［摘 要］ 基于“卓越工程師培養(yǎng)計劃”的課堂教學(xué)要求，結(jié)合“制冷壓縮機”課程大綱及教學(xué)內(nèi)容，提出了基于虛擬仿真平臺的“制冷壓縮機”課程教學(xué)與實踐訓(xùn)練改革。在教學(xué)內(nèi)容方面，通過歸納教學(xué)內(nèi)容，加強學(xué)生對于知識內(nèi)容的掌握，并使教學(xué)內(nèi)容與前沿技術(shù)和工程應(yīng)用緊密聯(lián)系，拓寬學(xué)生的眼界；在教學(xué)方法方面，通過引入模擬軟件和虛擬實驗，豐富授課方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；在實踐訓(xùn)練方面，著重強調(diào)理論知識的應(yīng)用，開發(fā)多層次、多模塊的實驗實踐訓(xùn)練體系，培養(yǎng)學(xué)生的理論知識應(yīng)用能力、動手能力、解決實際工程問題的能力、創(chuàng)新思維、團隊協(xié)作能力等綜合素質(zhì)。

［關(guān)鍵詞］ 制冷壓縮機；虛擬仿真；課程教學(xué)；實踐訓(xùn)練

［基金項目］ 2021年度重慶大學(xué)本科教學(xué)教改項目“基于虛擬仿真平臺的《制冷壓縮機》課程教學(xué)與實踐訓(xùn)練改革”（2021Y23）；2022年度重慶大學(xué)本科教學(xué)教改項目“智慧能源背景下《動力工程計算方法》理論與實踐教學(xué)的深化改革”（2022Y13）

［作者簡介］ 孫 皖（1988—），男，山東臨沭人，博士，重慶大學(xué)能源與動力工程學(xué)院副教授，主要從事制冷與低溫技術(shù)、制冷壓縮機研究；劉江巖（1992—），男，湖南湘潭人，博士，重慶大學(xué)能源與動力工程學(xué)院講師，主要從事空調(diào)制冷研究；徐肖肖（1980—），女，浙江溫州人，博士，重慶大學(xué)能源與動力工程學(xué)院教授，主要從事熱泵空調(diào)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）13-0061-04 ［收稿日期］ 2023-10-31

引言

“卓越工程師培養(yǎng)計劃”是教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》的重大改革項目，旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措［1-4］。

重慶大學(xué)能源與動力工程本科專業(yè)入選國家“卓越工程師培養(yǎng)計劃”，其中“制冷壓縮機”課程是能源與動力工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程。制冷壓縮機是蒸氣壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對于制冷空調(diào)行業(yè)產(chǎn)品的節(jié)能、HCFCs制冷劑的替代以及制冷產(chǎn)品在應(yīng)用領(lǐng)域的拓展有著至關(guān)重要的作用。“制冷壓縮機”課程以工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)等專業(yè)知識為基礎(chǔ)，以解決工程應(yīng)用中的具體問題為目標，是從理論轉(zhuǎn)向?qū)嵺`、從專業(yè)過渡到技術(shù)的紐帶和橋梁。因此，該課程的教學(xué)過程是造就制冷行業(yè)創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才，以及培養(yǎng)卓越工程師基本素質(zhì)的重要階段。這就要求教學(xué)中不僅要考慮學(xué)生對理論知識的理解和掌握，還要注重培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實際問題的能力。

一、現(xiàn)狀分析

（一）教學(xué)內(nèi)容方面

制冷壓縮機種類較多，包括往復(fù)活塞式、轉(zhuǎn)子式、渦旋式、螺桿式、滑片式以及離心式等，在目前加強基礎(chǔ)、淡化專業(yè)、拓寬學(xué)生知識面的新形勢下，多數(shù)高校將各類壓縮機精煉為一門課程，教學(xué)內(nèi)容多且授課總學(xué)時大幅減少，使得該門課程具有概念多、分類多、層次多的主要特點，這就導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)時內(nèi)容繁復(fù)、思路不清晰、知識點龐雜，在介紹各類產(chǎn)品設(shè)備型式和分析具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容時，無法形成直觀的全方位展示［5］。

（二）教學(xué)方法方面

“制冷壓縮機”課程大部分內(nèi)容概念抽象、計算公式多，導(dǎo)致學(xué)生較難理解，如涉及介紹回轉(zhuǎn)式壓縮機時，與傳統(tǒng)的往復(fù)活塞式不同，回轉(zhuǎn)式壓縮機工作原理是利用工作容積的大小或位置發(fā)生周期性的變化來實現(xiàn)氣體增壓，需要學(xué)生具有一定的幾何空間想象能力。為了形成一套完整的制冷壓縮機知識體系，本課程除了介紹各類壓縮機的工作原理、總體結(jié)構(gòu)、主要零部件、輔助設(shè)施等記憶理解方面的知識，還涉及了熱力性能計算、動力學(xué)分析等內(nèi)容，這對學(xué)生數(shù)學(xué)計算能力具有較高的要求。傳統(tǒng)的板書式教學(xué)或簡單的多媒體教學(xué)，僅僅依靠課程中簡單的圖片和動畫，并不能很好地達到使學(xué)生深刻理解和熟練應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容的目的。

