代翠 高波 康燦 楊敏官

摘 要：根據(jù)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”對工程教育的要求，結(jié)合江蘇大學(xué)能源動力類流體機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算課程的特點(diǎn)，進(jìn)行了融合工程實(shí)際的教材建設(shè)、結(jié)合工程需要的案例教學(xué)以及最終指導(dǎo)工程實(shí)踐等多方面的教學(xué)改革，探索工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的途徑，旨在為卓越計(jì)劃背景下能源動力類專業(yè)課的教學(xué)改革提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：卓越工程師 實(shí)踐能力 流體機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算 人才培養(yǎng)

中圖分類號：G645 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（a）-0129-02

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（簡稱“卓越計(jì)劃”）提出培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)的各類型卓越工程師，以降低我國關(guān)鍵核心技術(shù)的對外依存度，增強(qiáng)國家核心競爭力[1-2]。本科層次的卓越工程師應(yīng)能夠在工程現(xiàn)場創(chuàng)新性地從事產(chǎn)品的生產(chǎn)、營銷和服務(wù)或工程項(xiàng)目的施工、運(yùn)行和維護(hù)，成為優(yōu)秀的應(yīng)用型創(chuàng)新工程師[3]。

流體機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算是針對能源與動力工程專業(yè)（流體機(jī)械及其自動控制方向）的專業(yè)課程，是后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的有效輔助工具，在課程體系中占有重要地位。該課程以水力計(jì)算等提供的載荷為初始條件，研究流體機(jī)械零件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，以期合理確定零件的結(jié)構(gòu)、尺寸及相互聯(lián)接方式等。流體機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算課程理論性較強(qiáng)，要求具備一定的數(shù)學(xué)、流體力學(xué)與流體機(jī)械、固體力學(xué)以及機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；又具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，可用于指導(dǎo)最初的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足不同類型泵的可靠性設(shè)計(jì)要求。因此，教學(xué)中需要同時兼顧知識的繼承性與先進(jìn)性，尤其如何在卓越計(jì)劃背景下構(gòu)建與工程教育相銜接的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式等已成為課程改革的首要任務(wù)。

1 流體機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的認(rèn)識

流體機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算課程的強(qiáng)大生命力在于它的實(shí)踐性，其研究的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)都是為流體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)服務(wù)。流體機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算課程力求使學(xué)生具備以下3個方面的技能和經(jīng)驗(yàn)：（1）堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，包括流體力學(xué)理論和有限元理論；（2）程序使用經(jīng)驗(yàn)，對常用的商業(yè)有限元分析程序能夠應(yīng)用；（3）工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對不同的工程問題能夠評判和確定方案。流體機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算的基本流程為：初步分析→詳細(xì)分析→有限元分析→結(jié)果分析→問題解決。在實(shí)際計(jì)算中，需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行問題初判，并非所有問題都需進(jìn)一步分析，有限元分析不一定是解決問題的最佳手段。要做出正確的初判，需要對常見問題的理論有清晰的解決思路，需要對有限元方法的能力和局限有清楚的認(rèn)識，同時對可能進(jìn)行的有限元分析所需的時間和人力有準(zhǔn)確的判斷。在決定進(jìn)行有限元分析后，運(yùn)用理論和經(jīng)驗(yàn)上的判斷，決定計(jì)算的模型、規(guī)模和類型。能夠用盡可能簡單的模型、盡可能短的時間獲得解決問題所需的分析結(jié)果。運(yùn)用商業(yè)有限元軟件進(jìn)行分析，需要清楚每個輸入?yún)?shù)的意義和作用，僅僅熟悉軟件界面不夠。獲得分析結(jié)果后，問題并沒有解決，需要從紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)中尋找問題的解決方案，總結(jié)出簡單有效的結(jié)論和方案。

2 融合工程實(shí)際，編寫教材

對于卓越工程師培養(yǎng)而言，面向工程需要的教材建設(shè)成為課程建設(shè)的一項(xiàng)重要工作[4]。目前該專業(yè)應(yīng)用的課程教材為《水力機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算》，該教材采用傳統(tǒng)經(jīng)典的強(qiáng)度計(jì)算方法，以解析的手段初步設(shè)計(jì)或后續(xù)校核泵軸、葉輪、泵體等強(qiáng)度問題。經(jīng)試用，存在不適于該專業(yè)卓越工程師能力培養(yǎng)的兩個方面：（1）教材內(nèi)容與前期學(xué)習(xí)內(nèi)容重復(fù)率較高。如將近30%篇幅涉及的彈性力學(xué)基礎(chǔ)以及軸、法蘭的應(yīng)力計(jì)算等，學(xué)生已在大二系統(tǒng)學(xué)習(xí)過相關(guān)內(nèi)容。（2）教材內(nèi)容與強(qiáng)度理論和有限元軟件的發(fā)展不符。有限元法概念淺顯、適用性強(qiáng)，通過將實(shí)際物理模型離散化，廣泛應(yīng)用于理論分析無法解決的復(fù)雜工程問題，而傳統(tǒng)教材較少涉及。任課教師較多在原教材基礎(chǔ)上編寫講義，穿插講解一些現(xiàn)代有限元理論及應(yīng)用。

