过程设备设计课程实践性教学方法的改革与探索

俞建峰，崔政伟，王东祥，陈海英，卫灵君，杨新俊

(江南大学 a.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室；b.机械工程学院, 江苏 无锡 214122)



过程设备设计课程实践性教学方法的改革与探索

俞建峰a,b，崔政伟a,b，王东祥a,b，陈海英a,b，卫灵君a,b，杨新俊a,b

(江南大学 a.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室；b.机械工程学院, 江苏 无锡 214122)

提高实践能力是工程教育的基本要求之一。以过程设备设计课程为例，分析了课程的设置目的，探索了基于卓越课程的实践性教学方法，从课程教学、课程实验、课程设计、教学实践、科研实践、软件仿真等方面进行了改革。本实践性教学方法取得了良好的教学效果。

工程实践；过程设备设计；教学方法；实践性教学

学习能力、实践能力和创新能力是当代大学生必须具备的三种能力。工科学生尤其要重视实践能力的培养。在人才培养体系中，课程是完成理论教学，提升教育质量的最基本而又最重要的载体。本文以过程装备与控制工程专业的核心专业课程过程设备设计为例，探索并实施实践性教学方法，以提高过程装备与控制工程专业本科学生实践能力为导向，提升过程装备专业学生的过程设备设计能力。

1　过程设备设计课程设置目的

过程设备设计课程是从事食品、医药、化工、环保等设备设计的重要理论基础。在食品、医药、化工、环保等生产过程中，各种压力容器、常压容器是生产过程中不可缺少、非常重要的一类设备[1]。通过本课程的学习，主要目的是使学生熟练掌握各种中、低压容器的设计计算方法，材料选择及典型设备的结构设计与计算等知识。本课程主要讲解压力容器设计的基础理论知识，以及典型化工设备的设计计算和结构设计等，包括：旋转薄壳理论、内压容器设计、外压容器设计、平板理论、通用零部件设计、现代压力容器设计中的若干问题、换热设备设计、塔设备设计、生化反应设备设计、内压容器薄膜应力测试、外压容器失稳试验。通过本门课程的学习，要求学生掌握过程设备的基本理论、基本结构和设计方法[2]。学生完成课程学习后，能够将所学的一些专业基础知识有机地结合起来，运用本课程的知识进行融会贯通，有能力对化工、食品、生化设备等进行综合设计和制造，为今后从事工程技术工作打下必要的基础。

2　课程改革措施

2.1扩大课程内涵和外延

本课程在2014年被江南大学列入卓越课程建设项目。依托我校卓越课程平台，按照卓越课程建设目标，在教学理念中实现三个转变：变被动学习为主动学习，变灌输式教育为启发式教育，变单纯书本教育为素质教育、创新人才教育。要实现教学理念的转变，实践教学活动将起着至为关键的作用。压力容器设计的基础是板壳理论，理论推导比较深奥，单元过程设备与食品加工过程、化学工程等行业紧密关联，课程涉及的知识面广而深。通过实验和工厂实践可以把抽象变具体，在实践中理解提升理论知识，提高结构的理解和设计水平。通过理论学习-实践(包括课程设计、实验、创新设计，下厂实习)-理论的循环，达到理论学习-掌握应用-创新提高的目的。

其一，课堂教学：采用多媒体上课。本专业每年招生60人左右，分成2个班级小班上课，课外指导老师随堂听课。由于本课程理论性强，涉及弹性力学、弹塑性力学，课程内容枯燥乏味，传统的“灌输式”理论教学方式不受学生欢迎。为此，在教学内容上，采用案例式教学、基于工程项目的教学；在教学方式上，采用多元化教学方式，有意识地翻转课堂，以学生为中心，引导学生主动参与教学互动，开展课堂讨论，形成探究式教学、专题式教学、比较式教学、研讨式教学等多种教学模式[3]。

其二，课程内容更新：在课程更新方面，结合教学团队在科研过程中所掌握的最新学科前沿知识，精心组织、丰富、调整和更新过程设备设计的课程内容，结合科研的转化成果，提炼过程设备的典型案例，将过程设备的理论学习与工程学习紧密结合起来；新增案例库、例题库等；以典型工程案例为引子，结合过程装备的理论知识，注重培养学生的自学能力和科学的思维方法，有力地促进了学生分析和解决工程问题的能力的培养。

其三，专题讨论：在讨论课环节，设置讨论主题。我们设置了“压力容器设计法规、标准与规范的国内外现状”“内压容器设计与计算方法”“外压容器的受力类型与稳定性设计方法总结”“压力容器零部件类型及设计总结”“分析设计法的有限元计算”“换热设备种类、性能与设计”等讨论主题，学生在课余提前查找文献资料、形成讨论报告，学生可以走上讲台，自己讲解。专题讨论效果良好，学生投入到课堂中，学习兴趣明显提高。

其四，形成课程群：在2016 级本科人才培养方案修订工作中，我们参考了南京工业大学、华东理工大学、北京化工大学、常州大学过程设备设计课程群，设置了过程装备有限元分析、过程节能技术与装备、过程装备成套技术、过程装备腐蚀与防护、过程装备制造与检测等课程，共同组成过程设备设计的课程群，帮助学生形成过程设备的系统化知识体系。

