离心泵汽蚀实验研究型教学方法探索

孙卓辉,王 君,王振波,王龙庭

(中国石油大学(华东)化学工程学院,山东 青岛 266580)

离心泵汽蚀实验研究型教学方法探索

孙卓辉,王 君,王振波,王龙庭

(中国石油大学(华东)化学工程学院,山东 青岛 266580)

在科技迅猛发展和培养创新型人才前提下，研究型教学已成为高等教育探讨和实践行之有效的模式，该教学模式提倡学生主观参与、自主学习。针对传统实验存在的内容陈旧、教学模式机械、实验效果不好等问题，从研制高水平实验装置、自主选择设计性实验、实施师生互动和拓宽学习渠道等4个方面，介绍了在流体机械类课程离心泵汽蚀实验中开展研究型教学的探索和实践，教学质量明显提高，使专业课实验教学在培养学生的创新能力和科学素养方面发挥重要作用。

离心泵； 汽蚀实验； 研究型教学

0 引 言

随着“大众创业、万众创新”成为国家战略的大背景下，研究型教学已经成为高等教育探讨和实践的热点[1-3]。研究型教学以知识教育为依托，以能力培养为主要内容，以引导学生的高度参与以及主动性的充分发挥，并且创造性地运用知识和能力为目标[4]。在教与学的过程中，通过学生有意识主动发现疑点、研究来龙去脉，在教学互动中解决问题；同时能在研讨中深入掌握专业知识、培养创新能力和锻炼主动思维习惯。其基本特征是：突出学生在教学中的主体地位，突出研究在教学中的重要作用，突出知识、能力、素质三维度的教学目标[5-6]。本文结合笔者多年的教学经验和对研究型教学理念的理解，介绍如何在流体机械类课程离心泵汽蚀实验中开展研究型教学工作，使专业课实验教学在培养学生的创新性能力和科学素养方面发挥重要作用。

1 离心泵汽蚀实验开展研究型教学的必要性

离心泵是流体输送和增压的主要设备，在石油、化工、采矿、冶金、电力、市政及农林等行业使用数量巨大，被称为是过程工程的“心脏”设备[7]。离心泵汽蚀是由于液流局部压力过低所引起设备故障，会引起设备水力性能剧烈下降、汽蚀破坏、压力脉动、噪音和振动等一系列问题，影响离心泵的连续性运行，是制约离心泵向高速化、微型化发展的重要因素，被称为水力机械领域的世界性难题[8]。因而离心泵汽蚀现象的深入研究，是流体机械类课程的重要组成部分。

在流体机械类课程的本科教学中，开展离心泵汽蚀实验环节，是课堂教学的延伸和补充，对于学生掌握和理解众多原理和理论内容有不可替代的作用。传统的汽蚀实验教学模式已无法适应创新型人才培养的要求：① 实验内容过于陈旧且固定不变[9]，实验内容覆盖面小，为演示性实验，仅能观察到离心泵汽蚀发生时，其扬程和流量快速下降的简单表观现象，无法深层次理解汽蚀现象，无法培养学生的创新性；实验设备落后，测试手段单一，无法适应流体机械技术的发展和进步；② 实验教学模式始终不变，实验教材叙述过于详细，学生思考和分析问题的机会比较少，教师向学生讲解实验原理、操作步骤和注意事项，学生被动地按照实验方法和步骤，机械地完成实验任务，学生只能按照规定的步骤完成实验，不想为什么，也不问为什么，对实验流程、装置运行特点及实验设备没有深入的理解和体会；③ 实验教学效果不好，没有提供学生自己思考及处理问题的机会，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，很多同学依然不会设计实验，不会分析问题，甚至没有深入理解离心泵及离心泵汽蚀的原理，不利于培养学生创造性和综合素质。

在扎实教学的基础上，“眼望星空”，不断反思我们的课堂和教学环节，在“离心泵汽蚀实验”教学过程中将研究型教学理念融入教学全过程，寻求先进教学理论与实践的契合点，切实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、巩固学生所学知识和提升学生科研素质。

