流体机械类课程研究型实验教学方法探索与实践

王 君， 孙卓辉

(中国石油大学(华东) 化学工程学院，山东 青岛 266580)

流体机械类课程研究型实验教学方法探索与实践

王 君， 孙卓辉

(中国石油大学(华东) 化学工程学院，山东 青岛 266580)

流体机械具有种类多样、结构复杂和介质高危等特点，流体机械类课程是工科院校的重要课程。分析了现有有关流体机械实验教学中存在的不足，提出设计研究型实验教学方法；根据所设定的综合性实验任务，学生通过研究型学习自行设计实验方案，经过比较讨论使之完善，根据实验室条件确定最终可行的实验方案；搭建并组装实验设备，完成实验教学。结合3D打印、虚拟仿真、工作过程模拟，提出一种基于仿真模拟的研究型实验教学方法；阐明了这种实验教学方法的实施步骤。介绍了对指导教师、实验室条件和管理方面的要求。该实验教学方法有助于提高学生的创新能力和解决实际问题能力。

研究型学习； 实验教学方法； 流体机械； 3D打印； 虚拟仿真； 实验室建设

0 引 言

流体机械种类繁多、原理各异、工况条件千差万别，包括：各种液体泵、气体压缩机、气液混输泵，如离心泵、往复压缩机、双螺杆混输泵等，是石油化工生产过程中的不可或缺的重要设备，其功能是实现与流体之间的能量转换，对流体进行增压输送；其工作环境大多数情况是在高温高压下，且介质易燃易爆，具有腐蚀性和高危险性；同时其内部工作过程具有不可视、不可及等特点。

有关流体机械方面的课程，如“过程流体机械”“泵与压缩机”“泵与风机”等，具有应用性强、实践性强、内容覆盖面宽等特点[1-2]，覆盖较多的专业，如：过程装备与控制工程、油气储运工程、热能工程、石油工程等，是其核心专业课或专业基础课；其培养目标是使学生掌握多种流体机械的结构形式、工作原理、性能特点和工程应用；所培养的学生能够从事各种类型流体机械的操作管理、使用选型、维修维护、设计改造和科研开发等方面的工作。不但要求学生掌握坚实的理论基础，而且还要具有工程实践意识、分析和解决实际问题的能力、新技术研发和创新能力；因此流体机械课程的实验教学[3-4]在学生培养中具有重要的作用。

流体机械类课程的实验教学内容通常包括：往复压缩机性能实验、离心泵性能和汽蚀实验、风机性能实验等。现有的实验教学中存在的问题有：①实验内容过于陈旧且固定不变，实验内容覆盖面小，没有包括其他类型的新型高效流体机械，无法迎合流体机械技术的发展和进步，无法培养学生的创新性；②实验教学模式始终不变，教师向学生讲解实验原理、操作步骤和注意事项，学生按规定的实验方法和步骤，被动地完成实验任务[5-6]；学生对实验流程、装置运行特点及实验设备没有深入的体会和理解；这种被动式的学习，学生感到枯燥乏味，激发不了学生的兴趣和创新欲望；③实验设备落后，一套实验设备只能对应一个实验内容；④实验内容只是最常用几种流体机械的简单性能实验。⑤实验教学效果不好，没有提供学生自己思考并处理问题的机会，没有提高学生的工程意识和解决实际工程问题的能力；没有达到加深学生对所学内容的理解，很多同学依旧不会设计实验，不会分析问题，甚至没有深入理解流体机械的原理，不利于培养学生创造性和综合素质。

针对存在的问题，提出流体机械类课程研究型实验教学方法；包括：采用方案设计研究型实验教学方法，用于选择流体机械的实验内容；采用基于三维(3D)造型、3D打印技术的研究型实验教学方法，用于新型流体机械关键零部件的创新设计；采用基于虚拟仿真、数值模拟的研究型实验教学方法，用于流体机械的虚拟装拆、工作过程模拟。从而提高学生自主学习的积极性和主动性、锻炼学生的实验动手能力、培养学生实践创新能力、牢固学生所学知识和提升学生科研素质。同时分析了对教师要求，讨论了实验室的建设和管理[7-10]；对于提高流体机械类课程的实验教学水平和实验室建设具有重要的意义。

1 流体机械研究型实验教学方法

研究型学习方法是指在教师的指导下，学生通过研究型学习方式、主动地分析问题和解决问题，从而在知识学习、能力培养和素质形成等方面达到学习目标的过程[11]；该方法以分析、研究和解决工程实际问题的过程为目标，以师生互动、同学合作为形式，将学习知识与研究问题相结合；具有学习方式的研究型、学生学习的主体性、教师教学的主导性和教学活动的互动性等为特征。

