＊王麗敏 應(yīng)安國 童琳

（1.曲阜師范大學(xué) 歷史文化學(xué)院 山東 273165 2.曲阜師范大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 山東 273165 3.浙江醫(yī)藥股份有限公司新昌制藥廠 浙江 312500）

引言

目前化工制藥用人企業(yè)普遍反映高?；ぶ扑庮悓I(yè)畢業(yè)生工程知識(shí)能力欠缺、設(shè)備操作能力較差以及設(shè)備運(yùn)行原理了解不深刻等問題，這會(huì)給企業(yè)帶來生產(chǎn)操作安全隱患[1-2]。化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程主要涉及工程力學(xué)、材料學(xué)和化工設(shè)備等知識(shí)，開設(shè)這門課程能有效提升化工制藥類本科生的工程設(shè)計(jì)能力，全面了解化工設(shè)備的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和操作原理[3]。因此為了彌補(bǔ)和銜接高校和企業(yè)供需之間的矛盾問題，曲阜師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院把化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)置為化學(xué)工程與工藝、制藥工程等兩個(gè)工科本科專業(yè)人才培養(yǎng)中的必修課程。

目前我們采用的教材為趙軍等主編的《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》第三版，全書包括工程力學(xué)基礎(chǔ)和壓力容器設(shè)計(jì)兩大部分，主要涵蓋了受力分析和平衡、基本應(yīng)力變形、應(yīng)力狀態(tài)分析、疲勞、化工容器結(jié)構(gòu)和分類以及常用金屬材料的基本性能、內(nèi)外壓容器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)以及容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化選型等。通過該課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握完整的工程力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，能夠獨(dú)立進(jìn)行反應(yīng)釜、換熱器和儲(chǔ)罐等塔器設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)，并且能進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生熟練和規(guī)范使用Auto CAD的繪圖能力，結(jié)合其它化工專業(yè)工程，如化工工藝、反應(yīng)工程和化工原理等課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，為培養(yǎng)具有一定工程設(shè)計(jì)開發(fā)能力的復(fù)合型人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4-5]。筆者從事了該課程十年的教學(xué)工作，對自身的親身實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了深入地思考：首先闡述了學(xué)習(xí)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程的必要性，如何有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性；其次采用案例式和互動(dòng)式教學(xué)方法，提升教學(xué)效果；最后改革課程評(píng)價(jià)考核體系。

1.提升學(xué)習(xí)課程的主觀能動(dòng)性

由于近年來就業(yè)壓力的增加，越來越多的本科畢業(yè)生選擇繼續(xù)讀研深造。像物理化學(xué)和化工原理等傳統(tǒng)考研專業(yè)課程，學(xué)生上課非常認(rèn)真，在思想上高度重視，學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性很強(qiáng)，不需要專業(yè)教師的額外動(dòng)員。但是非考研課程，比如化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程，首先從思想認(rèn)識(shí)起點(diǎn)上同學(xué)們對這門課存在先天不足；另外，該課程包含大量公式、圖表以及大量學(xué)生從未接觸過的工程化術(shù)語，對化工制藥類本科生來說，通常會(huì)比較枯燥，難以提起學(xué)生的興趣。

