宋健斐，張冀翔，嚴(yán)超宇，孫國剛，陳建義

(中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

《過程設(shè)備設(shè)計》是過程裝備與控制工程專業(yè)(以下簡稱過程專業(yè))的特色課程和核心課程之一，也是化學(xué)工程、化學(xué)工藝、能源化工等專業(yè)學(xué)生的必選課程，每年授課人數(shù)達(dá)300余人。經(jīng)多年授課，筆者感受到學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高，課堂表現(xiàn)不積極，課程的高要求與學(xué)生的實際掌握程度形成較大反差?？偟膩碚f，學(xué)生大致可分為三類，一是學(xué)習(xí)熱情高，上課認(rèn)真，受教學(xué)手段的影響小，始終保持端正的學(xué)習(xí)態(tài)度，這類學(xué)生通常占10%～30%；二是學(xué)習(xí)熱情一般，講到感興趣的內(nèi)容抬頭率較高，比例約占60%～70%；三是學(xué)習(xí)積極性低，對學(xué)習(xí)持無所謂的態(tài)度，比例約占10%左右。若能采用豐富的教學(xué)手段讓第一類學(xué)生感受到挑戰(zhàn)性，讓第二類學(xué)生帶著興趣學(xué)習(xí)，保證80%同學(xué)對課程有較好的掌握程度，教學(xué)效果將會明顯改善。

當(dāng)前教學(xué)可用的手段和方法非常多元化，雨課堂、藍(lán)墨云、翻轉(zhuǎn)課堂、混合式教學(xué)等等[1-6]，可謂是亂花漸欲迷人眼，這些方法和手段并不一定適用于所有課程或者一門課程的所有教學(xué)內(nèi)容。合理利用這些教學(xué)手段的關(guān)鍵還是要緊密結(jié)合授課內(nèi)容，不斷梳理知識點(diǎn)，找到每部分內(nèi)容適合的授課方法。本文以雨課堂和基于問題的教學(xué)法為例，介紹了筆者將多種教學(xué)手段有機(jī)結(jié)合改善課堂效果的探索。

1 課程的內(nèi)容及特點(diǎn)

筆者將《過程設(shè)備設(shè)計》課程的培養(yǎng)目標(biāo)歸納為：基于一定的理論，在國家或企業(yè)最新標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，發(fā)揮設(shè)計工程師的主觀能動性，設(shè)計出高效長壽命的設(shè)備。就知識體系而言，可分為四個部分：(1)國家或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的熟悉及應(yīng)用；(2)設(shè)備設(shè)計的理論知識；(3)壓力容器設(shè)計選材；(4)實踐篇—典型壓力容器的設(shè)計，如塔器、換熱器、儲罐等。前3個部分以知識點(diǎn)為主，第(4)部分注重實踐。因此，教學(xué)內(nèi)容主要包括以下章節(jié)：(1)緒論，旨在讓學(xué)生了解過程行業(yè)，過程設(shè)備的特點(diǎn)，從我國關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計制造取得的巨大進(jìn)步中獲得自豪感，激發(fā)學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)熱情；(2)過程設(shè)備材料，要求學(xué)生掌握壓力容器用材的特點(diǎn)，掌握選材的原則，能針對特定工況合理選材；(3)內(nèi)壓容器和外壓容器的設(shè)計，要求學(xué)生掌握薄壁容器的特點(diǎn)，能夠求解不同回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上，了解容器的失效形式和設(shè)計準(zhǔn)則，對內(nèi)壓容器和外壓容器進(jìn)行設(shè)計；(4)壓力容器零部件，了解壓力容器零部件的選型和設(shè)計，如法蘭，開孔，支座，安全附件等；(5)高壓容器的設(shè)計，學(xué)生需了解高壓容器的應(yīng)用及特點(diǎn)，厚壁容器的應(yīng)力特點(diǎn)及強(qiáng)度設(shè)計方法，同時還要掌握高壓容器的密封結(jié)構(gòu)形式；(6)分析設(shè)計與疲勞設(shè)計，要求學(xué)生在掌握常規(guī)設(shè)計的基礎(chǔ)上，了解分析設(shè)計方法；(7)典型設(shè)備的強(qiáng)度設(shè)計計算，介紹儲罐、塔設(shè)備、換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并進(jìn)行強(qiáng)度計算。

2 雨課堂在教學(xué)過程中的應(yīng)用

雨課堂是在移動互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)背景下由清華大學(xué)推出的智慧教學(xué)工具[1]。筆者在近年的使用探索過程中，發(fā)現(xiàn)雨課堂在知識點(diǎn)類的教學(xué)內(nèi)容中非常適用，能夠讓教師實施掌握學(xué)生對知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生通過做推送的習(xí)題，自我評估查找不足。

