄰?fù)ǖ赖膲毫Σ?為翅片厚度,a為翅片內(nèi)距。

對于隔板,受到大量翅片支撐的隔板可以近似看成受均勻側(cè)壓力的連續(xù)梁,每個(gè)翅片均可以近似為一支點(diǎn)。將任意2個(gè)相鄰翅片間的隔板獨(dú)立出來,簡化為一個(gè)簡支梁,根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式,可以得到隔板中最大彎曲正應(yīng)力:。式中,為壓力差,a為翅片內(nèi)距,b為隔板厚度。

通過以上分析發(fā)現(xiàn),利用力的平衡原理以及簡支梁的基本知識(shí),可以推導(dǎo)出翅片和隔板中的應(yīng)力。而這2個(gè)基本知識(shí),是材料力學(xué)最基本的知識(shí)點(diǎn)。由此可以發(fā)現(xiàn),加強(qiáng)基本理論知識(shí)的講解,對于提高學(xué)生解決問題的能力至關(guān)重要。

3 引入有限元軟件,進(jìn)行課外學(xué)習(xí)研究

研究型教學(xué)就是要鼓勵(lì)學(xué)生“在學(xué)習(xí)中研究,在研究中學(xué)習(xí)”,鼓勵(lì)學(xué)生不要滿足于書本上的知識(shí),要研究和掌握書本上沒有的東西。為此,在教學(xué)過程中鼓勵(lì)學(xué)生閱讀和教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的科研和教學(xué)論文,鼓勵(lì)學(xué)生自己去查閱,培養(yǎng)學(xué)生搜集資料、閱讀文獻(xiàn)的能力,逐步養(yǎng)成研究問題的良好習(xí)慣。在課外作業(yè)中,改變題海戰(zhàn)術(shù),在基本題訓(xùn)練基礎(chǔ)上,鼓勵(lì)學(xué)生研究一些“學(xué)習(xí)研究問題”。這些學(xué)習(xí)問題,可以是基本內(nèi)容的延伸和擴(kuò)展,也可以是過程實(shí)際或者科學(xué)研究問題。

對于過程裝備與控制工程專業(yè)的本科生,掌握壓力容器應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核的方法至關(guān)重要。同時(shí),掌握一個(gè)計(jì)算機(jī)分析軟件對將來就業(yè)和讀研也非常重要。為此,將有限元軟件引入過程設(shè)備設(shè)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)這門課的教學(xué)中來,讓學(xué)生學(xué)習(xí)有限元軟件ABAQUS,主要讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力分析與強(qiáng)度校合。當(dāng)時(shí),這種做法具有很大的爭議。部分教師認(rèn)為,有限元法理論性很強(qiáng),本科生難以掌握。采取的做法是:簡單介紹有限元法的概念,基本理論知識(shí)不作深入講解,重要講解軟件的應(yīng)用。實(shí)踐證明,這種做法是正確可行的。學(xué)生能夠?qū)W會(huì)使用有限元軟件,進(jìn)行應(yīng)力分析。一屆學(xué)生學(xué)會(huì)使用有限元軟件后,讓優(yōu)秀的學(xué)生給下一屆的學(xué)生講解軟件的應(yīng)用,取得良好的效果。在跟隨范欽珊教授從事研究型教學(xué)過程中,范欽珊教授曾讓南京工業(yè)大學(xué)的學(xué)生到上海大學(xué)講解有限元軟件的使用,取得很大的反響和良好的效果。后來發(fā)現(xiàn)當(dāng)初的擔(dān)心是多余的,因?yàn)楹芏嘌芯可际褂糜邢拊浖?但他們對有限元的理論知識(shí)掌握也不是很深,關(guān)鍵是學(xué)會(huì)如何使用軟件。

對于所提問題,讓學(xué)生學(xué)習(xí)有限元軟件ABAQUS,進(jìn)行應(yīng)力分析,并與理論分析結(jié)果進(jìn)行比較,主要讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何建立幾何模型、設(shè)置材料參數(shù)、劃分網(wǎng)格、施加載荷和計(jì)算分析等。學(xué)生掌握ABAQUS的用法以后,每人建立具有不同幾何尺寸的有限元模型,討論幾何參數(shù)的變化對應(yīng)力的影響,并要求撰寫學(xué)習(xí)研究論文。學(xué)生共建立42個(gè)不同參數(shù)的有限元模型。

結(jié)果發(fā)現(xiàn),學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)很好地完成了任務(wù)。學(xué)生發(fā)現(xiàn),理論計(jì)算與有限元分析結(jié)果差距較大。在不同載荷下,翅片中最大應(yīng)力σmax與a/δ均呈線性關(guān)系。對不同載荷下的應(yīng)力與a/δ分別進(jìn)行線性擬合,得到翅片應(yīng)力計(jì)算公式:;。同樣發(fā)現(xiàn)隔板中最大彎曲正應(yīng)力可以表達(dá)為;。

