孫銅生

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

面向中國制造2025的過程裝備與控制工程專業(yè)力學(xué)教學(xué)改革

孫銅生

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

力學(xué)系列課程是過程裝備與控制工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。針對力學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀及中國制造2025對應(yīng)用型人才的迫切需求，提出了力學(xué)系列課程的教學(xué)改革思路：制定專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建應(yīng)用型人才的課程體系；開展課程教學(xué)方法改革，并對教學(xué)方法進(jìn)行人才培養(yǎng)質(zhì)量評價。力學(xué)系列課程的教學(xué)改革的實(shí)施可望提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

過程裝備與控制工程；中國制造2025；力學(xué)課程；教學(xué)改革

一、過程裝備與控制工程專業(yè)力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

過程工業(yè)是加工流程性物質(zhì)的現(xiàn)代國民經(jīng)濟(jì)的支柱行業(yè)，[1]過程裝備與控制工程專業(yè)主要為過程工業(yè)培養(yǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)與制造工藝、設(shè)備維護(hù)與管理、設(shè)備控制技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)控制等方面的應(yīng)用型技術(shù)人才。過程裝備廣泛應(yīng)用于化工、石油、輕工、制藥、食品、海洋等多種行業(yè)，[2]隨著行業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)能效率、經(jīng)濟(jì)和社會綜合效益提出的越來越高的要求，專業(yè)人才不僅僅能夠從事過程裝備的設(shè)計(jì)與制造，更應(yīng)該具備不斷進(jìn)行技術(shù)的升級的能力，具有廣闊知識面的能夠從事行業(yè)技術(shù)革新的應(yīng)用型工程人才已經(jīng)成為行業(yè)的迫切需求。高校過程裝備與控制工程的人才培養(yǎng)目標(biāo)需順應(yīng)行業(yè)發(fā)展，專業(yè)知識應(yīng)面向工程實(shí)踐作出實(shí)時調(diào)整，專業(yè)教師要構(gòu)建從過去重理論輕實(shí)踐轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?shí)踐為目標(biāo)導(dǎo)向的教學(xué)體系。

過程裝備的設(shè)計(jì)計(jì)算包括過程裝置可靠性分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與優(yōu)化設(shè)計(jì)理論、高效傳熱傳質(zhì)分析等基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，這就要求過程裝備與控制工程先修力學(xué)基礎(chǔ)課，主要有《工程力學(xué)》《工程流體力學(xué)》《工程熱力學(xué)》等?！豆こ塘W(xué)》包括靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)、材料力學(xué)三部分,研究物理機(jī)械運(yùn)動及在外力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變及穩(wěn)定性的規(guī)律的學(xué)科。《工程熱力學(xué)》主要研究熱能與機(jī)械能和其他能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用、提高轉(zhuǎn)化效率的途徑，是機(jī)械工程的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一。《工程流體力學(xué)》是研究流體之間能量相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門學(xué)科，泵、壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等典型的過程裝備都是以流體力學(xué)作為理論基礎(chǔ)的。目前課程教學(xué)暴露出的問題如下。

1.力學(xué)課程注重理論性，在實(shí)踐應(yīng)用上有待進(jìn)一步提升

力學(xué)課程基本上還是沿用高中物理課程的教學(xué)思維，注重理論的推導(dǎo)，學(xué)生對事物的本質(zhì)缺乏理解，忽略了力學(xué)研究的基本問題是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行測定和分析，應(yīng)該創(chuàng)造條件多進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，充分利用實(shí)驗(yàn)來提高對力學(xué)基本原理的認(rèn)識。鑒于教學(xué)經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)場地的限制，大規(guī)模地采購實(shí)驗(yàn)設(shè)備顯然不合時宜，在這種背景下，和專業(yè)實(shí)習(xí)的銜接顯得尤為重要。一方面，要選擇和課程內(nèi)容相關(guān)的企業(yè)，由于課程的綜合性，選擇一兩個企業(yè)顯然不能覆蓋課程涉及到的全部設(shè)備；另一方面，實(shí)習(xí)的時間需要和課程的教學(xué)時間銜接，而專業(yè)實(shí)習(xí)往往從專業(yè)的課程總體進(jìn)行考慮，這樣就不一定能滿足本課程的教學(xué)需要，極有可能形成兩個局面：一是實(shí)習(xí)結(jié)束后半年或者以上的時間才進(jìn)入本課程學(xué)習(xí)，對實(shí)習(xí)的設(shè)備的印象已經(jīng)變得非常模糊；二是在課程結(jié)束之后再進(jìn)入相關(guān)企業(yè)實(shí)習(xí)，這是一種更壞的局面，對該課程教學(xué)并沒有起到促進(jìn)作用。