1.1 方案设计研究型实验教学

方案设计研究型实验教学是指：给定实验任务和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现[12-13]。方案设计性实验是训练学生运用本门课程或相关课程的综合知识，对学生实验技能和实践方法进行综合训练的一种复合性实验，着重培养学生的分析和解决问题的能力。该方法具有综合性、研究型和设计性等特点，能够培养学生创新性思维，实现学生自主实验和方案设计性实验，构建了一个实验内容丰富、且具有创新高度的实验教学结构。具体包括以下步骤：①教师设定实验任务；②通过研究型学习，学生自行设计实验方案；③通过师生讨论，根据实验室条件，完善并确定可行的实验方案；④按照实验方案组建和准备实验设备；⑤完成实验。

1.1.1 方案设计性实验任务的设定

方案设计性实验任务的确定是该实验教学方法中非常重要的环节；方案设计性实验任务应具有综合性、典型性、一定的覆盖面、可操作性及具有一定的深度，其实验内容涉及本课程的综合知识；来源于教师长期从事的流体机械教学、科研和产品开发过程中中的启示；实验内容应涉及流体机械的工作原理、性能特点和运行操作等方面。其目的是使学生将所学的专业理论知识综合运用于实践，使学生树立实验的整体观，增强学生的工程意识和科研意识。在确定实验任务时，可分多个层次的实验任务：基本实验、综合实验和探索性实验；学生可以根据自身的情况选择不同层次的实验。

所以实验任务应具备如下特点：①综合性，包含流体机械的原理、运行特点、操作和测试等多方面的基本知识；②与工程实践问题紧密联系，且需要及时更新；③有利于学生开阔思维，培养创新性思维，发现新问题；④所需的实验装置易于实现。

所采用过的实验任务案例如下：

案例1 设计一种离心泵运行工况，使得离心泵能够发生汽蚀，并测试汽蚀工况的运行特点及性能曲线，这样的实验任务既包含了原有的实验内容“离心泵汽蚀实验”，又能体现出综合性，能够培养学生的创新能力。

案例2 选择一种类型的液体泵，将液体从特定的入口条件输送到特定的出口条件，设计出实验装置，测量泵的性能曲线，这种实验任务不但包括了现有的实验内容“离心泵性能实验”，而且与实际工程问题更为接近，且实验内容可包含离心泵、螺杆泵、往复泵和液环泵等。

1.1.2 采用研究型学习设计实验方案

实验方案的设计是该实验教学方法的核心。采用学生研究型学习方法，促进了学生学习的主动性，提高了独立解决问题的能力。如在案例1中，学生通过研究型学习自行完成实验方案设计，在实际教学中，学生曾经提出多种方法产生汽蚀的方法并设计了实验方案：降低离心泵入口液面高度、调节管路阻力损失、改变介质的温度、增大离心泵入口真空度等。在正式实验过程中，能够加深学生对实验的理解，同时也能够反思学生自己所提出的实验方案存在的问题。又如在案例2中，学生通过研究型学习熟练掌握各种泵的运行条件、操作条件、管路条件和测试方法；同时也强化了对不同类型流体机械工作原理这类基础问题的理解，使之能够触类旁通。

在学生采用研究型学习方法设计实验方案过程中，其关键在于：①给学生较长的时间去思考、设计、修改和完善实验方案，可在该部分内容讲课的时候，就将实验任务布置给学生，学生在学习课程内容的过程中，即开始思考，产生灵感；②教师在讲课过程中，要针对相关问题进行提示，将可利用的方法都加以说明，供学生选择，这样加深对相关问题的掌握；③学生在课余时间，通过查找相关资料，完成实验方案设计；④教师要在课堂上进行实验方案讨论，修改和完善实验方案，根据实验室建设情况，最终确定实验方案。

1.1.3 对比讨论确定实验方案

将学生所提出的实验方案进行对比和讨论，分析其优缺点和适用范围，使之完善；根据实验室条件，最终确定学生所设计的可行的实验方案。通过问题讨论，使得学生明白解决实际问题时，必须考虑其实际适用条件；让学生之间检查所提出的实验方案的正确性与可行性，明确其实验方案的不足，并找到合理的解决方法，加强了不同实验方案之间的比较，增加了对所学知识的理解，并能够运用到实际中；同时也排除了一些理论上可行，而在实际操作中存在众多缺点的方案；所以该方法增强了学生解决实际问题的能力和工程实践能力；在学生所提出的实验方案中也不乏包含一定的创新性，有助于丰富实验方法、开发新型实验装置。

