張川 王保文

摘要：以產(chǎn)業(yè)交叉融合為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，迫切需要更多具有創(chuàng)新能力和多學(xué)科交叉整合背景的新型工科人才。高等學(xué)校的工科教育將朝著以創(chuàng)新型和綜合化為特點(diǎn)的新工科的方向發(fā)展。這對(duì)我國(guó)工科本科生的教學(xué)提出了“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的新要求。教師如何充分利用有限的學(xué)時(shí)資源，使本科生在感性認(rèn)識(shí)少的前提下，達(dá)到“寬”與“?！辈⒅氐膶I(yè)課教學(xué)效果，是當(dāng)前新工科培養(yǎng)模式下教育改革的重點(diǎn)與難點(diǎn)。本文提出了一種從合理規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容充分提升課堂教學(xué)效果、靈活采用多種教學(xué)方法和手段突出教學(xué)重點(diǎn)和改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)鞏固并加深課堂教學(xué)效果的方法入手，進(jìn)行汽輪機(jī)原理課程教學(xué)改革的方法，以有效提升教學(xué)效果，獲得“寬”與“?！辈⒅氐慕虒W(xué)目標(biāo)。該探索為滿足新工科培養(yǎng)模式所要求的提高創(chuàng)新能力和多學(xué)科交叉背景的工科本科專業(yè)課程的教學(xué)提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：新工科；汽輪機(jī)原理；教學(xué)方法；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）43-0190-03

“汽輪機(jī)原理”是能源與動(dòng)力工程類專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，不僅能使學(xué)生掌握關(guān)于“汽輪機(jī)”這一大型精密熱力機(jī)械的能量轉(zhuǎn)換原理與過(guò)程、運(yùn)行和控制、零部件強(qiáng)度和材料等諸多方面的科學(xué)規(guī)律，更是引導(dǎo)他們從事相關(guān)的工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和運(yùn)行維護(hù)等領(lǐng)域的工作，乃至進(jìn)一步深入相關(guān)科學(xué)研究的良好教學(xué)載體。但是，由于汽輪機(jī)原理的教學(xué)內(nèi)容不僅需要承接先修的工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、理論力學(xué)和材料力學(xué)等基礎(chǔ)性理論課程，還延伸關(guān)聯(lián)著后續(xù)的熱力發(fā)電廠、發(fā)電廠集控運(yùn)行等相關(guān)的專業(yè)課程，因此該課程具有理論性、實(shí)踐性和綜合性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，故而教師講授和學(xué)生學(xué)習(xí)的難度都很大[1]。當(dāng)前，隨著以產(chǎn)業(yè)交叉融合為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)迫切需要更多具有創(chuàng)新能力和多學(xué)科交叉整合背景的新型工科人才。探索培養(yǎng)面向新時(shí)代的多樣化和個(gè)性化并重的人才培養(yǎng)模式，加快發(fā)展和建設(shè)新工科教育，是時(shí)代的迫切需要。為此，高等學(xué)校的工科教育也將從以往注重過(guò)專和過(guò)窄的專業(yè)知識(shí)應(yīng)用，逐步朝著以創(chuàng)新型和綜合化為特點(diǎn)的新工科的方向發(fā)展[2]。這種發(fā)展趨勢(shì)在對(duì)工科的本科教學(xué)提出了“厚基礎(chǔ)、寬口徑”這一新要求的同時(shí)，也引起了基礎(chǔ)課學(xué)時(shí)和比例增加，而專業(yè)課程學(xué)時(shí)減少的新矛盾。而且，幾乎所有工科類的專業(yè)課程都具有實(shí)踐性強(qiáng)、研究領(lǐng)域涉及多種學(xué)科、教學(xué)內(nèi)容龐雜和抽象等共性特點(diǎn)。如何充分利用有限的學(xué)時(shí)資源，使本科生在感性認(rèn)識(shí)少的前提下，獲得“寬”與“?！辈⒅氐膶I(yè)課教學(xué)效果。成為新工科培養(yǎng)背景下，高等學(xué)校的專業(yè)課程教師共同面臨的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文針對(duì)上述問(wèn)題，圍繞汽輪機(jī)原理課程的本科教學(xué)，分別從教學(xué)內(nèi)容的規(guī)劃、教學(xué)方法的改進(jìn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的協(xié)同等方面來(lái)進(jìn)行有益的探索，以提升教學(xué)效果。