上課前，教師開啟雨課堂授課模式，軟件系統(tǒng)會自動生成本節(jié)課程的二維碼，學(xué)生通過掃碼可進(jìn)入班級，教師在上課前推送預(yù)習(xí)課件，學(xué)生可提前預(yù)習(xí)本節(jié)課內(nèi)容；課中，講授的每一頁幻燈片會即時發(fā)送到學(xué)生手機(jī)端，不懂之處可以標(biāo)出，教師能及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，筆者發(fā)現(xiàn)雨課堂最實用且最有效果的功能就是課堂習(xí)題應(yīng)答系統(tǒng)，當(dāng)知識點(diǎn)講解完畢，教師可檢驗一下學(xué)生對該部分知識點(diǎn)的掌握情況，“光學(xué)不練”，學(xué)生很難對知識點(diǎn)有深入的理解和掌握，因此，知識點(diǎn)講解結(jié)束后，可適當(dāng)插入習(xí)題，單選和多選是最適宜的題型，如圖1所示，學(xué)生通過手機(jī)端回答習(xí)題，并在指定時間內(nèi)提交，教師在課堂上就可以獲得學(xué)生答題的正確率，錯誤選項等詳細(xì)信息(圖2)，及時了解了學(xué)生在知識點(diǎn)上理解的偏差；課后，學(xué)生可將課件保存下來便于回顧課程內(nèi)容。因此，涉及到知識點(diǎn)講解的章節(jié)筆者全部采用了雨課堂習(xí)題應(yīng)答系統(tǒng)，給學(xué)生帶來了全新的體驗和收獲。通過雨課堂的教學(xué)，筆者明顯感覺到，學(xué)生在課堂上做習(xí)題的過程中，能夠提出問題和質(zhì)疑。

圖1 教學(xué)課件中插入的雨課堂習(xí)題

圖2 學(xué)生答題的正確率、正確錯誤選項

3 基于問題的教學(xué)法在教學(xué)過程中的應(yīng)用

基于問題的學(xué)習(xí)(Problem Based Learning)，簡稱PBL模式，又稱作“問題式學(xué)習(xí)”，或“問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)”，是以問題為基礎(chǔ)來開展教與學(xué)的一種模式[7]。這種學(xué)習(xí)模式認(rèn)為，教師教學(xué)不僅要直接著眼于學(xué)習(xí)知識，而且要著眼于學(xué)生的分析能力、解決問題的能力、交流能力和綜合能力。教師應(yīng)當(dāng)采用積極的教學(xué)方法，使學(xué)生不但成為知識的接受者，還要成為知識的探索者、創(chuàng)造者。教師應(yīng)盡量為學(xué)生創(chuàng)設(shè)基于問題化的自學(xué)情境，通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，挖掘?qū)W習(xí)潛能，達(dá)到學(xué)習(xí)目的。

申請人在《過程設(shè)備設(shè)計》教學(xué)改革的過程中，完成了多個知識點(diǎn)的基于問題的研究性教學(xué)的案例。教學(xué)的基本思路為：教師拋出問題——學(xué)生圍繞給定問題，頭腦風(fēng)暴，課后調(diào)研——學(xué)生課堂上分析問題——教師點(diǎn)評，以此加強(qiáng)同學(xué)們思考和分析的過程。下面以筆者講授緒論時拋出的問題為例介紹該教學(xué)過程。

拋出的問題：這門課程我們學(xué)什么？(這是一個不能再簡單的問題，每個老師第一次課都會問到。但是筆者并沒有直接對此問題做出回答，而是準(zhǔn)備了一個生活小實驗)

課上實驗道具：打氣筒、大氣球(薄的、厚的)。課上請一名同學(xué)用打氣筒給氣球打氣，并請學(xué)生觀察并分析看到的現(xiàn)象。

學(xué)生討論的主要結(jié)果：氣球在逐漸變大，氣球最終破裂，薄的比厚的氣球破裂的快……

教師適當(dāng)引導(dǎo)，又提出如下問題：氣球為什么會逐漸膨脹？膨脹過程中材料內(nèi)部發(fā)生什么變化？為什么薄的氣球比厚的氣球容易破裂？如果同樣厚度換一個更結(jié)實，彈性更好的材料會有什么結(jié)果？怎么判斷充多少壓力時氣球會爆裂呢？……

通過這些問題的討論引出本課程的授課內(nèi)容：(1)氣球可以看做一個壓力容器，器壁受氣體壓力時容器材料內(nèi)存在應(yīng)力→薄膜應(yīng)力的分析；(2)為什么薄的氣球比厚的氣球容易破裂？如果同樣厚度換一個更結(jié)實彈性更好的材料會有什么結(jié)果？→材料的影響；(3)怎么判斷充多少壓力時氣球會爆裂呢？→容器的強(qiáng)度設(shè)計、設(shè)計準(zhǔn)則等。