2.力學(xué)課程內(nèi)容體系老化，缺乏和新科技的緊密銜接

針對日新月異的科技發(fā)展，力學(xué)課程銜接程度明顯不夠，課程內(nèi)容修訂進(jìn)度緩慢，很多還是沿用幾十年前的老內(nèi)容。以工程熱力學(xué)為例，該課程主要是研究熱能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化的學(xué)科，涉及到多種熱能動力裝置，如內(nèi)燃機(jī)、蒸汽動力裝置等，以內(nèi)熱機(jī)為例，它是一種動力機(jī)械，通過使燃料在氣缸內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動力的熱力發(fā)動機(jī)，內(nèi)燃機(jī)工程已經(jīng)成為一個獨(dú)立的學(xué)科，主要研究我國內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)、新能源、新材料、新工藝等方面的理論、方法，[3]其中重要的內(nèi)容就是如何提高熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化效率，現(xiàn)有的最新的結(jié)構(gòu)和方法在工程熱力學(xué)課程中沒有得到體現(xiàn)，教材中只把內(nèi)燃機(jī)作為一種熱機(jī)作了工作原理的簡介，而忽略了熱力學(xué)課程的本質(zhì)，課程的終極目標(biāo)還是為工程實(shí)踐服務(wù)，因此如何在結(jié)構(gòu)上來實(shí)現(xiàn)最大的熱效率才是關(guān)鍵所在，這就需要把最新的科研成果引入教材，這點(diǎn)恰好是缺失的。

綜上可見，目前力學(xué)基礎(chǔ)課停留于教學(xué)計(jì)劃中的自身建設(shè)，課程規(guī)劃缺乏有機(jī)協(xié)調(diào)，課程結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化，避免重復(fù)建設(shè)和教學(xué)資源的浪費(fèi)。[4]本文研究成果在實(shí)施后，通過教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變來改變現(xiàn)有的教學(xué)方法和手段，強(qiáng)調(diào)課程理論和實(shí)踐的完整和系統(tǒng)性，將原來理論教學(xué)為主的課程內(nèi)容體系，轉(zhuǎn)化為理論講授、課程實(shí)驗(yàn)、關(guān)鍵設(shè)備現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)的多元課程體系，形成理論與應(yīng)用并重的專業(yè)體系。

二、制定面向中國制造2025裝備專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)

中國制造2025提出了“五大工程”及“十大領(lǐng)域”，其中涉及到的化工、航天、深海探測、新能源及新材料、生物醫(yī)藥和醫(yī)療器械等重點(diǎn)行業(yè)，均涉及到過程裝備與控制工程專業(yè)，未來這些行業(yè)在國家政策的導(dǎo)向和扶持下將進(jìn)一步得到發(fā)展，培養(yǎng)出順應(yīng)行業(yè)發(fā)展的過程裝備與控制工程專業(yè)的畢業(yè)生勢在必行。

為了培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用人才，應(yīng)選擇代表性企業(yè)調(diào)研，如揚(yáng)子石化，了解企業(yè)的研發(fā)狀況和未來技術(shù)發(fā)展動向，掌握典型的化工設(shè)備如反應(yīng)器、分離塔、換熱器、加熱爐等的最新技術(shù)，明確設(shè)備人才現(xiàn)狀與問題，了解企業(yè)對設(shè)備工程師的最新要求，編制專業(yè)典型設(shè)備人才需求目錄?；谡{(diào)研結(jié)果，研究創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式亟待解決的問題，明確設(shè)備新技術(shù)和新工藝新材料背景下對力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的新要求，探討中國制造2025理念的視角下力學(xué)課與人才培養(yǎng)的關(guān)系，構(gòu)建新的裝備專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建的步驟如圖1。

三、構(gòu)建裝備專業(yè)應(yīng)用型力學(xué)課程體系

面向中國制造2025的行業(yè)要求和調(diào)研結(jié)果，研判出適應(yīng)新背景的裝備人才需求，從中梳理出人才培養(yǎng)目標(biāo)，改變傳統(tǒng)力學(xué)的授課內(nèi)容，及時修訂力學(xué)課程教學(xué)大綱，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容滿足應(yīng)用型的培養(yǎng)需求。目前的力學(xué)課程基本上都是側(cè)重理論的講解，在工程熱力學(xué)中，全書圍繞著熱力學(xué)第一定律、第二定律、第三定律進(jìn)行展開；材料力學(xué)中，以拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲等常見的變形形式來研究材料內(nèi)部的應(yīng)力和變形特點(diǎn)；流體力學(xué)則是以流體靜力學(xué)和流體動力學(xué)為主線研究流體的平衡和運(yùn)動規(guī)律。上述理論都是以理論公式的推導(dǎo)展開，較為枯燥且難以理解，并沒有闡明和專業(yè)的聯(lián)系，學(xué)生在不能明確學(xué)習(xí)目的的情況下很難對課程產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果很差，從歷年的考試情況來看力學(xué)的不及格率非常高。