一、合理的規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，以充分提升課堂教學(xué)效果

教師在課堂教學(xué)的環(huán)節(jié)，需要在充分考慮學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)識(shí)水平的基礎(chǔ)上，采用循序漸進(jìn)的教學(xué)方式，通過(guò)合理重組教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生不斷從“舊知”中引入“新知”，以便達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。著名教育學(xué)者美國(guó)猶他州立大學(xué)的戴維·梅里爾教授認(rèn)為，有效的教學(xué)過(guò)程必須遵循認(rèn)知的客觀規(guī)律。即從“激活舊知”、“示證新知”、“應(yīng)用新知”到“融會(huì)貫通”的首要教學(xué)原理[3]。教學(xué)中不能只注重“示證新知”而忽略了其他環(huán)節(jié)的作用。例如在講解第一章“級(jí)的工作原理”之前，可以將第二章“多級(jí)汽輪機(jī)”中關(guān)于描述汽機(jī)本體中的汽缸、隔板、噴嘴、主軸、葉輪和動(dòng)葉等結(jié)構(gòu)和作用的部分提前講解。通過(guò)合理規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生增強(qiáng)了感性認(rèn)識(shí)之后，就能夠容易理解第一章中的蒸汽在級(jí)中的熱力過(guò)程，這一抽象的熱物理過(guò)程。隨后，就可以結(jié)合先修的工程熱力學(xué)和流體力學(xué)知識(shí)，逐步引導(dǎo)學(xué)生抽象出蒸汽對(duì)動(dòng)葉片的作用力、做功以及級(jí)內(nèi)各項(xiàng)損失等相關(guān)的內(nèi)容。通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容做更合理的規(guī)劃，能夠有效地避免學(xué)生由于直接抽象熱物理過(guò)程所帶來(lái)的茫然感，達(dá)到提升課堂環(huán)節(jié)教學(xué)效果的目的。此外，個(gè)別教學(xué)內(nèi)容還可以被安排到指導(dǎo)性的教學(xué)環(huán)節(jié)中。例如，可將第一、三章中關(guān)于“汽輪機(jī)級(jí)的熱力設(shè)計(jì)原理”、“扭葉片級(jí)”、“變工況下汽輪機(jī)的熱力核算”等內(nèi)容，可以集中安排到課堂教學(xué)環(huán)節(jié)之外的“汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)進(jìn)行講解。這樣既可以在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，更有針對(duì)性的突出理論部分的教學(xué)內(nèi)容。又能避免相同教學(xué)內(nèi)容在不同教學(xué)環(huán)節(jié)中重復(fù)的情況發(fā)生，從而更高效的利用有限的學(xué)時(shí)資源。

二、靈活的采用多種教學(xué)方法和手段，以突出教學(xué)重點(diǎn)

