廖 冬 梅

(武漢大學 動力與機械學院； 大學生工程訓練與創(chuàng)新實踐中心，武漢 430072)

0 引 言

為了有效地開展非工程類學生的工程素質(zhì)和工程文化教育[1]，促進教育改革，我校動力與機械學院實驗教學中心結(jié)合專業(yè)優(yōu)勢和能源動力及裝備工程的學科特點，面向全校學生開設了通識實踐選修課—“動力工程裝備技術實踐”。本文就課程開設的必要性、教學內(nèi)涵、實驗教學條件、實施方案、教學手段方法和教學效果進行了總結(jié)和探索。

1 課程開設的必要性

“寬口徑、厚基礎、復合型”人才，都應該具有寬泛的工程知識和素養(yǎng)，了解與工程技術有關的基礎知識和發(fā)展前沿，進行動手體驗，擁有必要的實踐技能和工程經(jīng)驗，才會有更強的社會適應性和創(chuàng)造性[2]；就業(yè)時會有更多的選擇余地和職業(yè)遷移能力，能更好地持續(xù)發(fā)展，真正成為社會需要的專業(yè)人才[3]。美國斯坦福大學的做法是學工程也需要理解哲學，商科生也要做工程試驗[4]。

我院是以能源動力工程學科群為基礎的工科學院，是我國能源動力及其裝備行業(yè)重要的新工科人才培養(yǎng)基地。動力工程裝備技術實踐課程以現(xiàn)代能源電力生產(chǎn)過程和能源裝備制造工程為主線，融合了動力與機械學院的動力工程、機械工程、材料工程、控制工程、能源化工、環(huán)保與安全等多學科知識，充分體現(xiàn)了學院的專業(yè)文化特色。

我院擁有電力生產(chǎn)過程國家級虛擬仿真實驗示范中心、先進發(fā)電技術國家級工程實踐教育中心和機械工程湖北省實驗教學示范中心，利用現(xiàn)有實驗室的條件，建設和凝煉合適的實踐項目，對非工程類學生進行普及意義上的工程素質(zhì)訓練，讓他們了解并親身體驗能源動力、機械、材料等相關工程的基本組成要素、基本操作流程和基本質(zhì)量要求，可以使工科教學資源更好地發(fā)揮溢出效應[5]，使教育資本投入獲得超額收益，也是對教育資源最合理、最經(jīng)濟的利用模式[6]。

同時，電力工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的先行產(chǎn)業(yè)，電力工業(yè)的發(fā)展也需要大量了解能源動力及裝備工程基本知識的各類人才[7]；本課程針對非能源動力類專業(yè)進行工程認知和實踐，介紹了能源動力領域的基本知識，既可拓寬學生的知識面，又可為進一步學習不同專業(yè)的相關課程打下基礎，有助于相關專業(yè)畢業(yè)生服務于電力行業(yè)[8]。

2 課程的教學內(nèi)涵

(1) 教學目的和要求。動力工程裝備技術實踐課程開設的目的是讓非工程類學生了解電是如何安全清潔高效地生產(chǎn)并傳輸?shù)?，包括火電、水電、核電、風電和光伏等常見電力生產(chǎn)方式的能量轉(zhuǎn)換過程、主要涉及常見設備、環(huán)境保護措施、經(jīng)濟效益、行業(yè)概況和安全節(jié)約用電知識等。課程教學要求定位在認知和了解層面，即：了解、體驗能源動力工程的技術環(huán)境、技術流程和工程管理過程，略低于工科專業(yè)認識實習的水平；主要以工程問題為導向，通過觀察、動手等實踐活動進行認知和體驗，獲取直觀、表面的感性知識，原理性的定量公式只略作了解[9]。