其五，改变考核方式：理论学习占成绩70%，实验、工厂实习参观占30%。理论考核为闭卷考试，实验、工厂实习参观成绩以实验报告、参观报告为主要依据。要求完成一张一号图纸幅面的总图和一张拼成一号的主要的零部件图，一份设计说明书。学生在结束时要经过设计的答辩。教师从计算的正确性、绘图的正确性和完整性、图面质量以及答辩等方面进行评分。

2.2强化课程实验实践

课程实验是帮助深化学生专业知识的重要途径[3]。近年来我校过程装备专业已经拥有内压容器薄膜应力测试、外压容器失稳试验、换热器实验系统等过程设备试验设备。江南大学机械学院内的江苏省食品先进制造装备技术重点实验室、江苏省实验教学示范中心、江苏省机械工程实践教育中心面向学生开放，为过程装备学生提供了一流的实验和实习环境。

2.3抓好课程设计

通过开设课程设计[4]，全面综合应用机械CAD、热工学、传热与传质、机械设计和过程设备设计等课程的知识，将理论和实践结合起来，锻炼学生的结构设计、强度计算、化工设备加工图纸绘制的能力；熟悉并综合运用各种有关的设计手册、安全技术规范、标准和图册等设计资料。课程设计课题主要来源于科研项目、企业课题，校企结合，设置的课程设计主题为浮头式换热器设计、升膜式浓缩器设计。

2.4发挥教学实践基地作用

精心组织本课程的教学实践基地，无锡华光锅炉股份有限公司、无锡布勒机械制造有限公司、中粮工程装备(无锡)有限公司被遴选为本课程的教学实践基地和生产实习基地。为拓宽学生视野，带领学生到生产企业现场进行工厂现场教学。聘请工厂有经验的技术人员为辅助教学人员，协助主讲老师和实习带队老师现场教学。学生和工人一起参加一定时间的生产实践。带领学生赴企业进行现场联合教学。带队老师补充讲解过程设备设计理论知识，解答学生在现场教学中碰到的理论方面的疑难问题，企业老师讲解过程设备设计中的实践案例，解答学生的工程项目疑难问题。

2.5发挥科研实践作用

课程十分注重与上下游衔接，通过结合本项目团队承担的国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省产学研项目、江南大学重点科研项目，开展“降膜式冷却器”“生化反应器放大原理与方法”的科研实践。本课程项目在实施过程中，请多名学生参与其中，在完成了过程设备设计的课程学习之后，创新性地运用压力容器的知识，教、学、研相互结合，学生的科研实践成果参加了全国大学生过程装备实践与创新大赛。

3　软件仿真实践教学

3.1有限分析设计

传统的手工计算设计出来的压力容器的安全系数偏大，设计出的设备壁厚比较厚、重量重[5-6]。以JB4732为基础，以弹性应力分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的有限元分析设计方法，能够准确分析压力容器的应力分布，增加了设备的可靠性，有利于节约成本和优化产品结构。我们指导学生应用ANSYS有限元分析软件设计压力容器，提高了学生的压力容器分析设计能力。

3.2发酵罐设计程序开发

发酵设备是发酵工厂中最基本最重要的设备[7]。过程设备设计课程与生化发酵设备的开发紧密相关，教学团队与江南大学生物工程学院联合开发“发酵罐、悬浮操作搅拌罐设计程序”，增强学生过程设备设计实践能力。通过程序设计，学生对发酵罐的筒体、封头、开孔补强、热交换计算、搅拌器设计有了更深刻的认识，为他们走出校门、走上工作岗位进行过程设备设计打下良好基础。

4　结语

过程设备设计是理论性较强的一门课程，如何上好这门课程一直是过程装备与控制专业教师的教学难点。作为江南大学的卓越课程，教学团队在课堂教学、课程内容更新、专题讨论、形成课程群、改变考核方式、强化课程实验、课程设计、教学实践基地建设、科研实践、软件仿真教学等环节进行探索，收到了良好的教学效果，学生的工程实践能力得到提升，受到了学生的欢迎和好评。据初步统计，班上有50%以上的学生希望在相关学科包括化学工程、化工过程机械、工业自动化等专业继续学习和深造。

[1] 王勇,偶国富.过程设备设计教学方法探讨及对教材的建议[J].化工高等教育,2011(3):78-81.

[2] 钱才富,段成红,于洪杰,等.重视教学效果，锤炼精品课程[J].化工高等教育,2006(2)：23-26.

[3] 杨兴华,王吉岱,胡效东.过程设备设计课程教学改革的探索与实践[J].化工高等教育，2009(4)：44-46.

[4] 赵杰,吕涛,张卫义,等.基于工程应用能力培养的过程设备设计课程改革与实践[J].化工高等教育,2015(4)：34-36.

[5] 王海峰,董金善,周勇军，等.数值模拟方法在过程设备设计教学中的探索和实践[J].化工高等教育，2013(6)：85-88.

[6] 张彩丽.压力容器的有限元分析及优化设计[J].陕西科技大学学报，2012(6)：93-96.

[7] 陈余.浅谈发酵罐的选型设计[J].化学工程与装备,2011(10)：86-89.

(责任校对朱正余)

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.10.001

20160501

2014年江南大学《过程设备设计》卓越课程建设项目；江南大学2015年本科教育教学改革重点项目(JG2015011)；江南大学教师卓越工程项目(JG2015134)

俞建峰(1974-)，男，江苏宜兴人，副教授，博士，主要从事食品加工装备研究。

G642.0

A

1674-5884(2016)10-0055-03