汽輪機(jī)原理課程總的教學(xué)內(nèi)容可以分為三大部分：①經(jīng)典理論部分。主要包括“級(jí)的工作原理”和“多級(jí)汽輪機(jī)”。該部分主要講解汽輪機(jī)中的熱功轉(zhuǎn)換規(guī)律。通過(guò)運(yùn)用質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量定理以及工質(zhì)的熱物理狀態(tài)方程和過(guò)程方程等建立起級(jí)的熱功轉(zhuǎn)換的定量數(shù)學(xué)關(guān)系。并以此為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出汽輪機(jī)熱功轉(zhuǎn)換效率、熱功轉(zhuǎn)換能力和零部件受力等的相關(guān)定量計(jì)算式，最終獲得汽輪機(jī)各級(jí)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算公式。該部分是整個(gè)課程的理論精髓，也作為培養(yǎng)學(xué)生具備從工程實(shí)際中抽象出數(shù)學(xué)物理描述，進(jìn)而開展科學(xué)研究能力的重要載體。對(duì)于這部分內(nèi)容，如果僅采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)方式，進(jìn)行“滿堂灌”式的教學(xué)，往往不足以充分激發(fā)學(xué)生的熱情，且容易造成部分學(xué)生思維跟不上，甚至聽不懂的現(xiàn)象。為此，筆者在課堂上采用多媒體輔助板書教學(xué)的復(fù)合方法。通過(guò)展示發(fā)電廠的現(xiàn)場(chǎng)圖片、蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的3D視頻動(dòng)畫等生動(dòng)的現(xiàn)代化教學(xué)手段，來(lái)提升理論部分的板書教學(xué)效果。并且在講解安排上，做到課前通過(guò)知識(shí)回顧來(lái)引入新的教學(xué)內(nèi)容，課尾通過(guò)總結(jié)來(lái)突出重點(diǎn)和難點(diǎn)。另外，還努力在課堂講解過(guò)程中增加與學(xué)生的交流互動(dòng)，以便根據(jù)他們的理解情況，實(shí)時(shí)靈活的調(diào)整教學(xué)的進(jìn)度。②專業(yè)知識(shí)的多學(xué)科交叉延伸部分。該部分內(nèi)容主要包括“汽輪機(jī)變工況特性”“汽輪機(jī)的凝汽設(shè)備”“汽輪機(jī)零件的強(qiáng)度”和“汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)”。這些內(nèi)容是從經(jīng)典的專業(yè)知識(shí)向更深入的專業(yè)方向延伸的教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)中采用了分解啟發(fā)式的教學(xué)方法，通過(guò)教師的積極引導(dǎo)，來(lái)強(qiáng)化以學(xué)生為主體的工程教育模式。教師將主要知識(shí)點(diǎn)分成若干子問(wèn)題，通過(guò)對(duì)子問(wèn)題的聚焦思考，引導(dǎo)學(xué)生聽課，借以提高學(xué)生參與課堂的能力。例如可將汽輪機(jī)變工況的內(nèi)容，分解成壓力變化對(duì)流量的影響、流量變化對(duì)焓降的影響和焓降變化對(duì)級(jí)的反動(dòng)度與做功能力的影響這三個(gè)子內(nèi)容。通過(guò)這些由淺入深逐步設(shè)置的子問(wèn)題，最后揭示出壓力變化對(duì)汽輪機(jī)做功能力的影響和如何進(jìn)行汽輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)的規(guī)律。采用上述分解啟發(fā)式的教學(xué)方法，不但鞏固和加深了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的認(rèn)識(shí)，還鍛煉了他們運(yùn)用專業(yè)理論解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，收到了訓(xùn)練工程思維的效果。③專業(yè)知識(shí)的綜合擴(kuò)展部分。主要包括超臨界壓力汽輪機(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)、核動(dòng)力汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)、熱力特性和自動(dòng)調(diào)節(jié)等。該部分教學(xué)內(nèi)容往往是經(jīng)典汽輪機(jī)專業(yè)知識(shí)與當(dāng)代的具有多學(xué)科交叉背景的汽輪機(jī)技術(shù)新發(fā)展的結(jié)合。在課程教學(xué)中，通過(guò)引入這些最新的科研成果進(jìn)行專題講座的方式，如“防固體顆粒侵蝕的流道設(shè)計(jì)”“針對(duì)高溫部件有效冷卻的特殊結(jié)構(gòu)”和“三維扭轉(zhuǎn)葉片設(shè)計(jì)”等。就可以將行業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的最新要求，用產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展的方式引入教學(xué)過(guò)程，從而突出新工科教學(xué)的前沿性、創(chuàng)新性和學(xué)科交叉性。使學(xué)生樹立以面向未來(lái)和領(lǐng)跑世界為目標(biāo)的專業(yè)追求，并能逐步提升新工科人才培養(yǎng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。以這部分教學(xué)內(nèi)容為載體，還能進(jìn)一步強(qiáng)化培養(yǎng)工科學(xué)生的家國(guó)情懷和全球視野，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學(xué)科交叉融合、自主終身學(xué)習(xí)等新工科人才所必備的核心理念。