(2) 教學內(nèi)容及配套教材。本課程的教學內(nèi)容包括：燃煤電廠、其他火電廠(燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站、生物質(zhì)燃燒發(fā)電廠、垃圾焚燒電站、沼氣發(fā)電工程等)、核電站、水電站、其他新能源(風力發(fā)電機、太陽能光伏電站)、工程材料等6個認知子模塊；閥門、泵、減速機等3個拆裝子模塊；發(fā)電機與電動機認知與模型拼裝、水的預處理、工業(yè)機器人認知與操作、汽車應用等4個動手實踐模塊。本課程提供以上13個模塊供不同專業(yè)的學生選修；一般要求學生根據(jù)專業(yè)和興趣選修9個模塊，共36學時，計1學分。

課程配套的教材為《能源動力及裝備工程實驗教程》，已由中國電力出版社出版。教材由26篇相對獨立的實驗講義組成；每篇實驗講義均包括實驗目的、能力訓練、實驗內(nèi)容、實驗設備及材料、實驗原理、實驗步驟和思考題等內(nèi)容。在教材編寫過程中，力求深入淺出，圖文并茂；同時考慮到不同專業(yè)的教學需求，部分實驗內(nèi)容相對獨立，略去不講，不會影響后續(xù)學習，因此可根據(jù)需求自行取舍。

3 實驗教學條件

本課程主要在能源動力工程與裝備綜合實驗室內(nèi)進行；能源動力工程與裝備綜合實驗室是學院圍繞能源動力工程學科群建設的多專業(yè)共性的基礎教學實驗室，是國家級先進發(fā)電技術工程實踐教育中心的校內(nèi)實習基地；實驗室的設備種類齊全、管理先進，可以滿足不同專業(yè)背景的學生實習實踐需求?，F(xiàn)有實踐教學區(qū)和設備如下：

(1) 能源及發(fā)電系統(tǒng)技術基礎。① 與燃煤電廠相關的裝置有200 MW亞臨界機組、600 MW超臨界機組、1 000 MW超超臨界機組等動態(tài)仿真裝置；HG670T/H超高壓自然循環(huán)鍋爐、HG1900/25.4-Ⅱ(2)600 MW超臨界直流鍋爐、鋼球磨煤機、回轉(zhuǎn)式空氣預熱器等模型；徐州電廠捐贈的125 MW汽輪機轉(zhuǎn)子實物、CLN600-24.2/538/566 600 MW超臨界汽輪機、調(diào)速器及調(diào)速滑閥、危安器及錯油門、凝汽器等模型。② 涉及其他火電的裝置有燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站、沼氣發(fā)電系統(tǒng)等仿真裝置。③ 涉及核電的裝置有先進沸水堆核電站、900 MW壓水堆核電站、AP1000型先進壓水堆核電站等仿真裝置；壓水堆核島、壓水堆冷卻劑泵、蒸汽發(fā)生器、汽水分離再熱器等模型。④ 涉及水電的裝置有隔河巖電站捐贈的完全按實物縮制的300 MW水電機組模型、水電站仿真裝置、校友會捐贈的水電站高水頭沖擊式水輪發(fā)電機A237型轉(zhuǎn)輪實物等。⑤ 涉及其他能源形式的裝置有儲能型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺、風力發(fā)電模型等。

(2) 能源動力工程裝備基礎及部件。包括機械零件陳列柜、機構(gòu)陳列柜、機械設計陳列柜等；皮帶試驗機、減速機實物及模型、機械創(chuàng)新實驗臺、工業(yè)機器人、汽車認知與模擬駕駛臺等；4M型對稱平衡壓縮機、V型角式壓縮機、各種閥門、泵的實物和模型等。

(3) 能源裝備材料及制造。包括體視顯微鏡、金相顯微鏡、微觀金相組織圖譜、失效零部件陳列柜、材料加工成形示教板和材料成形拆裝模具等；蓄熱元件及低溫腐蝕元件、光管及內(nèi)螺紋水冷壁管、鍋爐爆管樣品等一批來自電廠的實物材料。