要扭轉(zhuǎn)上述局面，必須明確課程學(xué)習(xí)目的，要使力學(xué)課程和專業(yè)建立起緊密的聯(lián)系，改變以理論公式為主的課程體系，以力學(xué)的基本原理為主線，建立工程案例引導(dǎo)式課程體系。如在進(jìn)行閉口系統(tǒng)的能量方程的講解時，引入內(nèi)燃機(jī)的實(shí)例，從燃?xì)庠跉夤钊到y(tǒng)里燃燒后發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換，從而推導(dǎo)其能量方程，而不是采用目前的教學(xué)方法，直接設(shè)定一個閉口系進(jìn)行理論的推導(dǎo)，一方面理解的難度大，另一方面學(xué)生很難集中注意力。再如，介紹流動運(yùn)動的伯努利方程時，教材上取一段流動的流體來進(jìn)行公式的推導(dǎo)，同樣非常抽象難以理解，可以直接以離心泵為例，分析流體通過葉輪前后壓能和動能的變化，從而建立起伯努利方程。采用工程案例教學(xué)，必將提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，弄清楚為什么去學(xué)，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。

現(xiàn)有的各力學(xué)課程都是圍繞著各自設(shè)定的背景展開，并沒有考慮課程間的聯(lián)系。那么在進(jìn)行教學(xué)體系構(gòu)建的時候，可以基于大力學(xué)的思想完成過控專業(yè)力學(xué)基礎(chǔ)課的課群體系的整體構(gòu)建。為了提高教學(xué)效率，應(yīng)重組各力學(xué)課程體系，避免重復(fù)教學(xué)，如可將工程力學(xué)中的靜力學(xué)和流體力學(xué)中的流體靜力學(xué)進(jìn)行合并，工程力學(xué)中的氣體和蒸汽的流動并入流體力學(xué)中，這樣實(shí)現(xiàn)相近的理論知識的有機(jī)融合，既可以節(jié)約學(xué)時，又可以提高效率。

大力學(xué)課程體系組建后，各力學(xué)課程內(nèi)容將重新構(gòu)建，課程內(nèi)容實(shí)現(xiàn)模塊化、層次化，打破各力學(xué)的界限，各模塊引入工程實(shí)例，根據(jù)過程裝備企業(yè)發(fā)展趨勢，面向應(yīng)用型設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目，大力學(xué)課群體系建立過程如圖2。

四、開展力學(xué)課程教學(xué)方法改革[5]

根據(jù)案例引導(dǎo)式教學(xué)方法，引入典型過程裝備，如反應(yīng)壓力容器、換熱容器、分離容器、流體機(jī)械、分離機(jī)械等，結(jié)合它們使用過程中常見的缺陷或失效案例，來對應(yīng)設(shè)計(jì)過程中需要采用的力學(xué)理論，以激發(fā)學(xué)生對問題的思考，自主尋找其中的力學(xué)問題，并應(yīng)用理論來改進(jìn)設(shè)備的設(shè)計(jì)，這種引導(dǎo)式教學(xué)方法可以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

作為課堂教學(xué)的有效補(bǔ)充，可以利用實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行實(shí)踐現(xiàn)場教學(xué)法，選擇典型內(nèi)容重點(diǎn)安排，如大型高壓容器這一類過程設(shè)備，將力學(xué)的強(qiáng)度定理和熱力學(xué)基本定理在設(shè)計(jì)制造現(xiàn)場進(jìn)行教學(xué)，如在大型石化企業(yè)的檢修分廠進(jìn)行講授，在里面看到大部分壓力容器的破壞形式，企業(yè)的工程師對設(shè)備使用過程及失效的原因有更為深刻的認(rèn)識，現(xiàn)場教學(xué)可以加深學(xué)生對問題的理解，并能夠思考其中的力學(xué)機(jī)理，結(jié)合設(shè)備的破壞的實(shí)物分析其中的力學(xué)理論，可以達(dá)到課堂教學(xué)無可比擬的效果。

受條件的限制，不可能所有的設(shè)備都可以到現(xiàn)場授課，對一些小型設(shè)備，如以機(jī)械加工為主要制造手段的泵、壓縮機(jī)和離心機(jī)等過程機(jī)器，可以充分利用實(shí)驗(yàn)室開展教學(xué)活動，將力學(xué)的基本理論通過實(shí)驗(yàn)的操作來理解。也可以通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行強(qiáng)度理論的講授，如外壓薄壁圓筒容器的失穩(wěn)，通過觀察外力作用下薄壁圓筒失穩(wěn)后的形態(tài)來思考外力與容器形態(tài)的關(guān)系。以學(xué)生為主體開展啟發(fā)式教學(xué)，同時提高學(xué)生的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐能力。