針對這個(gè)問題，筆者基于課堂實(shí)踐提出了以下三個(gè)解決方法。

一是從宏觀上闡述該課程的重要性，包括對國家國防、重大經(jīng)濟(jì)民生等層面上的作用。比如為新中國成立初期做出重大貢獻(xiàn)的“大慶油田”“勝利油田”和“克拉瑪依油田”勘探和提煉設(shè)備等都涉及到了化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程中的基本變形、材料特性以及強(qiáng)度和剛度設(shè)備校核及設(shè)備設(shè)計(jì)等。筆者第一堂課上將“上天”神舟飛船和大飛機(jī)、“下?！钡尿札?zhí)柹钏d人潛水器作為一種壓力容器進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，引起了同學(xué)們極大的興趣，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新探索精神；同時(shí)，“上天”和“入地”彰顯了我們國家的強(qiáng)大的科技實(shí)力，增強(qiáng)了同學(xué)們的民族自信心和愛國情懷?；ぴO(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)第二篇材料種類和性能知識(shí)點(diǎn)，都是記憶性的內(nèi)容，為了提升同學(xué)們學(xué)習(xí)這塊內(nèi)容的興趣，筆者在課堂以徐光憲院士為例，放棄國外優(yōu)厚待遇，心懷國家發(fā)展大業(yè)，發(fā)展和創(chuàng)新了稀土分離純化新技術(shù)，改變了在稀土領(lǐng)域被“卡脖子”的狀態(tài)。第一篇工程力學(xué)基礎(chǔ)剪切等基本變形中，我們可以引入一些工程事故，比如虹橋機(jī)場的大飛機(jī)迫降事件，就是由于剪切變形導(dǎo)致的零部件損壞而導(dǎo)致事故的發(fā)生，這可以讓同學(xué)們認(rèn)識(shí)到此課程的重要性，啟發(fā)他們的科學(xué)興趣。

二是從考研方面來闡述。因?yàn)楝F(xiàn)在的碩士研究生入學(xué)考試包括初試和復(fù)試兩個(gè)環(huán)節(jié)，缺一不可。雖然化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程不是初試階段的專業(yè)考試科目，但是在復(fù)試的綜合素質(zhì)考核階段，招生復(fù)試小組會(huì)在化工熱力學(xué)、化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)、化學(xué)反應(yīng)工程和化工設(shè)計(jì)等化工人才培養(yǎng)方案中的核心課程進(jìn)行提問，以便篩選出化工基礎(chǔ)過硬的學(xué)生進(jìn)入下一步學(xué)習(xí)。因此系統(tǒng)地學(xué)習(xí)這門課有利于考生在考研中的復(fù)試階段取得好成績。

三是系統(tǒng)學(xué)習(xí)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程，再與化工原理、化工工藝學(xué)等課程配合，有利于提高自身的工程素質(zhì)，為今后就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。企業(yè)生產(chǎn)中化工反應(yīng)和分離單元操作都是在一定溫度和壓力下進(jìn)行的，因此確保設(shè)備安全連續(xù)運(yùn)行必須利用化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程的設(shè)計(jì)方法使其具有合理的工藝結(jié)構(gòu)、可操作性和安全可靠性等特點(diǎn)。由于筆者在企業(yè)工作多年，經(jīng)常以車間某工段生產(chǎn)為例子闡述學(xué)習(xí)該課程的重要性。比如以磷酸鹽生產(chǎn)工段進(jìn)行說明：該工段包括儲(chǔ)存原料的高位槽、用來反應(yīng)的反應(yīng)釜、用來分離的離心機(jī)以及存放母液的地槽等。每一個(gè)設(shè)備均涉及到該課程的知識(shí)點(diǎn)——根據(jù)工藝要求進(jìn)行材料的選擇、設(shè)備壁厚的計(jì)算以及零部件的選型等，讓同學(xué)們深刻體會(huì)到這門課的重要性和實(shí)用性。

2.豐富教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)手段

化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程是一門實(shí)踐性和專業(yè)性很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)課程，但是基本都是大二的學(xué)生接觸這門課程，他們工程力學(xué)基礎(chǔ)較差，對機(jī)械設(shè)備和一些工程化因素理解比較困難，僅靠傳統(tǒng)的教學(xué)很難受到理想的教學(xué)效果。因此筆者從充分利用網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)上精品課程、引入案例教學(xué)、引入專業(yè)軟件和開辟第二課堂等四面改善教學(xué)手段和方法，提升課堂教學(xué)質(zhì)量。