2 研究型教学的实施

在离心泵汽蚀实验的教学实践中，我们主要从以下4个方面进行了研究和探索。

2.1研制高水平实验设备，优化教学内容

高校的专业实验，除了传授给学生相关学科的基本知识外，还应将学科的最新发展介绍给学生，因此，课程体系是不断创新发展的，实验设备的建设必须与课程体系相配套[10]。紧密结合教学需求，根据专业人才培养目标来解决实践教学的需求，将科研成果、先进的实验仪器引入实验教学，不断更新实验教学内容，是现代科技飞速发展的大势所趋，是开展研究型教学的物质基础。

传统的汽蚀实验，通过改变入口阀门开度或抽真空的方式，改变离心泵入口管路特性，使之达到汽蚀状态，观察扬程和流量快速下降的现象，测定临界汽蚀点(扬程下降3%的点)。由于离心泵内部工作过程具有不可视、不可及的特点，传统离心泵实验仅能观察到汽蚀发生时扬程、流量下降，噪音、振动加大等外部特征，无法观察到汽蚀过程的内部现象，也未对噪音和振动进行定量分析；再者，会使学生产生认知误区，认为临界汽蚀点是开始汽蚀的时刻，实质上，临界汽蚀状态时，汽蚀已较为严重，水力性能已明显改变，汽蚀破坏是从气泡初生溃灭时便已开始[11]；随着水力机械故障检测技术的不断发展，国内外学者提出了很多有效的办法，如噪音测量法、高速摄影法、超声监测法、压力测量法和振动测量法等[8,12]，传统的实验手段是落后单一的。

化学工程学院实验教学中心结合教学需求和发展趋势，引入最新科研成果，搭建了离心泵汽蚀研究化教学和学习平台。该实验台用有机玻璃构造了可视化流道，采用闪频技术和高速摄影技术，可获取汽蚀发生过程的清晰图像，可直接观察到气泡产生、生长、溃灭的过程；这样气泡产生和溃灭的位置，不仅仅是书本上空洞的语言描述，而是理论分析和实验现象验证，加深了对理论知识的理解；提供了多种离心泵汽蚀性能状态判定手段，可直接目测初生汽蚀点，可根据能量损耗确定临界汽蚀点，可利用振动测试仪分析振动变化，还可定量分析噪音信号，为学生实验方案的确定和实施提供了硬件基础，让学生接触到国内外先进测试理念，开拓了眼界；选用了国内通用、先进、精度高得测量仪表，流体性能参数和高速摄像机图像实现计算机实时采集，最新测试技术和准确测试结果，培养了学生细致求实的科学作风；实验装置预留数据采集接口，可让学生自主编程设计相关实验，可供学生进一步研究。

3.2自主选择设计性实验教学，丰富教学手段

自主选择设计性实验教学是研究型教学中重要的教学环节，给定实验任务和实验条件，由学生采用研究型学习自行设计实验方案并加以实现[13-14]，是学生自主且主动掌握——消化——创新本门课程或相关课程的综合知识的过程，搭建学生运用书本知识分析和解决实际问题的初级平台，进而使学生全面理解掌握理论知识，同时能增强学生的工程意识和科研意识。针对离心泵汽蚀实验，将其分为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自主选择不同层次的实验。把相关实验设备、实验指导书等资料在网站上发布，学生根据所学相关课程熟练程度以及自身情况(比如：兴趣、学习时间等)选择不同层次实验任务。

(1) 基本实验。“离心泵汽蚀实验”是必修课程。实验教师可在理论课开始初，在相关网络平台上向学生发布相关实验内容，利用虚拟仿真实验课件或者多媒体课件介绍实验操作流程。实验教师在上课时主要采用传统的实验教学模式，重点培养学生的基本操作和基本技能，完成培养方案基本要求内容。

(2) 综合实验。实验教师设定实验任务。针对离心泵汽蚀实验，设定了两个题目：“设计一种离心泵运行工况，使得离心泵能够发生汽蚀”和“提出表征汽蚀特性的性能参数，并设计测试方案”。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。选做此实验的，可以不单独进行基本实验“离心泵汽蚀实验”。

(3) 探索性实验。学生在完成综合实验的基础上，感兴趣学生通过研究型学习，自行设计实验方案，开展探索性实验。主要对象对相关实验非常感兴趣且具有创新意识，以及开展大学生创新项目前期准备等。学生提出实验方案与实验教师交流沟通，根据实验室条件，最终确定1至2个学生所设计的可行的实验方案开展探索性实验。

