化工機械與設備課程教學改革研究

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摘要：《化工機械與設備》是為化工與制藥類學生開設的一門專業基礎課程。其內容涉及到工程力學基礎、化工設備材料、化工容器設計及典型化工設備的機械設計等四部分。隨著教學改革的不斷深入，不同專業對這門課的教學內容及側重點提出了不同的要求。本文從專業適用的角度分析了原授課內容的不妥之處，在“降學時”要求下精選講授內容，提高學生學習效率與工程意識。

關鍵詞：化工機械與設備；學生培養；教學改革

《化工機械與設備》是化工與制藥類專業本科學生的一門基礎課。該課程具備典型的交叉學科屬性，為化工與制藥類學生傳授機械類知識，其內容涵蓋廣泛，以化工設備材料基礎知識和化工容器設計為核心內容，在化工制藥類工作人員與機械設備工程師之間建立起溝通的橋梁。在實際應用中，化工制藥工作者具備相當的機械類知識是十分有必要的，如設備選材的種類、安全性與經濟性間的平衡；設備的腐蝕與防護；容器的啟用與校核等均需要使用者與制造方的溝通與協調?！痘C械與設備》的教授內容應契合當前“三全育人”的綜合改革思想，特別是當前“降學時”背景下的課程體系建設更應著力于培養學生的綜合實踐能力，推動人才培養的復合化。

1課程體系改革

在近幾年的教學過程中，通過學生反饋及課堂質量評價等方式，發現原有課程體系存在一些問題。當前，《化工機械與設備》課程的可選教材有很多，其涵蓋知識范圍是大體相似的，根據書本內容和歷屆學生的反饋情況，我們選取的教材是大連理工大學出版社喻健良老師出版的《化工設備機械基礎》第二版。其包括工程力學基礎、化工設備材料、化工容器設計及典型化工設備的機械設計等四部分（共計16章）主要內容［1］。受“降學時”要求，本門課程目前降到32學時。顯然，在課堂上沒有充足的時間可以講授教材的全部四篇內容。經過對教材和授課內容的分析，我們認為應當有所取舍，刪除部分內容，選取重點及必要內容進行講解［2］。其中，工程力學基礎部分涵蓋六章內容，占據三分之一以上章節。事實上，雖然工程力學知識是內、外壓容器設計的理論基礎，但其中很多知識點在容器設計中并未用到，或者僅用其部分有效結論即可推導出容器設計篇中涉及的公式。如內壓薄壁圓筒與封頭的強度設計中的強度條件是依據第三強度理論建立的，在講到這部分內容時，即使前面略去強度理論的授課單元，也可以在設計篇中引入強度理論的介紹，這并不影響內壓容器強度設計的知識學習。學生需要掌握的是彈性失效的設計準則，即公式（1）：（1）強度理論涉及的知識點在公式（1）中標示為σ當，即當量應力的選取結果。教師在授課中僅需提示學生其應當選取的強度理論并解釋其邏輯上的原因即可，這樣既說明了重點，又節約了時間。此外，在1－6章中出現的大量工程力學詞匯在容器設計篇已少有提及，僅有少數與應力計算相關的內容出現頻率較高，如許用應力、安全系數等。而像剪切與圓軸扭轉、梁的彎曲、壓桿穩定等幾乎不再出現。我們知道，內壓容器設計的基本理論依據是薄膜理論（無力矩理論），其適用于任何薄壁回轉殼體的兩向應力計算。在這部分理論推導中，即使是薄膜理論的數學表達式求解過程也并不十分依賴于1－6章中工程力學基礎知識。事實上，僅用到了切應力互等定理與應力分析中的“單元法”與“截面法”兩種力學分析手段，更多的是通過高等數學中的微積分來進行應力求解。而上述內容可以在推導薄膜理論數學表達式的過程中逐漸代入，并不需要單獨開設章節進行大篇幅講述。因此我們認為，在“降學時”條件下，1－6章的工程力學基礎不再占用課堂學時，調整為將其中重要知識點穿插在后續對應知識點中講授?！痘C械與設備》課程的設立是為化工制藥專業本科學生增強容器設備基礎知識，避免在實際工作中出現“會用而不懂”的情況，并非讓這類專業的畢業生去做工程機械設計工作。基于實際情況，我們認為第四篇典型化工設備的機械設計內容過于偏重機械專業，應從必要課時中刪除，僅作為課后自學內容即可。這樣一來，保留化工設備材料和化工容器設計兩篇重點核心章節［3］。通過化工設備材料篇了解常用鋼材分類、牌號、性能等基本設備知識和設備的腐蝕防護知識；通過化工容器設計篇學習內、外壓容器的設計計算方法及典型結構的強度設計和計算，熟悉壓力容器和各類封頭的設計制造、壓力校核、材料使用及安全監察的標準和法規。通過這些章節的學習，學生可以對指定條件的壓力容器設備進行初步設計計算工作，有能力與機械專業類工程師進行實際工作上的有效溝通和對接。