學(xué)生對部分概念和設(shè)備零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)理解比較困難，因此筆者考慮到現(xiàn)在學(xué)生可以通過智能手機(jī)和電腦全方位實(shí)時(shí)接觸網(wǎng)絡(luò)上豐富的視頻和動(dòng)畫資源（包括網(wǎng)上精品課程資源）。比如在講授內(nèi)壓容器薄壁圓筒設(shè)計(jì)時(shí)許用應(yīng)力的確定，引進(jìn)了安全閥和爆破膜。學(xué)生很難理解為什么要引入這兩個(gè)部件，我們從網(wǎng)絡(luò)上下載安全閥和爆破膜的結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)態(tài)工作視頻，反復(fù)播放，取得了事半功倍的效果。另外，對于學(xué)生容易出錯(cuò)的工程力學(xué)部分中扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形，我們可以通過播放這兩個(gè)構(gòu)建變形的動(dòng)畫，加深同學(xué)們對兩個(gè)變形的視覺感官認(rèn)識(shí)，從而有助于理順兩者的區(qū)別和聯(lián)系。對于容器零部件，我們讓學(xué)生通過課下作業(yè)的方式提前上網(wǎng)收集相關(guān)圖片和視頻，與課后枯燥的書面作業(yè)可以形成互補(bǔ)，很大程度上緩解了容器零部件部分課程內(nèi)容較多而課時(shí)較少的矛盾，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，對理論知識(shí)的理解更加深入和全面，顯著提升教學(xué)效果。

引入案例教學(xué)，增加課堂互動(dòng)，加深學(xué)生對課程基本概念的理解和公式的使用，全面提升學(xué)生的綜合分析能力和工程問題解決能力。回轉(zhuǎn)殼體薄膜應(yīng)力分析中涉及到環(huán)向應(yīng)力和經(jīng)向應(yīng)力的推導(dǎo)和分析計(jì)算是后續(xù)薄壁容器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，涉及到靜力學(xué)平衡以及應(yīng)力與外力聯(lián)系的問題，如果按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法，學(xué)生短時(shí)間內(nèi)難以理解和接受教材上的推導(dǎo)過程，不利于對該重要知識(shí)點(diǎn)的掌握。

基于此，筆者引進(jìn)了氣瓶爆炸事故案例。首先呈現(xiàn)出一張關(guān)于氣瓶爆炸的圖片，然后從圖片上判斷鋼瓶損毀斷裂處的裂縫走向。我們以此作為一個(gè)切入點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：為何主要裂縫的走向是縱向而不是環(huán)向？讓學(xué)生帶著這個(gè)問題和教師一塊進(jìn)行靜力學(xué)平衡推導(dǎo)和內(nèi)力、應(yīng)力分析，利用截面法建立力學(xué)平衡方程組，從而求得徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的具體數(shù)值。求解發(fā)現(xiàn)，環(huán)向應(yīng)力是徑向應(yīng)力的2倍，這就很好地解釋了主裂縫為縱向走向的原因。結(jié)合筆者多年在企業(yè)車間的工作經(jīng)歷，用以提升課堂教學(xué)效果。比如在講解內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行場景設(shè)置，以接收一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)為源頭，把學(xué)生分為若干個(gè)項(xiàng)目組，在指導(dǎo)教師的幫助下，開始產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備布局、輔助設(shè)備和管路選型、主要反應(yīng)設(shè)備和分離設(shè)備按照內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，接著指導(dǎo)老師對每組的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。此案例教學(xué)也是一種場景教學(xué)，與實(shí)際車間工藝設(shè)備設(shè)計(jì)和布局任務(wù)相結(jié)合，能使學(xué)生從企業(yè)車間總體布局方向去考慮問題，在加深理解內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)的前提下，能夠進(jìn)一步提升學(xué)生的工程管理能力。

引入專業(yè)軟件ANSYS和SW6，提升教學(xué)效果。考慮到當(dāng)代大學(xué)生對軟件使用都有濃厚的興趣，筆者在講解第一篇工程力學(xué)基礎(chǔ)中的扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，先讓同學(xué)們按照工程力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，然后再與ANSYS力學(xué)仿真軟件基于有限元方法得到的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，可以使同學(xué)們對軸的扭轉(zhuǎn)變形時(shí)應(yīng)力分布有著更直觀的認(rèn)識(shí)。另外，筆者在講解內(nèi)壓容器薄壁圓筒和封頭厚度設(shè)計(jì)時(shí)，引入了SW6軟件輔助教學(xué)，并將傳統(tǒng)手算結(jié)果和軟件計(jì)算結(jié)果相比較，加深同學(xué)們對外壓薄壁容器設(shè)計(jì)思路的理解。