為適應(yīng)流體機(jī)械專業(yè)卓越工程師的培養(yǎng)目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)編寫適用于卓越工程師的專門教材。該校教師尤其是青年教師應(yīng)到產(chǎn)學(xué)研合作的企業(yè)鍛煉，熟悉企業(yè)工程項(xiàng)目生產(chǎn)、運(yùn)作和管理的諸多環(huán)節(jié)，初步具備和企業(yè)技術(shù)人員合作進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)、聯(lián)合攻關(guān)的能力。在此基礎(chǔ)上，聯(lián)合一些有經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)技術(shù)人員，有目的地把工程應(yīng)用的思想引入課程體系，增加實(shí)際工程中的一些概念、案例等內(nèi)容。既依托高校和企業(yè)對于工程人才培養(yǎng)的理解與經(jīng)驗(yàn)，又結(jié)合雙方各自具備的硬件條件，企業(yè)在實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中遇到的問題和積累的經(jīng)驗(yàn)也將反映到教材中，為該專業(yè)工程技術(shù)人才培養(yǎng)提供了幫助。

3 著眼工程實(shí)際，案例教學(xué)

提倡以分析解決實(shí)際問題為主導(dǎo)的案例教學(xué)。課程組精心設(shè)計(jì)專題討論課，利用工程案例學(xué)習(xí)、討論，加強(qiáng)學(xué)生分析、歸納、總結(jié)的能力。在案例選取上，為克服有限元分析可能脫離工程實(shí)際的問題，所采用案例均為具有明確解析解和實(shí)際測試結(jié)果的算例，使得講解更具指導(dǎo)意義。例如：對多級泵（8級）軸靜強(qiáng)度進(jìn)行校核，以及確定蝸殼泵殼體壁厚，這些實(shí)例都有較準(zhǔn)確的解析結(jié)果或經(jīng)驗(yàn)公式。又如，葉輪連接軸的轉(zhuǎn)子部件的模態(tài)分析，以及包括泵體、端蓋、懸架及支腳在內(nèi)整個殼體結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)分析，這兩個典型算例都有試驗(yàn)測試結(jié)果。

此外，學(xué)生需要提交一份報(bào)告。要求采用ProE、UG、Solidworks等對三維結(jié)構(gòu)建模；利用ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，施加合適的載荷和邊界條件，對軸、葉輪和蝸殼進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度校核。通過這樣的訓(xùn)練，增強(qiáng)了學(xué)生的三維造型能力以及對流體機(jī)械各部件所受載荷和應(yīng)力的理解。在有限元分析結(jié)果的評價方面，嘗試應(yīng)用量化方法進(jìn)行更進(jìn)一步訓(xùn)練。如對轉(zhuǎn)子部件計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的模態(tài)振型置信度進(jìn)行比較，使有限元分析更接近實(shí)際。

4 凝練工程實(shí)際，指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐

從工程實(shí)踐出發(fā)，指導(dǎo)學(xué)生自主建模和分析。在橫向科研活動中積累了一些具有代表性的結(jié)構(gòu)有限元分析實(shí)例，如在葉輪強(qiáng)度計(jì)算分析時，分析單純離心力、流體力及兩者合力作用下葉輪的等效應(yīng)力及變形情況，確定葉輪結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)及危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力。這些工程實(shí)例多數(shù)都有現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，通過有限元計(jì)算研究，可以使本科生得到直接的訓(xùn)練，對結(jié)構(gòu)有限元分析有更為真實(shí)的經(jīng)驗(yàn)。

積極引導(dǎo)學(xué)生參與科研項(xiàng)目，鼓勵學(xué)生參與課外科技活動，增加軟件解決問題的應(yīng)用功能，如：科研立項(xiàng)、大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、節(jié)能減排大賽、星光杯及校園科技競賽等。實(shí)際上，很多學(xué)生希望了解、學(xué)習(xí)相關(guān)軟件，并積極參與科研項(xiàng)目。

5 總結(jié)與討論

通過精心設(shè)計(jì)流體機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算的教材、案例與教學(xué)實(shí)踐，以及流體機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元建模、載荷加載與結(jié)果分析與評價等，提高了流體機(jī)械專業(yè)本科生解決實(shí)際問題的能力。但綜合提高本科生的應(yīng)用型創(chuàng)新能力是個系統(tǒng)工程，更加需要按照工程人才培養(yǎng)的規(guī)律，借鑒國內(nèi)外創(chuàng)新能力培養(yǎng)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，逐步改善和勇于探索，為流體機(jī)械專業(yè)培養(yǎng)更多高素質(zhì)人才。

參考文獻(xiàn)

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[2]林健.“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”通用標(biāo)準(zhǔn)研制[J].高等工程教育研究，2010（4）：21-29.

[3]林健.卓越工程師創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].高等工程教育研究，2012（5）：1-17.

[4]付興建，劉小河，陳雯柏.卓越工程師培養(yǎng)模式下實(shí)習(xí)教材建設(shè)探討[J].大學(xué)教育，2015（8）：7-8.