如在案例1中，学生提出的产生离心泵汽蚀的方法有：①降低离心泵入口液面高度，②增大离心泵入口真空度，③改变介质的温度，④调节管路阻力损失；方法①要求较大的实验室空间，方法②简单易行；方法③是一种理论上可行，实际操作中难以实现的；方法④难以进行定量的测量。学生在该方法的实验方案设计中不乏一定的创新性，有一定的价值。

1.1.4 组建实验设备完成实验教学

根据所确定的实验方案，教师可事先准备好实验装置，也可与学生一起完成实验装置的准备；并按照学生所设计的实验方案完成实验。

随着实验任务和实验方案的不断丰富，促进了实验室建设；可采用各种实验设备和各种测量仪器并联切换的方法，满足多种实验方案；实验设备尽量小型化、模块化和多样化，易于满足相应的装拆、维护和管理。由此搭建的实验装置具有如下特点：①同一套实验装置能进行多个实验内容；②实验设备和测量仪器能够得到充分的利用；③实验内容和实验流程易于更改、不固定，适应于更多的实验内容；④实验室的功能也得到扩大，不但能够承担实验教学，而且能够承担科学研究、大学生实践创新和创业训练等。由此改善了原有一套装置只能完成一项实验的现象。

1.2 基于仿真模拟、3D打印的研究型实验教学

1.2.1 流体机械零部件的3D设计

3D设计是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础，它是建立在平面和2D设计的基础上，让设计目标立体化，更形象化的一种新兴设计方法[14]。针对流体机械主要零部件的形状复杂性，如：离心泵叶轮、双螺杆泵转子、螺杆压缩机转子、涡旋压缩机动涡旋等；采用常用的3D设计软件SolidWorks、Pro/E，对其进行3D设计；由此学生能够对核心部件进行设计。流体机械核心零部件的设计是决定其先进性的关键所在，通过学生的3D设计，不但使得学生掌握流体机械的核心部件的结构、设计，而且也能促进学生在核心部件设计和造型方面的创新。

1.2.2 3D虚拟装配与运动仿真

基于虚拟装配和运动仿真在新型流体机械创新开发、维护、操作培训方面具有独特的作用。在交互式虚拟装配环境中，使用3D装配软件，将完成3D设计的零部件，象在真实环境中一样对其进行各类装配实验，在装配过程中，能够进行碰撞检测、装配约束处理、装配路径和次序等，使得学生能够对流体机械的可装配性进行分析、对零部件装配序列进行验证和规划。在装配(或拆卸)结束后，记录装配过程的所有信息，并生成评审报告、视频录像等供随后的分析使用。

通过3D运动仿真软件，对流体机械的全部运动部件进行运动仿真，展现其运动规律；通过运动仿真，使学生深入地掌握流体机械内部结构、组成零部件间的运动关系；学生通过相关运动仿真实验，获得与真实情况一致的体验，降低成本的同时提高了学习效果；使得流体机械内部的不可及、不可视、高风险、高污染等的操作过程不再受时间、空间限制，借助于虚拟仿真手段，形象生动地呈现在大家眼前，更具可操作性，巩固和加深对所学理论知识的理解，激发了学生学习的积极主动性，提高了学生的学习效率，锻炼在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力；在培养学生的实践能力、研究能力、创新能力和综合素质等方面有着其他教学环节所不能替代的独特作用。同时也有利于丰富流体机械种类的数据库。

1.2.3 采用3D打印技术的创新实验

流体机械是通过关键零部件的运动，使之与流体之间通过相互作用，实现流体的吸入、增压、排出全过程；通过3D设计、虚拟装配和运动仿真，还难以充分展示关键零部件(如：双螺杆压缩机阴阳转子、单螺杆压缩机星轮等)的结构，使学生难以充分认识关键零部件与流体之间的能量传递关系。通常需要观摩零部件实体；而流体机械产品价格贵、体积大，难以在实验室中实现实物展示；流体机械的关键零部件的加工需要专门的专用数控机床、和专门的加工工艺和加工过程，造价相当昂贵，操作非常复杂，周期长，且不易管理，因而面对种类繁多的流体机械，其关键零部件的加工是在实验室内无法完成的。然而采用3D打印技术来打印流体机械的核心领部件可较易实施，使得这一问题迎刃而解。图1所示为3D打印的相互啮合的双螺杆真空泵转子。