這個(gè)案例的特點(diǎn)是適合學(xué)生,學(xué)生能夠利用基礎(chǔ)理論知識(shí)來分析和解決問題。通過這個(gè)案例,學(xué)生對板翅結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法進(jìn)行了理論推導(dǎo),用有限元方法進(jìn)行驗(yàn)證和修正,獲得翅片和隔板應(yīng)力計(jì)算公式,更重要的是認(rèn)識(shí)到基礎(chǔ)理論知識(shí)學(xué)習(xí)的重要性。每個(gè)學(xué)生不僅學(xué)會(huì)使用軟件,學(xué)會(huì)處理數(shù)據(jù)和繪制圖表,而且學(xué)會(huì)撰寫學(xué)習(xí)研究型論文,綜合能力得到很大提高。這個(gè)軟件的學(xué)習(xí),不僅會(huì)使學(xué)生在將來的工作中受益,對于讀研究生的學(xué)生受益更大,能夠使他們提前進(jìn)入科研課題,提前獲得成果。

4 注重教學(xué)內(nèi)容的拓展與更新

對于大學(xué)課程,只局限于講書本上的定理、公式和習(xí)題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,必須注重教學(xué)內(nèi)容的拓展與更新。這種做法不僅能夠拓寬學(xué)生的知識(shí)面,而且能夠培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)精神。如講一點(diǎn)最近我國化工業(yè)的發(fā)展情況,及其給過程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生就業(yè)帶來的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn);講一點(diǎn)前沿科學(xué)研究問題,如過程裝備應(yīng)力測試新技術(shù)、力化學(xué)交叉作用下過程裝備結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)等問題,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;結(jié)合石油化工工程實(shí)例,告訴學(xué)生過程設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)力學(xué)問題是人們身邊的科學(xué);結(jié)合石化生成事故,告訴學(xué)生過程設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)力學(xué)問題是維系生命和財(cái)產(chǎn)安全的科學(xué),增強(qiáng)學(xué)生的責(zé)任感與使命感。

5 改革考核模式

研究型教學(xué)需要研究型考核模式?？荚嚳己酥卦诠膭?lì)創(chuàng)新,主要考核學(xué)生對基本概念的靈活掌握,分析問題和解

決問題的能力,促進(jìn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。筆者借鑒相關(guān)做法,結(jié)合本課程的實(shí)際,擬通過以下幾個(gè)方面來評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。

5.1 資格考試考試內(nèi)容為平時(shí)的課外作業(yè),考試方式為閉卷。卷面滿分100分,考試成績≥70分者,本課程即獲通過,在期末總成績中計(jì)入60分;考試成績<70分者為不及格。目的是確保課程基本要求的教學(xué)質(zhì)量,加強(qiáng)學(xué)風(fēng)建設(shè),遏制抄襲作業(yè)的現(xiàn)象。

5.2 水平考試考試方式為開卷。成績認(rèn)定:卷面滿分40分,考試實(shí)際成績計(jì)入總分。水平考試重在基本教學(xué)的深度,沒有繁瑣的公式推導(dǎo)和數(shù)學(xué)運(yùn)算,重在靈活運(yùn)用與培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

5.3 課堂提問與測試課堂提問記入最后成績,激勵(lì)學(xué)生的課堂思維。在每一章教學(xué)的最后,進(jìn)行隨堂測試,內(nèi)容為1～2道題目。測試過程中給學(xué)生適當(dāng)提示,提高課堂教學(xué)效率。

5.4 學(xué)習(xí)研究論文考查學(xué)生綜合運(yùn)用本課程基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容以及有限元分析問題的能力。

6 結(jié)論

研究型教學(xué)理念體現(xiàn)了寓教于研的核心思想,是主體教育思想、素質(zhì)教育思想和創(chuàng)新教育思想的集中體現(xiàn)。以學(xué)生為主體,實(shí)行邊學(xué)習(xí)、邊研究、邊實(shí)踐的教育過程。過程設(shè)備設(shè)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)采用研究型教學(xué)模式,將具有工程背景的科研項(xiàng)目引入教學(xué),設(shè)計(jì)適合學(xué)生的典型案例;引入有限元軟件進(jìn)入教學(xué),進(jìn)行課外學(xué)習(xí)研究;注重課堂教學(xué)內(nèi)容的拓展與更新;改革考核模式。這些有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)和科學(xué)研究的能力,有利于培養(yǎng)知識(shí)面寬、應(yīng)變能力和開拓能力強(qiáng)、具備多種素質(zhì)的工程技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)創(chuàng)新人才。

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