(4) 電廠化學與環(huán)境保護。包括發(fā)電廠水處理、煙氣除塵、脫硝和脫硫等動態(tài)仿真裝置；從相關電廠、水處理公司收集的使用過的EDI除鹽模塊、反滲透卷式膜元件及其橫剖面實物、中空纖維管式超濾膜組件及端封、微濾濾芯等水處理設備；各種陰陽樹脂、活性炭、石英砂、混凝劑、絮凝劑、除塵濾袋、垢樣、渣樣和細、中、粗灰樣等耗材。

(5) 相關大學生競賽的優(yōu)秀作品展示區(qū)。實驗室還設有節(jié)能減排、機械創(chuàng)新、機器人、智能汽車等與“能源動力工程學科群”相關的大學生競賽優(yōu)秀作品展示區(qū)，鼓勵大學生進行自主研究、實踐創(chuàng)新訓練，更好地服務于武漢大學的三創(chuàng)人才培養(yǎng)目標。同時還可以將這些學生競賽作品引入實踐教學中，轉(zhuǎn)化為自制儀器設備，主要包括：競賽機器人、優(yōu)秀機械創(chuàng)新作品、智能汽車等，能有力支撐實踐教學。

以上設備、實物和材料都源于動力與機械學院在能源動力及裝備行業(yè)的多年積累和精心收集；特別是來自現(xiàn)場的實物更立體直觀，往往包含著更多工程實踐和歷史信息，便于學生認知理解，有助于學生在創(chuàng)設的類似實際工程環(huán)境下，走近發(fā)電廠，建立電力工程的基本概念[10]。

4 課程實施方案

4.1 教學安排與管理

動力工程裝備技術實踐課程屬于面向全校學生開設的通識實踐選修課。根據(jù)學生特點、課程性質(zhì)和教學效果，本課程實行多學期選修、分散開放管理。

本課程的選修學生來自水利、信息管理、物理、數(shù)學、醫(yī)學、經(jīng)濟管理、馬列和藝術等專業(yè)。充分考慮不同學生的專業(yè)背景和興趣，課程在有限學時內(nèi)提供13個不同實踐教學模塊供學生自主選擇，一般要求學生根據(jù)專業(yè)和興趣選修9個模塊。具體教學安排為：先在教學網(wǎng)站和課程QQ群中公布課程簡介、教學大綱、教師簡介、教學日歷、教學資料、具體開設的實踐模塊及可開放的時間段；然后由學生自主選報，確定選修的實踐模塊和時間。

4.2 教學模式與質(zhì)量管理

動力工程裝備技術實踐課程以能源工程實踐為基礎，教學內(nèi)容、教學設備、教學方法和手段、教師等相關教學要素均宜“工程化”[11]。因此課程涉及的工程理論知識教學要與工程實踐融為一體，要求理論授課時間不超過20%，實踐教學時間不低于80%，同時應將少量理論教學融入實踐環(huán)節(jié)中。

整個教學過程可以安排在實驗室中進行，采取現(xiàn)場教學，輔以理論鋪墊，每批次學生不宜超過15人；每一個實驗教學模塊的理論知識鋪墊、觀察認知、動手實踐等環(huán)節(jié)應符合工程認知規(guī)律。采取“教學認知同步”，即實驗前教師先講解理論知識，或在講解的同時學生進行認知實驗，使知識在實踐中體會、應用和消納；同時也可最大化利用實訓學時。教師盡量不使用PPT，重要原理和結(jié)構(gòu)示意圖可以掛圖形式懸于實驗室，教師在實物、模型和掛圖面前進行講解。要求學生獨立操作的內(nèi)容，應先由教師講解并示范整個操作過程，講清要領和注意事項后再讓學生動手操作。

講解時，教師要突出重點，難點要處理得當，要深入淺出地介紹基本的、必要的理論知識；同時要多設問，引導學生積極思考。在引導學生關注共性的同時，教師要強調(diào)實驗對象的特殊性，通過比較認知和仔細觀察，找出區(qū)別和差異，加深印象，幫助學生記住有關概念。如有條件，可事先要求學生通過實驗指導書、任務書或思考題進行預習，然后在實踐課堂上進行分組認知或動手拆裝競賽，并將比賽結(jié)果記入總評成績；這樣可活躍教學氣氛，充分調(diào)動學生的積極性。