對特別優(yōu)秀的學(xué)生可以實(shí)施科研訓(xùn)練教學(xué)法，引導(dǎo)部分學(xué)生申報大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，積極挖掘開發(fā)創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)的有效載體，有效提高學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識的能力，如本人已經(jīng)指導(dǎo)幾屆國家級大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，近三次的選題分別為：“三足式離心機(jī)結(jié)構(gòu)與制造工藝設(shè)計(jì)”“上懸式離心機(jī)結(jié)構(gòu)與制造工藝設(shè)計(jì)”“BEM固定管板式換熱器設(shè)計(jì)與優(yōu)化”，這三個選題均需要綜合運(yùn)用材料力學(xué)、工程熱力學(xué)和流體力學(xué)的理論，來對設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流體的性能分析，促進(jìn)力學(xué)知識的理解，提高學(xué)生的實(shí)踐技能，通過優(yōu)秀學(xué)生的引領(lǐng)示范作用可帶動整個專業(yè)群體的應(yīng)用型能力的提高。課程教學(xué)方法總結(jié)如圖3所示。

五、構(gòu)建面向中國制造2025的力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量評價

根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，制定力學(xué)系列課程教學(xué)工作規(guī)程，目前力學(xué)模塊的教學(xué)流程和規(guī)則，擬定教學(xué)工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，作為力學(xué)課程教學(xué)和評價的重要依據(jù)，從備課、課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室教學(xué)、實(shí)踐現(xiàn)場教學(xué)到作業(yè)的批改等各環(huán)節(jié)全部設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，提出中國制造2025背景下的力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控方法，從備課、授課和答疑各方面進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中存在的問題，提出解決的辦法，制定監(jiān)控體系所需的各種方案，為校院兩級教學(xué)督導(dǎo)提供服務(wù)。構(gòu)建人才應(yīng)用型能力評價方法，突出解決工程問題的能力，從發(fā)現(xiàn)化工裝備問題、分析裝備的失效原因和解決裝備的失效的全過程進(jìn)行綜合評價，分塊進(jìn)行問題分解，提出評價指標(biāo)體系，建立人才培養(yǎng)信息數(shù)據(jù)庫，對不同的教學(xué)方法下的人才培養(yǎng)日常過程信息進(jìn)行記錄，錄入人才培養(yǎng)過程信息并處理評價結(jié)果，得出最優(yōu)的教學(xué)方法和教學(xué)形式。

根據(jù)教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控及評價結(jié)果，定期修正教學(xué)內(nèi)容體系和教學(xué)方法，制定整改措施和建設(shè)方案，形成最優(yōu)的教學(xué)方案和組織形式，達(dá)到以評價促教學(xué)整改，形成良性互動，最終達(dá)到全面提高人才的應(yīng)用能力。教學(xué)質(zhì)量評價的流程如圖4所示。

力學(xué)課程的理論性較強(qiáng)，目前的課程體系和專業(yè)的銜接上缺乏實(shí)踐性，不符合中國制造2025對應(yīng)用型人才的要求，必須進(jìn)行教學(xué)改革。文中提供了教學(xué)改革的思路，分別從人才培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系優(yōu)化、教學(xué)方法和質(zhì)量評價四方面進(jìn)行了闡述。研究成果有助于提高教學(xué)效果和學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

[1]齊濤.清潔生產(chǎn)與過程工業(yè)綠色化[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2011(183).

[2]鄒廣華，劉強(qiáng).過程裝備制造與檢測[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3]朱劍明,彭代勇.世界能源現(xiàn)狀與內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展機(jī)遇[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2011,32(2).

[4]孫銅生.過程裝備與控制工程專業(yè)力學(xué)課程教學(xué)研究與實(shí)踐[J].中國電力教育，2014(14).

[5]孫銅生.面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的過程裝備制造工藝教學(xué)方法研究[J]赤峰學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016,32(2).

Class No.:G642.0 Document Mark：A

(責(zé)任編輯：蔡雪嵐)

Teaching Reform for Mechanics Courses for Process Equipment and Control Engineering Based on Made in China 2025

Sun Tongsheng

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000，China)

Mechanics is an important professional basic course for process equipment and control engineering. Current situation and existing problem of teaching are analyzed in this paper. Because of urgent demand for applied talents, teaching reform for mechanics courses is discussed, which is concerning the personnel training target, course system, and the method used to evaluate the training quality. Implementation of teaching reform for mechanics courses can promote the ability of students in the engineering.

process equipment and control engineering; Made in China 2025; mechanics courses; teaching reform

孫銅生，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院。研究方向：過程裝備與控制工程。

安徽省2016年度高等學(xué)校省級教學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2016jyxm0101)；安徽工程大學(xué)2016 年校級本科教學(xué)質(zhì)量提升計(jì)劃教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2016jyxm10)。

1672-6758(2017)03-0001-4

G642.0

A