《过程流体机械》案例库建设与案例教学实践应用研究

郭俊江，刘 浪，唐石云，葛武杰，陈丽军

(贵州理工学院化学工程学院，贵州 贵阳 550003)

随着“复旦共识”与“天大行动”的达成，新工科已成为改革话语中最为醒目的关键词。国家和地方实施创新驱动发展、“互联网+”、国际国内双循环新格局等重大战略对高等工程教育改革提出了迫切要求[1]。同时，随着《关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》【教发[2015]7号】的出台，部分普通本科高校教学模式从理论型向应用型转变的需求变得十分迫切。在这一背景下，地方高校对应用类专业课程的教学应当更加注重培养学生的理论联系实际、解决实际问题的能力。

对于众多地方工科院校而言，都在已有教学理论体系的基础上充分借鉴国内外工程教育的先进经验和理念，结合各自的培养目标，努力探索新的教学模式[2]。其中，案例教学法相较于传统方法，不仅注重知识、理论传授，而且在拔高学生推导理解能力以及解决实际问题能力等多方面都具有十分显著的优势。

《过程流体机械》的传统教学模式是以灌输方式向学生生硬地传授专业知识，严重制约了学生学习潜能，损害了学生自主学习的兴趣和积极性。尤其是关《过程流体机械》中相对抽象的课程内容和理论计算，传统模式的课程讲解对于引发学生的学习兴趣十分困难，使得学生接受和应用课程知识的能力不足，无法满足我国对于应用型人才的培养目标。因此，探索《过程流体机械》的新型教学模式显得尤为必要。目前,已经有文献报道了在《过程流体机械》教学方法上的探索、尝试和改革等方面的研究工作[3-4]。

案例教学法在工程科学课程中应用较多，如在《化工热力学》课程中冯新等[5-6]将生活中一些常见的现象(如天然气的液化压缩和贮存、机动车轮胎充气等问题)引入《化工热力学》教学，有效引导学生透过现象看本质，极大地提高了学生的学习兴趣。刘兆增等[7]以工程视角结合卓越工程师培养目标对《过程流体机械》(如离心泵、离心式压缩机和往复式压缩机)以教学案例的形式展开讨论，可以极大地提高学生分析和解决问题的能力。从反馈结果看，案例教学使得教学内容更加形象生动，可以有效激发学生学习积极性，培养学生工程意识和创新思维，提高教育教学质量。但总体上，目前案例教学在《过程流体机械》课程中的应用相对较少，因此探索案例教学法在《过程流体机械》课程中的应用与研究显得尤为必要。本文以《过程流体机械》课程为例，结合校情，探讨该课程的案例库建设及案例教学法实施思路与模式，以期为其他专业实践课程的案例库建设和案例教学提供有益参考。

1 过程流体机械案例库建设必要性

案例教学可以看作理论教学形式的一种效果显著的辅助教学方法，对于培养学生实践以及工程思维能力具有十分关键的作用。《过程流体机械》作为过程装备与控制工程专业的必修专业课程，同时也是实践性较强的一类专业核心课程，其教学目的是让学生熟悉经典的过程流体机械的基本工作原理、主要结构、工作特性以及能够表征其生产能力的技术经济指标，具备典型过程流体机械的性能计算以及选型的能力[8]。目前《过程流体机械》教学案例虽然多数设计较为严谨，但由于反应的问题比较有针对性以及地域的局限性，很难在各地方高校普遍化应用。许多新型化工行业，如国家“十四五”规划特别提到的新能源开发、新材料新工艺等相关案例极度匮乏。因此有必要对《过程流体机械》教学案例库进行收集、整理、分析和更新。积极从工程角度出发，同时结合实际应用，为过程装备与控制工程专业的学生在化工、石油、冶金、能源、轻工、环保、医药、食品、机械及劳动安全等过程工业方面的工作打下坚实的基础。

2 过程流体机械案例库建设方法

(1)明确案例库的教学形式和目的

明确教学案例库主要是通过老师结合工程实际应用进行整理、设计，随之进行课堂教学的一种辅助教学形式，可以通过实物、视频展示以及网络资源对涉及的教学内容进行展开式学习，可以有效强化学生对相关知识的重难点的记忆和掌握。比如，离心泵气蚀原理，针对气蚀这个抽象概念的学习过程中建立比较丰富的案例库，并配以适当的教学设计。教师在讲解知识的同时，通过对工程案例进行深层次分析，并且在学生层面形成开放式讨论，在多种形式的结合下可以十分显著地提高教学成效，加深学生对于这一抽象理论的认识。

(2)找准案例库建设原则

《过程流体机械》课程具有融合多学科理论、工理结合、覆盖面广、实践性强的特点。因此，教学案例库的建设原则应该以过程流体机械在化工、石油等行业中运用为背景去设计相应的教学案例，以具体实物和过程中发生的情景作为切入点，并突出理论教学与实际应用相结合的特点，涉及的问题和解决问题的方法要着力体现工程技术、经济评价等知识的综合运用。在案例设计过程中需要保证其鲜明的行业特色，选用案例尽可能多地关联和应用专业课程中讲授的理论、方法、知识点，使得案例库与课程体系相匹配，成为培养方案和课程体系中不可或缺的重要组成部分。

(3)对教学案例进行收集、评价、整合与筛选

案例来源渠道众多，教师可以通过网络资源或企业获取。由于案例素材众多，因此教师对搜集到的案例素材进行评价，素材应该吻合实际的教学体系，同时能够让同学借用理论知识去回答和解决案例中出现的事故。合理删除与课程教学无关的信息，甚至需要对部分案例进行设计与修改。因此，教师应精选案例素材，使入选案例之间、案例与教材之间以及案例与培养目标之间形成一个有机整体，以更好地服务教学。在功能上，案例应突出知识的应用、问题的解决和能力的培养，有针对性地培养学生实践应用能力和科学创新思维。