通过实验方案讨论制定以及实验过程，使得学生明白将所学的知识原理用于解决实际问题时，必须考虑其实际适用条件；此层次实验增强了学生解决实际问题的能力和工程实践能力。同时，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。

根据所确定的实验方案，实验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；在实施方案设计研究型实验教学方法的实验教学过程中，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。

3.3创建动态教学环境，实现师生互动

研究型教学提倡以问题研究为载体，教师和学生平等互动，从而启发学生思考问题、解决问题。在实验原理讲述阶段，改变传统的“填鸭式灌输”模式，把更多的发言权留给学生。把所要传授的内容，分阶段、有目的和有技巧地细化成一个个问题向学生提出，由大及小，由浅入深，涉及到实验的背景、原理知识、实验装置、操作流程及注意事项，以提问的方式，启发学生自己思考分析，得出结论。在师生间、同学间相互讨论、解决问题的过程中，掌握基本的研究方法，形成良好的思维品质，增强自主思考能力和创新意识[15-16]。

围绕“离心泵汽蚀实验”，提出的问题主要有：本实验的实验目的是什么？流体机械如何分类？离心泵的主要用途有哪些？离心泵的工作原理是什么？离心泵的主要结构是什么？离心泵是如何泵送流体的，有哪些过流部件？如何辨别离心泵的进出口？通过有机玻璃视窗，如何辨别离心泵的旋转方向、叶片工作面和非工作面？实验装置的流程是什么？离心泵进出口管路上安装了那些仪表？泵启动前为何要盘车、灌泵、关闭出口阀？离心泵的特性参数有哪些？离心泵的工作点如何确定？离心泵的运行工况调节主要有哪些方法？本装置可采用哪些方法？离心泵汽蚀的发生机理是什么？离心泵汽蚀有哪些危害？什么是必需汽蚀余量？什么是有效汽蚀余量？汽蚀判别式主要有哪几个？如何根据伯努利方程，推导有效汽蚀余量的计算公式？定性分析，如何改变装置的有效汽蚀余量？什么是开式装置、什么是闭式装置？本装置采用了什么结构？如何判定临界汽蚀状态？GB3216对离心泵临界汽蚀状态是如何规定的，还可采用哪些判定手段？什么是汽蚀初生状态？闪频仪的工作原理，对高速转动部件可实现什么效果？汽蚀初生的部位，并分析原因？汽蚀破坏的部位，并分析原因？实验的操作步骤是什么？离心泵和真空泵的启动顺序？为何罐内真空度低于0.3个大气压，方可停止真空泵，否则会出现什么问题？真空泵抽真空时，为何要保持真空泵流量恒定，如何调节？

为避免讲授过程出现“一言堂”，首先区分哪些问题是教师必须讲授的，哪些问题是留给学生思考研究的。教师必须讲授的，可以采用自问自答的形式；鼓励学生大胆回答问题，调动学生的学习积极性，肯定回答正确之处，指出错误所在，让学生之间相互补充，再由教师最后陈述总结。老师和学生之间平等的对话和交流，学生对老师的问题积极响应，老师为学生营造和谐活跃的学习氛围，留出时间和空间让学生自行思考。学生普遍反映，对所学知识理解的更彻底，掌握得更扎实，学习也不感到枯燥，改变了“不用思考、不敢思考”的机械模式，做实验再不是走过场了。

3.4转变传统学习方式，多渠道拓展学生知识与能力

在研究型实验教学中，强调调动学生的能动性和积极性，让学生自愿主动学习，在学习过程中给予实时指导，因而，顺应当下信息技术的发展，借助网络资源和新媒体技术，拓宽了知识平台和渠道，营造“人人皆学、处处能学、时时可学”的学习氛围：① 在该实验所依托的省级精品课“化工过程流体机械”网站上，上传实验相关的学习资料以及实验中经常遇到的问题；② 依托2015年获批的国家级“石油化工与装备虚拟仿真实验教学中心”，设计了网上虚拟实验，极大地调动了学生的学习兴趣；③ 开设公众微信号，提供师生学习交流平台，在线及时提出以及回答问题。

4 结 语

建立研究型教学模式，不仅是教学方式的变革，更是教学理念的转变，涉及到教学内容、教学手段和学习方式等一系列问题，需要大环境和小环境共同作用，对教师提出了更高的要求，需不断研究和探索先进教学理念，需不断深入了解现代科技前沿，为研究型人才的培养搭建良好的教学平台。

[1] 王 迪,侯彦丽.研究型教学模式在高校教学活动中应用探讨[J].中国成人教育,2015(22): 153-155.