一次認知實踐結(jié)束后，學生應及時歸納總結(jié)，在一周內(nèi)向教師提交實驗報告。教師需仔細評閱，記錄學生知識點誤區(qū)與實踐體會，并在下次實踐教學中進行糾正與強調(diào)，形成PDCA(Plan計劃-Do執(zhí)行-Check檢查-Action糾正)的教學質(zhì)量改進環(huán)[12]。學生的課程成績由出勤記錄、課堂互動情況、實踐動手操作和實驗報告質(zhì)量來綜合評定。

5 教學手段與方法探究

對于非工程類學生，動力工程裝備技術實踐課程可能存在著理論較深，是否對日后工作生活有實際意義，缺乏學習動力和興趣等問題。因此，針對每一個實踐教學模塊的具體實訓內(nèi)容，需要靈活選擇合適的切入點、教學方法和手段。

(1) 以學生興趣和需求為導向，突出教學重點，內(nèi)容難易適度?？紤]到非工程類學生的知識結(jié)構(gòu)，課程的教學內(nèi)容需難度適中；基本工程技術流程的選擇一般以成熟典型工藝為主，同時聚焦學生的興趣與需求。例如在燃煤電廠基本生產(chǎn)過程實踐、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站實踐、汽車結(jié)構(gòu)與應用等3個教學模塊中，實踐內(nèi)容包括熱能轉(zhuǎn)換為機械能的途徑，蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣輪機、內(nèi)燃機等熱能動力設備的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、特點及應用范圍等。根據(jù)學生的興趣，教師可先讓學生動手拆裝汽車發(fā)動機，重點掌握內(nèi)燃機的工作原理和主要機械結(jié)構(gòu)，然后將蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣輪機與內(nèi)燃機進行比較認知(見圖1)；在異同之間，學生更容易掌握各種熱能動力設備的主要特征。

四沖程汽油內(nèi)燃機模型

(2) 采用比較認知的實踐教學方法。在能源動力工程的各個系統(tǒng)和設備中，存在較多的異同之處?？偨Y(jié)歸納這些異同點，進行比較認知，可以大大提高實踐教學質(zhì)量，取得事半功倍的教學效果。如將火力發(fā)電、核電、水電、風電和太陽能放在一起，從一次能量供給、轉(zhuǎn)化為熱能、機械能、電能的設備和過程等比較點出發(fā)，進行第1層次比較認知的實踐教學，可以使學生對5大發(fā)電方式有整體了解和認識,比較內(nèi)容見表1。

表1 第1層次比較認知的實踐教學點(火、核、水、風和太陽能)

針對火力發(fā)電，以燃煤電廠為比較主體，將燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站、城市垃圾焚燒電站、生物質(zhì)燃燒發(fā)電廠和沼氣發(fā)電站與之進行比較，從燃料處理系統(tǒng)、轉(zhuǎn)化為熱能、機械能、電能的設備和煙氣凈化系統(tǒng)等方面進行重點對照，可以使學生對各種火力發(fā)電系統(tǒng)的工藝流程和組成有更深入的了解和認知；第2層次比較認知的實踐教學內(nèi)容如表2所示。

表2 第2層次比較認知的實踐教學點(火電廠內(nèi)部)

同時還可以針對具體設備進行第3層次的認知實踐教學；如自然循環(huán)鍋爐與強制循環(huán)鍋爐，多次強制循環(huán)鍋爐、直流鍋爐和復合循環(huán)鍋爐；蒸汽輪機、核蒸汽輪機、燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機、水輪機和風力機等。

