王增麗 王皓 李強(qiáng) 王君

摘 要：針對(duì)流體機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及問(wèn)題，為增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和自主創(chuàng)新能力，開(kāi)展了改進(jìn)教學(xué)模式、增設(shè)自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，構(gòu)建開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；并結(jié)合直接數(shù)值建模方法和主要零部件3D打印技術(shù)，構(gòu)建了可實(shí)現(xiàn)多種流體機(jī)械嚙合特性及工作機(jī)理測(cè)試的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?；趧?chuàng)新能力培養(yǎng)的流體機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革可提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，切實(shí)加強(qiáng)學(xué)生分析和解決過(guò)程裝備領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和自主創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力；流體機(jī)械類課程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）20-0035-03

Abstract： In view of the current situation of experimental teaching in fluid machinery courses and its problems， the reform of experiment teaching such as improving teaching mode， setting up independent experiment design， and constructing open innovation experiment platform are carried out to enhance students' innovative consciousness and independent innovation ability. The open experimental platform for testing the meshing characteristics and working mechanism of fluid machinery was constructed in combination with direct numerical modeling method and the 3D printing technology. Experimental teaching reform of the fluid machinery courses based on innovation ability training can improve the experiment teaching effect， strengthen students' ability to analyze and solve complex engineering problem of process equipment and exercise students' innovation consciousness and innovation ability.

Keywords： innovation ability； fluid machinery course； experiment teaching reform； open experimental platform

隨著新工科建設(shè)工作的開(kāi)展及我校過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)“工程教育認(rèn)證”工作的推進(jìn)，人才培養(yǎng)目標(biāo)需要逐漸向加強(qiáng)工科學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力等方向轉(zhuǎn)變[1，2]。過(guò)程流體機(jī)械課程作為專業(yè)核心課程，是支撐人才培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵課程。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)則是過(guò)程流體機(jī)械這類應(yīng)用性和實(shí)踐性強(qiáng)的課程授課過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提高的重要手段[3]。

從目前我校流體機(jī)械類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況來(lái)看，已開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容還主要是常規(guī)流體機(jī)械的工作性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)[4-6]?，F(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容和裝置無(wú)法迎合流體機(jī)械技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，也不能給學(xué)生提供自主創(chuàng)新研究的平臺(tái)。而且實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也大都是傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，不利于激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新欲望[7-9]。為了解決上述問(wèn)題，其他學(xué)校針對(duì)流體機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)也進(jìn)行了一些改革：通過(guò)三維建模構(gòu)建流體機(jī)械基本結(jié)構(gòu)模型，并模擬拆卸過(guò)程，從而加深學(xué)生對(duì)相關(guān)流體機(jī)械結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)[10]；在實(shí)踐環(huán)節(jié)增加拆裝實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程，以加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力及其對(duì)流體機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解[11]；為了解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求提高而實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)保障相對(duì)滯后的矛盾，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法又被提出并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)[12，13]。但是目前上述方法仍主要針對(duì)于往復(fù)壓縮機(jī)、離心泵和離心壓縮機(jī)這類常規(guī)的流體機(jī)械，沒(méi)有涉及其他新型高效流體機(jī)械，且實(shí)驗(yàn)裝置的開(kāi)放性也沒(méi)有得到改善，不利于學(xué)生進(jìn)行探索研究性實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神和國(guó)際視野等能力培養(yǎng)的要求。

鑒于此，本文在分析了過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)流體機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及問(wèn)題的基礎(chǔ)上，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合直接數(shù)值建模方法和3D打印技術(shù)，構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)多種流體機(jī)械嚙合特性測(cè)試及工作機(jī)理驗(yàn)證的開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，大力提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力和自主創(chuàng)新能力提供基礎(chǔ)。

一、流體機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)開(kāi)設(shè)的“過(guò)程流體機(jī)械”課程是支撐本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求的主體。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該門課課程目標(biāo)達(dá)成及學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。但隨著工程教育認(rèn)證及新工科建設(shè)工作的開(kāi)展，目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。下面就具體問(wèn)題展開(kāi)分析并提出教學(xué)改革。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及模式的優(yōu)化

隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型高效流體機(jī)械正越來(lái)越多地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。但反觀本專業(yè)流體機(jī)械類課程所開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容還主要是離心泵、往復(fù)活塞式壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的簡(jiǎn)單工作性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容較陳舊[5]。很多石化行業(yè)應(yīng)用廣泛的螺桿壓縮機(jī)（泵）及轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)（泵）等新型高效流體機(jī)械沒(méi)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，導(dǎo)致人才培養(yǎng)與科技進(jìn)步和現(xiàn)實(shí)行業(yè)脫節(jié)，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。鑒于此，在培養(yǎng)方案修訂過(guò)程中，將流體機(jī)械類課程的實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)置“專業(yè)實(shí)驗(yàn)”課程，從課內(nèi)實(shí)驗(yàn)變?yōu)楠?dú)立課程，增加了授課內(nèi)容和授課學(xué)時(shí)量。實(shí)驗(yàn)類型也在原來(lái)的認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等不同層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為學(xué)生提供不同層次的鍛煉和提高，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施和測(cè)試分析的能力，滿足學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，更好地實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)。

另外，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式依舊采用傳統(tǒng)的講授法。這種被動(dòng)式的知識(shí)傳授方式不能很好地激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和開(kāi)拓創(chuàng)新能力。故在原來(lái)的講授式教學(xué)模式基礎(chǔ)上，增加了小組討論及實(shí)驗(yàn)方案制定等環(huán)節(jié)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，要求學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)前的資料查閱、儀器設(shè)備預(yù)調(diào)確定多個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，然后通過(guò)小組討論確定最終的實(shí)驗(yàn)方案，并按照選定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，每個(gè)學(xué)生必須獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。最后各小組再針對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論和分析，得到相應(yīng)的規(guī)律和結(jié)論。這種啟發(fā)研討式教學(xué)方法增加學(xué)生的自主性和參與程度，有利于鍛煉學(xué)生從實(shí)驗(yàn)角度研究自然規(guī)律或解決本專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，并形成良好的科學(xué)作風(fēng)和開(kāi)拓創(chuàng)新能力。

（二）創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的豐富

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及模式的優(yōu)化對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)還停留在實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和選取上，并不是本質(zhì)的創(chuàng)新。此外，流體機(jī)械類課程學(xué)習(xí)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生提出了一系列創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，并由此延伸而申請(qǐng)了多個(gè)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“新型熱發(fā)動(dòng)機(jī)三維設(shè)計(jì)與發(fā)電系統(tǒng)研究”等，參加了多個(gè)創(chuàng)新大賽“滾子葉片泵的三維設(shè)計(jì)與仿真”等，但是在項(xiàng)目和大賽的實(shí)施過(guò)程中，沒(méi)有開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為支撐，導(dǎo)致學(xué)生的設(shè)計(jì)結(jié)果并不能得到良好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及優(yōu)化改進(jìn)，不能很好地滿足學(xué)生開(kāi)展研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的要求。

為了支撐上述要求，切實(shí)提高學(xué)生的原始創(chuàng)新能力，在實(shí)際的教學(xué)活動(dòng)中，要求流體機(jī)械類課程授課老師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員積極創(chuàng)造條件開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。一方面利用教師所承擔(dān)的科研項(xiàng)目及所搭建的科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，支持學(xué)生參加各種創(chuàng)新性比賽及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目；另一方面在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中需要構(gòu)建開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究提供平臺(tái)。為此，本文結(jié)合直接數(shù)值建模方法和主要零部件3D打印技術(shù)，構(gòu)建了可實(shí)現(xiàn)多種流體機(jī)械嚙合特性測(cè)試及工作機(jī)理驗(yàn)證的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

二、開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（一）開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

圖1所示為本文設(shè)計(jì)的流體機(jī)械類課程開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的三維模型，主要包括空間軸系嚙合系統(tǒng)支撐平臺(tái)、三維嚙合副軸向精確定位支架、空間嚙合軸和其他功能組件。