開辟第二課堂，鞏固學(xué)習(xí)效果。化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程是一門兼具基礎(chǔ)理論和工程實(shí)踐的學(xué)科。它涉及到物理學(xué)中基礎(chǔ)力學(xué)等理論知識(shí)，比如靜力學(xué)基本概念、約束和約束反力、分離體和受力圖、力的投影和合力投影定理、力矩和力偶、力的平移、平面力系的簡化和合力矩定理、平面力系的平衡方程等。另外，該課程涵蓋基礎(chǔ)變形：拉伸和壓縮變形、剪切變形、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形和組合變形（拉伸壓縮與彎曲組合、彎曲和扭轉(zhuǎn)組合等）以及平面應(yīng)力狀態(tài)分析、三向應(yīng)力狀態(tài)、廣義胡克定律以及四大強(qiáng)度理論（最大拉應(yīng)力理論、最大現(xiàn)應(yīng)變理論、最大切應(yīng)力理論和畸變能密度理論）。該課程還涉及到基本材料力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、韌性和硬度等）、物理性能、化學(xué)性能（耐腐蝕性和抗氧化性）、加工工藝性能、組織穩(wěn)定性、抗松馳性和應(yīng)變時(shí)效敏感性等。最后，它還涉及到的工程裝備及零部件，主要包括化工容器、法蘭、容器支座、開孔補(bǔ)強(qiáng)，以及接管、凸緣、手控和人孔、視鏡、液面計(jì)和設(shè)備吊耳等容器附件。同學(xué)們具有高中物理和大學(xué)物理的基礎(chǔ)，因此對于該課程所涉及到力學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)的工程力學(xué)部分學(xué)習(xí)不存在太大的困難，但是由于該課程學(xué)習(xí)通常安排在第三或第四學(xué)期，絕大部分同學(xué)沒有經(jīng)歷過化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，對化工生產(chǎn)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理（包括進(jìn)行反應(yīng)的反應(yīng)釜、儲(chǔ)存原料的高位槽和儲(chǔ)槽、熱量轉(zhuǎn)移的熱交換器以及設(shè)備間物料轉(zhuǎn)移的連接管路）了解很少，嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果。因此筆者在化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)中積極開辟第二課堂，使學(xué)生對化工設(shè)備及零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性有一定的了解。

在曲阜師范大學(xué)化學(xué)工程與工藝、制藥工程本科專業(yè)培養(yǎng)環(huán)節(jié)中，包括化工和制藥廠生產(chǎn)見習(xí)（大約一周）、化工和制藥廠生產(chǎn)實(shí)習(xí)（大約四周）。將工廠見習(xí)環(huán)節(jié)安排在課程學(xué)習(xí)之前，讓學(xué)生帶著問題和目的去見習(xí)。在企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員和指導(dǎo)教師的講解下，使學(xué)生對化工設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)成、運(yùn)行工作原理零部件的作用和化工生產(chǎn)工藝等有一定初步的認(rèn)識(shí)。比如讓學(xué)生知道人孔是用來設(shè)備檢修時(shí)維修人員進(jìn)出的；視鏡是用來觀察內(nèi)部反應(yīng)情況的；法蘭包括設(shè)備法蘭和管法蘭，許多換熱器、反應(yīng)器和塔器的筒體與封頭之間都是由法蘭連接的，另外設(shè)備上的人孔蓋、手孔蓋以及設(shè)備與管道、管道與管道之間也可以由可拆卸的法蘭來連接；液面計(jì)是用來觀察儲(chǔ)存液位的；觀察化工廠中各種容器的支座結(jié)構(gòu)及類型。