(3) 強調(diào)實踐認知內(nèi)容與國民經(jīng)濟、日常生活的緊密聯(lián)系?！皠恿こ萄b備技術實踐”的教學定位為：了解能源動力工程的基本組成要素、基本操作流程和基本質(zhì)量要求；同時教師也可以將國家經(jīng)濟建設的重點領域、最新技術進展、社會民眾關心的熱點問題等與實踐教學內(nèi)容進行有機聯(lián)系，在課程QQ群中提供相關的文獻資料，以具體工程實踐和問題為導向，鼓勵學生在課外繼續(xù)進行積極探討和思考，引導學生提出問題、分析問題和解決問題。

案例1水電站與長江三峽水利樞紐工程。水電站是一個包含固體、流體、機械、電氣設備的統(tǒng)一整體。水電站的布置及各種建筑物的設計、施工及運行特點，不僅取決于當?shù)氐淖匀粭l件和社會對該水電站提出的要求，而且取決于當時的政治形勢和經(jīng)濟政策、設計及施工的水平、物資器材設備等的供應情況。因此，世界上沒有完全相同的兩座水電站，每一座水電站都是一部當時當?shù)氐慕?jīng)濟水文地理人文的發(fā)展史[13]。長江三峽水利樞紐工程簡稱“三峽工程”，是當今世界最大的水利樞紐工程，是治理和開發(fā)長江的關鍵性骨干工程，也是21世紀中國最宏偉的工程建設項目[14]。在進行水電站基本生產(chǎn)過程認知的實踐教學過程中，可以拋磚引玉地將三峽工程的文獻資料布置給學生，鼓勵學生在課外繼續(xù)閱讀和探索，并完成相關的思考題。

案例2核電站的發(fā)展、經(jīng)濟和環(huán)境效益討論。在進行核電站基本生產(chǎn)過程認知的實踐教學過程中，規(guī)定的實踐教學內(nèi)容是核能發(fā)電的基本原理、生產(chǎn)流程和主要設備等；但同時教師會將世界和中國的核電站分布、核電技術路線、核電站的經(jīng)濟和環(huán)境效益等相關文獻布置給學生，讓學生就核電站的發(fā)展趨勢、經(jīng)濟和環(huán)境效益進行深入討論。

案例3燃煤電廠與環(huán)保之殤。在電廠化學及環(huán)境保護工程實踐的教學模塊中，主要認知燃煤電廠的廢渣、廢水與廢氣的處理；特別強調(diào)含有粉塵、硫化物和硝化物的煙氣排放是造成霧霾、酸雨的主要原因之一[15-16]。教師可引入“飲用水安全、PM2.5與霧霾”等“燃煤電廠與環(huán)保之殤”的主題討論與課外閱讀，引導學生關注自身健康與環(huán)境保護。

6 教學評價及效果

從學生評教的結(jié)果來看，本課程開展得較成功，因為“本課程的實驗教學考慮得很周到，不同學院學生的基礎知識水平不盡相同，教學內(nèi)容沒有選擇很高深的部分，而是從最基礎的每個方面講起，同時還有豐富的實驗教具供近距離的觀察和動手實踐”；“實踐教學寓教于樂，學到了很多書本上看不到的細節(jié)。最重要的是在實驗中能夠?qū)χR有更深的體會，并且樂于去學習，還鍛煉了自己的動手能力以及團隊協(xié)作能力”；“電是人們生活中離不開的一部分，看似簡單的發(fā)電過程蘊含著不為人知的復雜技術。在探索發(fā)電奧秘的過程中，不僅收獲了知識，同時意識到每度電都來之不易，需要我們?nèi)フ湎А！笨梢姡菊n程的開設對于健全非工程類學生的知識結(jié)構(gòu)，拓寬工程技術視野，提高工程技術認知能力，增強實踐動手能力是很有益的。

7 結(jié) 語

我校實驗教學中心結(jié)合學院的專業(yè)優(yōu)勢，面向全校學生開設了通識實踐選修課—動力工程裝備技術實踐，有力地推動了非工程類學生的工程素質(zhì)和工程文化教育，取得了較好的教學效果。在今后的課程建設中，應進一步完善課程宣傳、師資培育、典型實驗教學模塊建設和增加實驗設備臺套數(shù)等內(nèi)容。