（三）實踐訓(xùn)練方面

實踐環(huán)節(jié)是學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上所進行的最為直觀、最能檢驗理論教學(xué)效果的有效方式，也是面向工程應(yīng)用培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要環(huán)節(jié)。但目前該課程的教授主要以理論教學(xué)為主，實驗課程課時相對較少，即使開設(shè)了相關(guān)實驗課程，但由于受實驗設(shè)備和資源的限制，大部分高校還是以傳統(tǒng)活塞壓縮機的拆裝大實驗為主，一方面這種集體性實驗不能保證每名學(xué)生得到充分的實踐訓(xùn)練，另一方面對于學(xué)生學(xué)習(xí)制冷壓縮機的新機型、新技術(shù)未有相應(yīng)的實踐訓(xùn)練課，同時簡單的拆裝實驗報告并不是檢驗理論知識應(yīng)用于工程問題的有效方式。

針對本課程存在的教學(xué)內(nèi)容多且部分內(nèi)容滯后、傳統(tǒng)教學(xué)方法效果有限、實踐訓(xùn)練與工程應(yīng)用欠缺等問題，本論文提出以培養(yǎng)高質(zhì)量工程技術(shù)人才為中心思想，基于虛擬仿真平臺對課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐訓(xùn)練進行探索與改革。

二、課程改革內(nèi)容

（一）歸納教學(xué)內(nèi)容，緊密聯(lián)系前沿

在理論教學(xué)內(nèi)容方面，首先應(yīng)梳理課程內(nèi)容，避免簡單地按目錄教學(xué)，應(yīng)對具有相同特點的教學(xué)內(nèi)容進行總結(jié)歸納教學(xué)，比如對于容積式壓縮機中的《往復(fù)活塞式》《滾動轉(zhuǎn)子式》《渦旋式》《螺桿式》等章節(jié)，其均介紹了壓縮機的工作原理、熱力計算、振動與噪聲、密封等內(nèi)容，應(yīng)多進行對比教學(xué)，使學(xué)生能夠全方位立體地了解各類壓縮機的工作原理與特點；其次，可以以實際工程中的前沿技術(shù)和熱點問題為指引，引入新型制冷劑壓縮機、跨臨界CO2制冷壓縮機、鐵路汽車交通運輸空調(diào)制冷壓縮機、熱泵空調(diào)壓縮機等內(nèi)容，歸納教學(xué)內(nèi)容，使之與前沿技術(shù)和工程應(yīng)用緊密聯(lián)系。課程還應(yīng)強調(diào)工程實踐中的倫理和可持續(xù)性考慮，使學(xué)生了解在選擇制冷劑和系統(tǒng)配置時，需要考慮環(huán)境影響和能源效率，以滿足現(xiàn)代工程實踐的要求。

（二）豐富授課方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在教學(xué)方法方面，引入模擬軟件和虛擬實驗。制冷系統(tǒng)的實驗室設(shè)備可能不易獲得或操作成本較高，因此，引入計算模擬軟件和虛擬實驗可以彌補這一缺陷。通過制冷壓縮機3D部件和裝配圖、工作原理動畫、系統(tǒng)回路等資源庫，使學(xué)生可以以更為直觀、便捷、感興趣的方式學(xué)習(xí)壓縮機結(jié)構(gòu)、工作原理、抽象概念、熱力計算、動力分析等內(nèi)容。另外，學(xué)生可以使用這些工具模擬制冷系統(tǒng)的運行，了解不同參數(shù)對性能的影響。這不僅為學(xué)生提供了更便捷的學(xué)習(xí)方式，還有助于他們深入理解制冷系統(tǒng)的運行機制。教學(xué)中可以引入實際工程案例，以展示制冷壓縮機在不同應(yīng)用中的重要性。學(xué)生可以分析這些案例，了解制冷系統(tǒng)的設(shè)計、故障排除和維護方面的實際挑戰(zhàn)。通過這種方式，他們將更好地理解制冷壓縮機的實際應(yīng)用，以及在工程實踐中如何應(yīng)對各種問題。鼓勵學(xué)生參與小組討論和項目，以激發(fā)合作和互動。學(xué)生可以一起探討制冷系統(tǒng)的設(shè)計、性能優(yōu)化或環(huán)境考慮等話題，這有助于培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作和問題解決能力，并激發(fā)他們的興趣。

（三）注重實踐訓(xùn)練，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

在實踐工程訓(xùn)練方面，著重強調(diào)理論知識的應(yīng)用?；谔摂M仿真平臺，開發(fā)基礎(chǔ)運用實驗、綜合設(shè)計實驗、創(chuàng)新研究實驗的多層次、多模塊的實驗實踐訓(xùn)練體系，培養(yǎng)學(xué)生的理論知識應(yīng)用能力、動手能力、解決實際工程問題的能力、創(chuàng)新思維、團隊協(xié)作能力等綜合素質(zhì)。為學(xué)生提供實習(xí)機會，使他們有機會在實際工程項目中應(yīng)用所學(xué)的知識。這將加強他們的實際技能，了解行業(yè)的需求和挑戰(zhàn)。鼓勵學(xué)生參加制冷和能源效率方面的競賽，以提高他們的創(chuàng)新思維和問題解決能力。這些競賽為學(xué)生提供了鍛煉創(chuàng)新技能的機會。