2建立工程意識

《化工機械與設備》課程容器設計部分主要面向中、低壓容器，即壓差在0．1～10．0MPa范圍，如果容器發生腐蝕、泄露、甚至爆破等情況會造成嚴重后果。因此，在授課過程中要特別注意給學生傳達安全意識、貫徹工程思維。例如要讓學生深刻領會國家標準GB150規定的內壓容器壁厚設計中名義壁厚每個參數的制定含義。如公式（2）中的Pc選取要考慮液柱靜壓問題，［σ］t的選取要考量溫度影響，Φ的選取則取決于焊接接頭型式及無損探傷的比例，同樣，壁厚附加量的每一項都是為了使用安全而設定的。δn＝PcDi2［σ］tΦ－Pc＋C1＋C2＋圓整（2）現階段，基于“三全育人”的基本要求，應把立德樹人作為教育的根本任務。在《化工機械與設備》課程中不僅要傳授理論知識，也要結合工程實際，讓學生了解行業發展。結合課程內容，例如公式（2）中許用應力［σ］t的計算法求值要用到極限應力與安全系數之比。而我國《壓力容器》GB150—2011中已經將安全系數nb與ns修改為2．7和1．5，對比之前的《鋼制壓力容器》GB150—1998中的兩個參數值nb與ns分別為3．0和1．6，安全系數的降低意味著我國當前的金屬冶煉水平取得了很大的進步，不再需要以前那么高的安全系數做保障。教師在授課時應將知識點與類似的行業發展相結合，潛移默化地將行業現狀灌輸到理論知識中，加強對學生的工程意識教育，積極引導當代學生對學科和行業發展的關心與探索。

3改進教學方法

目前，《化工機械與設備》課程的教學手段采取板書與PPT課件相結合的方式進行。這與大部分課程的授課方式是類似的：即教師講解與學生聽課的組合模式?？傮w來講，教學模式是比較單一的，學生僅在課堂上的時間段內學習對應的課程知識。而大學課程安排基本一周內只有2～4個學時，學習間隔較長，不利于相關知識的掌握。而在當下智能手機的普及率非常高，幾乎每個學生都有手機?？紤]到這一點，我們制作了一個小程序（圖1），在這個小程序內歸納了本門課程的重要知識點，并以判斷、填空與知識點小分享等形式呈現出來。學生在做對題目后會顯示綠色通過，如果答錯了會顯示紅色并彈出正確答案即時糾錯。此外，在答題結束后可以顯示答題用時、正確率及題目用時排名等信息。采用小程序復習方式，學生可以直觀地在手機上隨時隨地完成本門課程的復習工作，極大地方便了知識點的回溯與強化，摸清自己對知識掌握的薄弱環節，對提高自身成績有很大幫助。此外，教師也可以在后臺看到學生的答題情況，對于出錯率較高的知識點部分可以重新在課堂上統一講解，加深學生對重點、難點的理解程度。充分利用好現代通訊設備帶來的方便與快捷，將其作為課堂授課的輔助手段無疑是一個好的選擇。

4調整考核方式

《化工機械與設備》的最終成績包含平時成績、過程考核與期末測試三部分。以往的考試方式采用的是閉卷形式，計算題部分主要出現在容器設計篇（包含內、外壓容器設計），涉及的公式及變形形式較多。因此，部分學生因記錯公式而失分，通過比對其平時成績和課堂表現，發現并非學生沒有掌握相關知識點。鑒于此，我們現將考試形式改為開卷，重點考核學生對知識點的理解和對公式的應用能力，而不是考察學生的記憶力。事實上，在實際工作中，各類鋼材的許用應力、適用溫度等參數也是要到標準中查找才能確定。因此，這種考核方式的調整也是契合實際情況的。同時，由于考核方式的調整，在試卷內容上也勢必要做出改變，如在客觀題上增大其思考性、在主觀題上調整計算題命題方向，避免出現在課本或課件上直接找答案的現象。這樣的調整方式可以提高學生的主動思考能力，調動學習的積極性。

5總結

《化工機械與設備》是化工制藥類專業與機械設備類專業間溝通的紐帶，內容涉及面廣泛，知識點繁多。其教學改革涉及到課時的刪減、學生工程意識的培養、教學方法的改進及考核方式的調整。在“降學時”要求下，將課程的側重點調整為材料基礎知識和化工容器設計兩部分；在授課過程中加強學生安全意識的培養，引導學生深入理解國標規定；在現有教學模式下積極使用智能手機等新工具，探索新方法；課程考核方式調整為開卷模式下的新題型，新考點。新的教學模式有利于激發學生的思考能力，有利于由被動記憶向主動學習的轉變，有利于提升學生的工程意識和綜合素質。

參考文獻

［1］喻健良．化工設備機械基礎［M］．大連：大連理工大學出版社，2014．

［2］夏書標．《化工機械學》課程教學改革的探究［J］．科技信息，2009（8）：424．

［3］李永紅．非化工設備專業化工設備機械課程的教法探討［J］．遼寧高職學報，2002，4（2）：48－49．

作者：李明 段聰文 李萍 王茹潔 單位：華北電力大學環境科學與工程系 河北省燃煤電站煙氣多污染物協同控制重點實驗室