图1 通过3D打印的双螺杆真空泵转子

3D打印也称增材制造，通过3D打印机，不需要加工刀具和设备，利用3D模型可快速地制造出复杂的结构工件，解决传统工艺难以加工或无法加工的局限，解决高精度零部件的加工困难，适用于流体机械的关键零部件，尤其具有创新设计的流体机械零部件，如新型双螺杆泵转子；也可以3D打印典型流体机械的全部零部件，实现装拆。结合研究型教学，采用3D打印技术，促进新型流体机械的开发设计，培养了的学生创新能力、设计能力及知识的融合，对于探索实验室的发展起到了重要作用。整个过程不但激发了学生的学习兴趣，同时打印出的关键零部件可供学生研究，引导学生以开放性实验的途径参与流体机械设备模型制作，这些模型的制备可以加深学生对其原理的理解，直接当作教学道具用于下一届的学生的授课当中；同时也丰富了流体机械模型库。

2.5 革兰阳性球菌对抗菌药物的耐药性 从患者标本中分离出的3种革兰阳性球菌对抗菌药物的耐药性见表4。

1.2.4 流体增压过程的数值模拟

流体机械是完成与流体之间进行能量转换的机械，以上3D设计、虚拟装配、运动仿真、3D打印，都是针对流体机械本身，而没有展示流体的状态变化，为了研究流体在流体机械内部压力、温度、速度的变化规律，对流体流动过程进行工作过程模拟。

采用计算流体力学Computational Fluid Dynamics软件，对流体机械在工作过程中的流体区域进行计算，让学生完成流体的工作过程模拟，加深学生对工作原理的理解，实现强化基础、深化认知，使之触类旁通；同时也增强学生的工程实践意识。

如通过涡旋压缩机工作过程的数值模拟，可直观再现气体在压缩机内部其压力、温度、速度的变化规律。展示流体机械内部流体的能量转换过程，使之由抽象到具体。是常规实验无法完成的，同时数值模拟也能够验证一些创新性。

2 改革成效与实验室的建设

2.1 研究型实验教学方法的改革成效

(1) 所提出的研究型方案设计性实验教学方法具有综合性实验、设计性实验和研究型学习等特点；应用于流体机械类课程中的实验教学过程中，有利于培养学生的自学能力、创新能力、解决实际问题的能力和实验动手能力；具有良好的教学效果。综合性实验培养学生综合应用知识和技能解决实际问题的能力；设计性实验培养学生创新精神和独立运用所学的知识和技能分析和解决问题的能力；研究型学习增加了学生自主学习的积极性和主动性，培养学生的创新性。

(2) 通过对典型流体机械3D设计、虚拟装配、运动仿真、3D打印、工作过程数值模拟，展示了流体机械的全部过程，加深学生对所学内容的掌握，为学生在流体机械领域内的创新提供基础。新型流体机械3D模型是研究型实验教学开展的基础和前提，3D打印技术可实现教学模型的个性化制作，工作过程的数值模拟将流体机械内部流体能量转化过程由抽象变为具体。由此丰富了流体机械模型库，能够演示所提出的新型流体机械的原理。

(3) 研究型方案设计性实验教学方法促进了实验室的建设，改变了原有的一套实验装置只能完成一个实验教学内容的问题，改变原有流体机械类课程中实验教学中实验内容始终不变的弊端，通过自行设计实验任务，增加了实验内容及其覆盖面，实现了实验教学任务和内容的更新。采用设备小型化、模块化和多样化的思路进行实验室建设，以及相类似的实验设备和测试仪器的并联，使得实验装置的功能和实验设备的利用率都得到提高，实现一套实验装置能够完成多个实验内容，能够实现新型实验装置的开发。提出建设具有互换功能的实验室建设思路，使得同一套实验装置能进行多种实验内容，还要不断地增加实验内容，适应科研的发展。

(4) 扩大了实验室的功能，有利于实现开放式实验室，可面向不同专业的相似课程的实验教学，实验室不但能够承担实验教学，而且能够承担科学研究、大学生实践创新、卓越工程师的培养和学科竞赛等，如：国家级的“挑战杯”大赛、全国大学生过程装备实践与创新大赛、大学生工程训练能力竞赛等比赛。具有教学功能、科研功能、大学生创新功能。