三、改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，鞏固和加深課堂教學(xué)效果

汽輪機(jī)原理課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)分為課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。教學(xué)中可以將課程實(shí)驗(yàn)穿插在理論學(xué)習(xí)的中間某一階段，并將其分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)兩部分[4]。其中，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，如300MW汽輪發(fā)電機(jī)組模擬轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，用以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論教學(xué)環(huán)節(jié)的概念和理論的認(rèn)識(shí)，同時(shí)提高動(dòng)手能力。對(duì)于創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生在教師科研團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)下，利用科研項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)開展。如300MW汽輪發(fā)電機(jī)組模擬轉(zhuǎn)子的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。需要通過(guò)分析振動(dòng)信號(hào)來(lái)判斷振動(dòng)類型，并通過(guò)計(jì)算與實(shí)際操作，達(dá)到降低或消除轉(zhuǎn)子振動(dòng)的目的。通過(guò)開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生靈活運(yùn)用課堂知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，既強(qiáng)化了課堂教學(xué)的效果，又增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

汽輪機(jī)原理課程設(shè)計(jì)是在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)完成后進(jìn)行的，通常由老師指定若干題目作為任務(wù)布置給學(xué)生，學(xué)生需要在教師指導(dǎo)下自主完成相關(guān)設(shè)計(jì)。由于課程設(shè)計(jì)時(shí)間較長(zhǎng)，大多安排兩周左右的時(shí)間。指導(dǎo)教師對(duì)該課程設(shè)計(jì)的進(jìn)程實(shí)施了動(dòng)態(tài)管理。例如將整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)分成若干相對(duì)獨(dú)立的小模塊進(jìn)行。通過(guò)這樣的模塊分解方法，可以有效的、分階段的建立起學(xué)生設(shè)計(jì)的信心和熱情，保證學(xué)生逐漸深入設(shè)計(jì)并最終獲得成功。這種模塊化的課程設(shè)計(jì)教學(xué)方式，使學(xué)生更容易體驗(yàn)到工程設(shè)計(jì)的過(guò)程快樂(lè)，而不僅是追求設(shè)計(jì)的最終結(jié)果，有助于他們實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的掌握，從而達(dá)到首要教學(xué)原理中提出的“融會(huì)貫通”的效果。

四、結(jié)語(yǔ)

新的時(shí)代背景下，高等學(xué)校的教育改革將朝著新工科培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變。對(duì)汽輪機(jī)原理的課程教學(xué)提出了“寬”與“?！辈⒅氐母咭蟆Ｍㄟ^(guò)合理的規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，采用豐富的教學(xué)手段和強(qiáng)化協(xié)同的實(shí)踐教學(xué)，能夠確保培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的創(chuàng)新型人才的目標(biāo)。工科專業(yè)課的教學(xué)過(guò)程具有很強(qiáng)的師生互動(dòng)性，教師應(yīng)該積極把握好教學(xué)過(guò)程的主動(dòng)性，落實(shí)以學(xué)生為中心的工程教育理念，遵循學(xué)生認(rèn)知的基本規(guī)律，通過(guò)積極探索大膽進(jìn)行教學(xué)改革，在實(shí)踐中不斷總結(jié)并提高。

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Abstract：The rapid development of the new economy，characterized by industrial convergence，There is an urgent need for more new engineering talents with innovative ability and multi-disciplinary cross-integration background.The engineering education in colleges and universities will develop towards a new engineering subject characterized by innovation and integration.The teaching of science students put forward the "thick foundation，" The new requirement of "wide caliber".How can teachers make full use of limited resources to make undergraduates achieve the teaching effect of "wide" and "special" under the premise of less perceptual understanding？ It is the key and difficult point of the education reform under the current new engineering training mode.This paper puts forward a kind of reasonable regulation.The teaching contents should be drawn up to improve the classroom teaching effect，and the methods to emphasize the key points of teaching and improve the practical teaching links to consolidate and deepen the effect of classroom teaching should be adopted flexibly.The teaching reform of steam turbine principle course is carried out in order to improve the teaching effect effectively.The goal of "wide" and "specialized" teaching is obtained.This exploration provides a useful reference for the teaching of engineering undergraduate courses which meet the requirements of the new engineering training model to improve the innovative ability and multi-disciplinary cross-background.

Key words：new engineering；Steam Turbine Principle；teaching method；teaching reform