空間軸系嚙合系統(tǒng)支撐平臺(tái)是嚙合特性測(cè)試組件安裝的基礎(chǔ)，該支撐平臺(tái)在中心位置處設(shè)置帶有矩形凸起的橫向滑軌，兩側(cè)分別設(shè)計(jì)螺栓緊固槽。橫向滑軌主要用于固定中心轉(zhuǎn)子的軸向精確定位支架，并起到調(diào)整中心轉(zhuǎn)子支架軸向位置的功能。橫向滑軌兩側(cè)設(shè)置的六條帶有通槽的縱向滑軌主要用于滿足采用平面嚙合系統(tǒng)及空間嚙合系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)式流體機(jī)械從動(dòng)轉(zhuǎn)子軸支架的導(dǎo)向和精確定位作用。

圖2所示為軸向定位支架的設(shè)計(jì)方案圖，中心轉(zhuǎn)子和平行軸從動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸均是水平布置，如圖2（a）所示，中心轉(zhuǎn)子軸支架的底端面開(kāi)有矩形槽與橫向滑軌配合實(shí)現(xiàn)定向滑動(dòng)，平行軸從動(dòng)轉(zhuǎn)子軸支架結(jié)構(gòu)基本相同，只是將滑軌槽改為與支撐平臺(tái)縱向滑軌的導(dǎo)軌槽配合實(shí)現(xiàn)定向滑動(dòng)的矩形導(dǎo)軌凸塊。這兩組水平軸的轉(zhuǎn)子軸支架底座均可通過(guò)其上開(kāi)設(shè)的螺栓孔與螺栓緊固槽連接并實(shí)現(xiàn)緊固定位。另外，在轉(zhuǎn)子軸孔外側(cè)面均設(shè)計(jì)有帶有調(diào)節(jié)螺釘?shù)亩松w，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向位置的精確控制。如圖2（b）所示，垂直軸從動(dòng)轉(zhuǎn)子軸支架主要包括轉(zhuǎn)子軸支架、上頂尖、下頂尖、端蓋和調(diào)節(jié)螺釘組成。轉(zhuǎn)子軸支架起到支撐從動(dòng)轉(zhuǎn)子軸的作用，并通過(guò)上頂尖、下頂尖、端蓋和調(diào)節(jié)螺釘組成從動(dòng)轉(zhuǎn)子軸的軸向調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

（二）開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用

在流體機(jī)械類課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)不同類型流體機(jī)械提出一些創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，并根據(jù)這些創(chuàng)新性設(shè)計(jì)思路，延伸申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，參加“大學(xué)生過(guò)程裝備實(shí)踐與創(chuàng)新大賽”等一系列的創(chuàng)新性大賽。在此過(guò)程中，學(xué)生需要根據(jù)流體機(jī)械類課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并利用三維數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證嚙合副型面的嚙合特性和創(chuàng)新性。本文所設(shè)計(jì)的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)即可提供學(xué)生進(jìn)行研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究。學(xué)生自主設(shè)計(jì)的新型嚙合副型面可以利用直接數(shù)值建模方法和3D打印技術(shù)，構(gòu)建三維模型（如圖3所示），并安裝在該開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，一方面可以結(jié)合三維數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果來(lái)驗(yàn)證創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的正確性；另外一方面還可以直觀地觀察嚙合過(guò)程所存在的問(wèn)題，并提出嚙合副型面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法?？蔀閷W(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目及各種類型的創(chuàng)新性大賽提供驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)于促進(jìn)學(xué)生自主創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有重要的作用。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文分析了過(guò)程裝備與控制工程系流體機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的教學(xué)內(nèi)容及裝置陳舊，教學(xué)模式單一，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)放性差等問(wèn)題，提出了獨(dú)立設(shè)置“專業(yè)實(shí)驗(yàn)”課程，增加學(xué)時(shí)、增設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性和研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)措施，針對(duì)可開(kāi)展的創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目欠缺的問(wèn)題，提出利用科研試驗(yàn)臺(tái)及構(gòu)建開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的措施。并結(jié)合直接數(shù)值建模方法和主要零部件3D打印技術(shù)，構(gòu)建了可實(shí)現(xiàn)多種流體機(jī)械嚙合特性測(cè)試及工作機(jī)理驗(yàn)證的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。最終形成了基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，切實(shí)加強(qiáng)了學(xué)生分析和解決過(guò)程裝備領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，提高了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

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