經(jīng)過上述企業(yè)這個(gè)第二課堂的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)后，使同學(xué)們初步掌握了化工主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理及其零部件以及在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，對它們有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)踐。帶著這個(gè)感性認(rèn)識(shí)回到課堂后，學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的學(xué)習(xí)效果就會(huì)有的放矢和事半功倍。等該課程課堂學(xué)習(xí)全部結(jié)束后，學(xué)生已經(jīng)掌握內(nèi)壓薄壁容器的設(shè)計(jì)、外壓薄壁容器的設(shè)計(jì)以及零部件的選型等知識(shí)要點(diǎn)，再安排4周左右的工程生產(chǎn)實(shí)習(xí)，可以讓他們站在設(shè)備設(shè)計(jì)高度上認(rèn)識(shí)化工和制藥企業(yè)的生產(chǎn)過程，對設(shè)備的運(yùn)行和工作原理有著更深入的理解和掌握，在鞏固設(shè)備設(shè)計(jì)方法等知識(shí)要點(diǎn)的同時(shí)讓他們意識(shí)到學(xué)習(xí)該課程重要的實(shí)際意義。

3.參核方式的改革探索

課程考核是教學(xué)過程中的主要環(huán)節(jié)之一，是檢驗(yàn)學(xué)生掌握知識(shí)能力和學(xué)習(xí)效果的主要手段。傳統(tǒng)的考試為平時(shí)成績（一般占比30%）加上期末閉卷考試成績（一般占比70%）綜合計(jì)算得到，存在著期末考試“一考定終生”的弊端，無法準(zhǔn)確、科學(xué)和客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果以及解決問題、分析問題的能力。因此我們需要對傳統(tǒng)的課程考核評(píng)價(jià)方式進(jìn)行改革，我們將考核內(nèi)容分為平時(shí)成績、項(xiàng)目考評(píng)和期末考試三個(gè)環(huán)節(jié)，總評(píng)成績由三個(gè)環(huán)節(jié)分?jǐn)?shù)乘以不同權(quán)重獲得。平時(shí)成績包括考勤、作業(yè)和課堂回答問題等互動(dòng)環(huán)節(jié)。項(xiàng)目考評(píng)為教師布置一個(gè)以車間產(chǎn)品為導(dǎo)向的項(xiàng)目開發(fā)，根據(jù)班級(jí)總?cè)藬?shù)，以3～5人為小組進(jìn)行分組，任務(wù)包括文獻(xiàn)檢索和資料查詢、工藝篩選、設(shè)備設(shè)計(jì)和選型等，主要考察學(xué)生的文獻(xiàn)檢索能力、分析問題和解決問題的能力以及小組成員之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。項(xiàng)目考評(píng)能給學(xué)生帶來最直接的感受就是化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，不是一門可有可無的理論專業(yè)課；另外項(xiàng)目考評(píng)過程中學(xué)生可以把本課程知識(shí)要點(diǎn)與反應(yīng)工程、化工工藝、化工原理和分離工程的知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來，貫穿于整個(gè)項(xiàng)目開發(fā)和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，這對于培養(yǎng)和提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和工程開發(fā)能力非常有幫助。最后期末考試試卷內(nèi)容設(shè)計(jì)上需要改革：加大工程實(shí)踐設(shè)計(jì)題目的比例，將基礎(chǔ)理論知識(shí)要點(diǎn)完全融入到工程設(shè)計(jì)中。通過課程考評(píng)方式的改革，強(qiáng)調(diào)教學(xué)的互動(dòng)和過程教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力和工程設(shè)計(jì)開發(fā)能力。

4.小結(jié)

為了提升學(xué)生的工程設(shè)計(jì)開發(fā)能力，有必要對化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程進(jìn)行改革。從國家層面和個(gè)人層面分別闡述了學(xué)習(xí)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程的必要性，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性；通過充分利用網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)上精品課程、引入案例教學(xué)、引入專業(yè)軟件和開辟第二課堂等四個(gè)方面改善教學(xué)手段和方法，提升課堂教學(xué)質(zhì)量；最后對課程的考核方式進(jìn)行改革，強(qiáng)化學(xué)生分析和解決問題的能力，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程開發(fā)設(shè)計(jì)能力。