三、實踐訓(xùn)練實例

本文以《滾動轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機的工作容積與氣體壓力》章節(jié)內(nèi)容為例，具體說明了課程教學(xué)與實踐訓(xùn)練改革在學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握、教學(xué)方法改進、實踐訓(xùn)練等方面的體現(xiàn)。該章節(jié)內(nèi)容主要包括了滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的氣缸容積與工作壓力隨轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律、結(jié)構(gòu)參數(shù)偏心距對于吸氣容積的影響、吸氣孔口前邊緣角及排氣孔口后邊緣角對于工作過程的影響分析。本文基于Matlab構(gòu)建了滾動轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機的計算軟件，如圖1所示。

輸入?yún)?shù)設(shè)置主要包括滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的氣缸半徑、轉(zhuǎn)子半徑、偏心距離、轉(zhuǎn)子長度、吸氣開始角、排氣開始角及壓縮多變指數(shù)；輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)后，點擊“運行”按鈕，可以獲得氣缸工作容積、相對偏心距e/r（r為轉(zhuǎn)子半徑）及e/R（R為氣缸半徑）、吸氣容積與壓縮容積隨著轉(zhuǎn)角的變化曲線以及基于容積內(nèi)壓力隨轉(zhuǎn)角的變化曲線，如圖1所示?；诖颂摂M仿真可開展的教學(xué)設(shè)計有以下方面：（1）氣缸工作容積與結(jié)構(gòu)參數(shù)（氣缸半徑、轉(zhuǎn)子半徑、偏心距離及轉(zhuǎn)子長度等參數(shù)）的關(guān)系，可以反映出氣缸容積的有效利用率。（2）相對偏心距對于吸氣容積及壓縮容積的影響規(guī)律。隨著相對偏心距的增大吸氣容積也隨之增大。（3）吸氣孔口前邊緣角與排氣孔口后邊緣角的位置選擇依據(jù)。由吸氣容積與壓縮容積隨轉(zhuǎn)角的變化曲線可以看出，轉(zhuǎn)角在0°～30°及330°～360°范圍內(nèi)，吸氣容積與壓縮容積隨轉(zhuǎn)角的變化極小，因此滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的余隙容積很小，另外由于吸氣孔口前邊緣角的存在造成的回流對于吸氣過程的影響也很小。（4）結(jié)構(gòu)參數(shù)及熱力參數(shù)（包括排氣開始角及壓縮多變指數(shù)）對于基于容積內(nèi)壓力隨轉(zhuǎn)角變化曲線的影響。

結(jié)語

“制冷壓縮機”課程教學(xué)與實踐訓(xùn)練改革要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及實踐訓(xùn)練，從歸納教學(xué)內(nèi)容、緊密聯(lián)系前沿，豐富授課方法、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，注重實踐訓(xùn)練、培養(yǎng)創(chuàng)新思維三方面入手，以解決工程應(yīng)用中具體問題為目標，在教學(xué)中考慮學(xué)生對理論知識的理解和掌握，以多媒體、互動式教學(xué)、案例分析及小組討論等多種授課方法，注重培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實際問題的能力，造就制冷行業(yè)創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才，并培養(yǎng)卓越工程師基本素質(zhì)。

參考文獻

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［5］何永寧，張業(yè)強，邢林芬，等.以容積效率為主線的制冷壓縮機課程教學(xué)改革與實踐［J］.教育教學(xué)論壇，2020（32）：175-176.

Reform of Teaching and Practical Training for the Refrigeration Compressor Course Based on Virtual Simulation： A Case Study of Teaching Scroll Compressor

SUN Wana，b， LIU Jiang-yana，b， XU Xiao-xiaoa，b

（a. Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems， b. School of Energy and Power Engineering， Ministry of Education， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： In accordance with the requirements of the “Excellent Engineer Training Program”， this paper proposes a reform for the teaching and practical training of the Refrigeration Compressor course based on a virtual simulation platform. Aligning with the course outline and content， the reform aims to enhance students’ mastery of knowledge by summarizing teaching content， connecting it closely with cutting-edge technologies and engineering applications to broaden students’ perspectives. In terms of teaching methods， the introduction of simulation software and virtual experiments is advocated to diversify teaching approaches and stimulate student interest. Regarding practical training， emphasis is placed on the application of theoretical knowledge. The development of a multi-level， multi-module experimental training system is suggested to cultivate students’ comprehensive abilities， including the application of theoretical knowledge， practical skills， problem-solving abilities in actual engineering scenarios， innovative thinking， and teamwork collaboration skills.

Key words： Refrigeration Compressor; virtual simulation; course teaching; practical training