最終在黑板上形成如圖3所示的本門課程的教學(xué)內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)圖。

圖3 課程教學(xué)內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)圖

對于教師拋出的復(fù)雜的問題，如高長徑比的反應(yīng)器或塔器在設(shè)計中都考慮哪些因素？學(xué)生需結(jié)合課上所學(xué)，通過課后調(diào)研做出回答。授課時講解的是塔器的結(jié)構(gòu)類型及設(shè)計，那么塔器設(shè)計的相關(guān)知識能否推廣到具有類似特點(diǎn)的反應(yīng)器上呢？這個問題讓第一類學(xué)生感到了挑戰(zhàn)性，也激發(fā)了第二類學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。他們結(jié)合所學(xué)的塔器的相關(guān)知識，通過課后調(diào)研，獲得了如下主要結(jié)論：

(1) 塔設(shè)備是化工過程設(shè)備中的一種典型裝置。狹義上的塔器主要是指用于蒸餾、提純、吸收、精餾等化工單元操作的直立設(shè)備，一般分為板式塔和填料塔。而在工業(yè)用設(shè)備設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，廣義上的塔器是指具備一定高度和高徑比的裙座自支撐式的立式容器。決定一個立式容器是否為塔器，并非是看容器中有無安裝塔板或填料，而是看容器是否采用了裙座支撐。所以，即使是反應(yīng)器、儲罐或其他立式裝置，也可以參照塔式容器的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(對塔器的理解得到提升)。

(2)與腿式、支承式及其他立式容器常用的支座相比，裙座支撐可大大提高立式容器下封頭與支座之間的空間，便于下封頭上外伸接管的布置。此外，裙座式支撐更有利于立式容器在多種載荷條件下的穩(wěn)定，便于與支座基礎(chǔ)連接安裝。

(3)相對于一般的立式容器，塔器設(shè)計需要考慮的載荷因素更多。這些因素包括：容器受到的內(nèi)壓或外壓；介質(zhì)液柱靜壓力；容器的自重(內(nèi)里、填料等)以及正常操作條件下或?qū)嶒灎顟B(tài)下內(nèi)裝物料的重力載荷；附屬設(shè)備如隔熱材料、襯里、管道、扶梯、平臺等重力載荷；風(fēng)載荷和地震載荷。

(4)按照塔器設(shè)計方法對容器進(jìn)行設(shè)計時，容器內(nèi)外添加的各種附件，都會對容器受到的地震載荷、風(fēng)載荷、質(zhì)量載荷和偏心載荷提出更苛刻的計算需求。因此，在載荷計算時，需要選取若干計算截面(包括全部的危險截面)，依次進(jìn)行校核計算，直到滿足全部載荷條件為止。

(5)在選擇危險截面時，需要包括：

塔裙座基礎(chǔ)環(huán)板處裙座殼體的橫截面(課上提及過)；

通過裙座開孔水平中心線的裙座殼體最小截面(課上提及過)；

裙座與塔體封頭對接接頭(或塔接接頭)截面(課上提及過)；

不等直徑塔變截面交界處塔殼橫截面(學(xué)生自己關(guān)注到的)；

等直徑塔變壁厚交界處塔殼橫截面(學(xué)生自己關(guān)注到的)。

(6)在選擇除危險截面以外的其他計算截面時，要充分考慮在地震或風(fēng)作用下塔器自身的自振，將塔器進(jìn)行分段。

對于不等截面塔，在計算基本振型自振周期及地震載荷時，將其視為多自由度體系。因此將塔沿高度分解為若干計算段，各段的質(zhì)量可處理為作用在該段高度二分之一處的集中質(zhì)量。對于高徑比>5且塔高度>10 m的塔器，宜將塔分為10個等高段。

對于等截面塔，在計算風(fēng)載荷時，一般將距地面高度10 m以下作為第一計算段，其他的計算段一般取每段小于或等于10 m。

4 結(jié) 語

本文探索了將多元化教學(xué)手段融入《過程設(shè)備設(shè)計》教學(xué)過程的可行性，并以雨課堂和基于問題的教學(xué)方法兩種方法為例，詳細(xì)闡述了其在課堂上的實施過程。雨課堂適用于知識點(diǎn)豐富的章節(jié)，利于教師實時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果?；趩栴}的教學(xué)方法能將記憶和被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為分析討論、綜合概括、質(zhì)疑發(fā)現(xiàn)的主動式學(xué)習(xí)訓(xùn)練，其中還用到了學(xué)生感興趣的信息檢索、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)等方式，符合以學(xué)生為中心的OBE教學(xué)理念，有效提高了教學(xué)效果。