3 工程案例教学分析

3.1 离心泵汽蚀教学案例

关于离心泵气蚀案例教学分析。汽蚀是离心泵无法通过结构设计进行避免而且具有严重危害的一种现象。对于相关知识点的理解，我们可以设计如下案例。如某化工厂选购一台吸水的离心泵，离心泵流量范围在200～220 m3，正式投入使用过程中发现离心泵产生较大的噪音，震动剧烈且达不到设定的压力值，我们在设计的案例中也给出了离心泵的具体参数，最终让学生判定所给泵是否能够正常工作。

在问题解析过程中，首先提出离心泵产生汽蚀的主要原因，汽蚀是由于所输送流体在泵入口到叶轮如口有所下降，如过这个压力降低且刚好低于所输送液体的饱和蒸汽压，那么液体就会发生汽化产生气泡，同时溶解在液体中的气体也会以气泡的形式逸出。随着叶轮做功那么产生的气泡在高压区会发生溃灭产生空穴，从而会造成周围高压流体对材料高频次，高冲击应力的载荷，进而对材料造成破坏，这种综合现象就是汽蚀现象。其次，教师可以有效引导学生进行开放性讨论，学生可以灵活利用有效气蚀余量和必须气蚀余量的概念以及相应计算表达式去判断该离心泵是否发生了气蚀故障，进而判断该泵是否能够正常工作。当然在设计案例过程中应当给出能够正常工作和不能够正常工作的多个案例。最后，对于不能够正常工作的泵(有效汽蚀余量小于必须汽蚀余量的情况)，要求同学们结合计算原理分析有效的解决方法。例如，降低流体流量大小，降低吸入装置的安装高度或改成倒灌的形式等都可以有效改善气蚀故障。让同学们结合案例分析以及开放性讨论掌握汽蚀产生机理以及汽蚀预防措施等相关知识点。

3.2 离心压缩机喘振教学案例

关于离心压缩机喘振案例教学分析。我们可以设计如下案例，如某石化橡胶工厂空压站有4台压缩机，但是其中1号压缩机多次反复发生停机故障，测试结果发现其管网特性曲线变陡，而且现场也能观测到流量变小，噪音加剧的现象。

在问题分析过程中，首先给出离心式压缩机发生喘振的一些现象，如压力表和流量计大幅度波动；出口气流忽进忽出；产生噪声(吼叫)；产生大量热量，电流波动等现象。通过对离心压缩机的理论知识分析，让同学们明白该压缩机发生了喘振事故，并同时让学生知道喘振发生的机理。其次，引导学生开放性讨论，讨论影响和产生喘振的主要因素。比如流量的变化，入口压力，入口的温度，压缩机的转速，输送介质的相对分子质量，管网特性曲线等因素，让同学们深刻明白这些参数的变化对于喘振发生的影响。最后，结合案例可知，实际测量发现管网特性曲线变陡，主要是因为管网阻力增加，导致保证相同的流量运输所需要的流体压力更高。然后让同学们详细讨论可能引起阻力增加的原因，这个过程中我们也可以设计小组的形式进行分析讨论。给与一定讨论时间后由老师给出分析和结论。管网阻力增加的主要原因：一是由于压缩机出口管路上的阀门故障，导致管网阻力增大；其次也可能是排气通道堵塞，也会导致管网阻力增大。这样可以强化学生对于喘振机理，引发喘振的因素及喘振相关的其他知识点进行学习理解以及强化记忆。

结合实际教学案例，引导学生开放性讨论，可以让学生从工程思维的角度去接触和分析工程案例过程中所涉及的理论知识，并提出有效的解决方法，培养学生对工程问题的理解能力，强化学生的理论知识学习。

4 案例教学评价及改革

传统教学方法主要以应试教育的形式为主，这极大地限制了学生自主学习能力，无法充分调动学生的学习兴趣。相比之下，案例教学法可以结合工业实际的生产过程实例进行研讨，学生在开放式探讨过程中可以发挥主观能动性，这对学生创造力、创新能力等的培养和提高具有很大裨益。为了配合案例教学，有必要对整个课程体系进行教学评价及改革。

传统的教学评价通常采用总结性评价，评价主要以卷面成绩为依据，无法完整表现出学生的学习效果。案例教学形式结合OBE教学模式，教学评价不止停留在学生的卷面成绩还可以通过平时表现，课程讨论的形式进行综合体现，全面评价学生对于课程知识的获取，专业素养的形成等情况。一方面，采用雨课堂可以有效对学生课前、课中和课后全过程的学习行为进行大数据收集，教师通过实时监测每位学生的行为表现，即时追踪学生学习状况，为教师的个性化指导与合理、客观的评价提供有效证据[9]。另一方面，建立完善的评价机制和评分标准，在考核结果中充分体现学生对知识的掌握度和各项能力的成长情况。只有充分掌握了各项情况，教师才能够在教学过程中以及教学结束后有针对性地改善和优化教学内容，并为提升教学效果尽一切努力。

5 结 语

《过程流体机械》作为一门实践性很强的专业类课程，案例教学法的引入可以有效激发学生学习兴趣，培养学生自主学习能力，提升学生对课程知识的掌握程度。《过程流体机械》案例库的建设和教学实施，可以帮助学生培养工程思维，在结合理论学习的前提下使学生可以合理运用工程意识去分析和解决工程实际问题。此外，在引导学生自主分析和解决问题能力的基础上，相关教学方法还可以有效培养学生的责任感和自豪感，契合《关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》的顶层要求。