[2] 姜翠玉,吕志凤,王芳珠,等.研究型化学实验教学体系的构建与实践[J].实验室研究与探索,2015,34(4): 174-178.

[3] 赵朝晖,郑 成,毛桃嫣.化工专业研究型实验教学设计与实践[J].实验技术与管理,2015,32(8): 158-159.

[4] 籍建东.研究型教学模式与传统教学模式的比较[J].职教论坛,2011(5): 43-45.

[5] 王旭珍,王新平,石 川,等.物理化学研究型教学模式的构建与实践[J].教育教学论坛,2012(5): 36-38.

[6] 李乐山.高等学校进行研究型教学的方法与意义[J].西安交通大学学报(社会科学版),2008,28(1): 92-96.

[7] 张 娜,张 晶.离心泵汽蚀现象分析及防汽蚀措施[J].流体机械,2013,41(7): 53-55.

[8] 潘中永,袁寿其.泵空化基础[M].南京: 江苏大学出版社,2013.

[9] 朴奇鏞,宋元萍.离心泵实验室中的汽蚀试验[J].农机化研究,2005(5): 180-181.

[10] 潘正官.自行研制实验设备创建高水平示范性实验室[J].实验室研究与探索,2006,25(9): 1151-1152.

[11] 潘森森,彭晓星.空化机理[M].北京: 国防工业出版社,2013.

[12] 段向阳,王永生,苏永生.水力机械空化(汽蚀)监测研究综述[J].水泵技术,2008(5): 1-6.

[13] 田运生,刘维华,王景春.综合性设计性实验项目建设的探索与实践[J].实验技术与管理,2012,29(2): 126-129.

[14] 陆 源,厉旭云,叶治国,等.自主学习、自主实验、自主创新教学的研究[J].实验技术与管理,2012,29(6): 11-16.

[15] 门 瑢,崔永梅.“以问题为导向”的研究型教学模式在会计教学中的应用——以北京交通大学“会计学基础”精品课程建设为例[J].北京交通大学学报(社会科学版),2008,7(2): 109-112.

[16] 陈效兰,张 岩.师生互动式研究型教学对创新型人才培养的探索[J].教育探索,2008(10): 35-36.

Discussion on Research Teaching for Centrifugal Pump Cavitation Experiment

SUNZhuohui,WANGJun,WANGZhenbo,WANGLongting

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

Under the premise of the rapid development of science and technology and the cultivation of innovative talents,the research teaching has become a hot topic in the discussion and practice of higher education.This teaching model initiates students' subjective participation and autonomous learning.In view of problems of traditional experiments,such as the old content,mechanical teaching mode,bad experimental effect,this paper introduces an exploration and practice of research oriented teaching in the experiment of centrifugal pump cavitation in the course of fluid machinery,including the development of a high level of experimental devices,independent choice of design experiments,the implementation of teacher-student interaction and broaden the learning channels.The effect is that the teaching quality is obviously improved,and the experiment teaching of specialized courses plays a more important role in cultivating students' creative ability and scientific literacy.

centrifugal pump; cavitation experiment; research teaching

2016-07-07

中央高校基本科研业务费专项资金(No.16CX05007A); 中国石油大学(华东)校级教学实验技术改革重点项目(SY-A201603)；中国石油大学(华东)校级研究性教学方法改革项目(YK201604)

孙卓辉(1982-)，女，内蒙古阿荣旗人，硕士，高级实验师，主要从事化工过程流体机械的科研与实验教学工作。

Tel.：18254258608; E-mail:sunzhuohui@upc.edu.cn

TH 311

：A

1006-7167(2017)07-0185-04