(5) 提高了教师的能力和水平，能够将教师的科研和教学充分结合。

2.2 实验室的建设

在实验室的管理中，加强在实验室内对学生的管理，学生应严格遵守实验室管理条例，严格在教师的监护下进行实验。在实验进程中要求进入实验室的学生了解各个流体机械的功能，爱护实验室仪器和设备，在技能操练中注重培养科学研究的基本素质，严谨的科学作风、严肃的科学态度、严密的科学方法，认真完成每一项实验。

实现了开放式实验教学模式，学生可以自由选择实验实训项目、自主设计实验流程、自行完成整个实验内容，拓展了学生学习时空，并面向大学生第二课堂、毕业设计、创新实验项目和科学研究全面开放，实现实验教学资源共享。

流体机械的种类繁多、增压输送的流体性质不尽相同、应用环境和工况要求各异；现有的实验室难以收集尽可能多的流体机械。通过对流体机械的三维设计实践，可以逐渐丰富实验室中流体机械的模型库，将更多的特种流体机械、新型流体机械展现给学生，以迎合流体机械的飞速发展。

2.3 对指导教师的要求

指导教师的业务水平与素质是开展研究型实验教学和基于仿真模拟、3D打印的研究型实验教学方法的重要保证，教师要制定切实可行的实验任务，并提供实验条件；教师要对学生的实验方案设计与实施给予必要的启发和引导、对实验方案进行把关，还要在实验过程中对学生做必要的指导。因此对教师有如下的要求：

(1) 教师具有流体机械方面全面的理论知识、专业知识、熟练的技能和丰富的实践经验，具有从事流体机械相关工程实践和科研的经历。

(2) 教师能够制定出适合培养学生多方面能力的实验任务，并能在实验任务、实验方案、实验装置和实验过程中，都能够给予学生指导。

(3) 实验任务和实验方案设计等都应来源于生产实践、新产品研发和科研过程，教师必须在实际生产与科研过程中吸收内化，并有效地再现给学生。

(4) 有较强的管理学生能力，同时还要根据学生的认知水平确定相应的实验任务，培养学生的学习能力。

3 结 语

通过研究型学习，学生自行设计了实验方案，而且充分考虑了实验方案的优缺点，比较了多种实验方案，最终确定了可行的实验方案；又据此组建了实验装置，最终完成实验。实验方案设计采用研究型学习方法，加深强化了学生对所学内容的理解，培养了学生创新思维。在实施过程中，学生提出了很多有一定可行性的新观点、新结构和新想法；实验方案的讨论和确定过程有利于理论联系实际，能够加强学生的工程意识，提高学生分析问题和解决实际问题的能力；同时还培养了学生的表达能力，促进交流，增强合作意识。

学生通过研究型学习，完成流体机械零部件的3D造型、虚拟装配、运动仿真、3D打印，完成流体机械工作过程中流体增压流动过程的数值模拟。加深学生对其工作原理、工作过程、关键零部件的掌握和理解；在实验对象上，可以针对常规流体机械、特种流体机械、和新型流体机械，使得实验教学能够及时进行知识更新，迎合流体机械行业的飞速发展；学生通过实验，增强了工程实践意识，实现强化实践；使之实现强化基础、深化认知，触类旁通；同时也促进学生在流体机械关键零部件设计、工作过程原理、流体增压输送方法等方面的创新。

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Exploration and Practice of Research-type Experimental Teaching Methods in Fluid Machinery Courses

WANGJun,SUNZhuohui

(College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

Fluid machineries have many characteristics of various types, complex structure and high risk medium; and fluid machinery is the major course in the college of engineering. The disadvantages of the existing relevant fluid machineries in the experiment teaching are analyzed in this paper; and a research-type designing experimental teaching method is proposed. According to the comprehensive experimental task, this method requires students to design the experimental scheme using research-type learning method; and then by comparison discussions the final feasible experimental schemes are perfected and determined based on laboratory conditions; finally, the experimental equipment is assembled and the experiment is completed. Combined with 3D printing technology, virtual simulation technology, the working process simulation, an experiment teaching method based on the research study is put forward, where this experimental teaching methods are illustrated. Requirements of tutors, laboratory condition and management are introduced. The proposed experimental teaching methods help to improve abilities of creativity and of solving practical problems of students.

research-based learning; experimental teaching method; fluid machinery; 3D printing; virtual simulation; laboratory building

2016-03-21

中国石油大学(华东)校级研究型教学方法改革项目(YK201404)

王 君(1976-)，男，吉林梅河口人，博士，副教授，研究方向：流体机械、化工机械。

Tel.：13589269049；E-mail: wangjun@upc.edu.cn

G 642

A

1006-7167(2017)02-0244-05