化工机械与设备课程教学改革研究

　　摘要：《化工机械与设备》是为化工与制药类学生开设的一门专业基础课程。其内容涉及到工程力学基础、化工设备材料、化工容器设计及典型化工设备的机械设计等四部分。随着教学改革的不断深入，不同专业对这门课的教学内容及侧重点提出了不同的要求。本文从专业适用的角度分析了原授课内容的不妥之处，在“降学时”要求下精选讲授内容，提高学生学习效率与工程意识。

　　关键词：化工机械与设备；学生培养；教学改革

　　《化工机械与设备》是化工与制药类专业本科学生的一门基础课。该课程具备典型的交叉学科属性，为化工与制药类学生传授机械类知识，其内容涵盖广泛，以化工设备材料基础知识和化工容器设计为核心内容，在化工制药类工作人员与机械设备工程师之间建立起沟通的桥梁。在实际应用中，化工制药工作者具备相当的机械类知识是十分有必要的，如设备选材的种类、安全性与经济性间的平衡；设备的腐蚀与防护；容器的启用与校核等均需要使用者与制造方的沟通与协调。《化工机械与设备》的教授内容应契合当前“三全育人”的综合改革思想，特别是当前“降学时”背景下的课程体系建设更应着力于培养学生的综合实践能力，推动人才培养的复合化。

　　１课程体系改革

　　在近几年的教学过程中，通过学生反馈及课堂质量评价等方式，发现原有课程体系存在一些问题。当前，《化工机械与设备》课程的可选教材有很多，其涵盖知识范围是大体相似的，根据书本内容和历届学生的反馈情况，我们选取的教材是大连理工大学出版社喻健良老师出版的《化工设备机械基础》第二版。其包括工程力学基础、化工设备材料、化工容器设计及典型化工设备的机械设计等四部分（共计１６章）主要内容［１］。受“降学时”要求，本门课程目前降到３２学时。显然，在课堂上没有充足的时间可以讲授教材的全部四篇内容。经过对教材和授课内容的分析，我们认为应当有所取舍，删除部分内容，选取重点及必要内容进行讲解［２］。其中，工程力学基础部分涵盖六章内容，占据三分之一以上章节。事实上，虽然工程力学知识是内、外压容器设计的理论基础，但其中很多知识点在容器设计中并未用到，或者仅用其部分有效结论即可推导出容器设计篇中涉及的公式。如内压薄壁圆筒与封头的强度设计中的强度条件是依据第三强度理论建立的，在讲到这部分内容时，即使前面略去强度理论的授课单元，也可以在设计篇中引入强度理论的介绍，这并不影响内压容器强度设计的知识学习。学生需要掌握的是弹性失效的设计准则，即公式（１）：（１）强度理论涉及的知识点在公式（１）中标示为σ当，即当量应力的选取结果。教师在授课中仅需提示学生其应当选取的强度理论并解释其逻辑上的原因即可，这样既说明了重点，又节约了时间。此外，在１－６章中出现的大量工程力学词汇在容器设计篇已少有提及，仅有少数与应力计算相关的内容出现频率较高，如许用应力、安全系数等。而像剪切与圆轴扭转、梁的弯曲、压杆稳定等几乎不再出现。我们知道，内压容器设计的基本理论依据是薄膜理论（无力矩理论），其适用于任何薄壁回转壳体的两向应力计算。在这部分理论推导中，即使是薄膜理论的数学表达式求解过程也并不十分依赖于１－６章中工程力学基础知识。事实上，仅用到了切应力互等定理与应力分析中的“单元法”与“截面法”两种力学分析手段，更多的是通过高等数学中的微积分来进行应力求解。而上述内容可以在推导薄膜理论数学表达式的过程中逐渐代入，并不需要单独开设章节进行大篇幅讲述。因此我们认为，在“降学时”条件下，１－６章的工程力学基础不再占用课堂学时，调整为将其中重要知识点穿插在后续对应知识点中讲授。《化工机械与设备》课程的设立是为化工制药专业本科学生增强容器设备基础知识，避免在实际工作中出现“会用而不懂”的情况，并非让这类专业的毕业生去做工程机械设计工作。基于实际情况，我们认为第四篇典型化工设备的机械设计内容过于偏重机械专业，应从必要课时中删除，仅作为课后自学内容即可。这样一来，保留化工设备材料和化工容器设计两篇重点核心章节［３］。通过化工设备材料篇了解常用钢材分类、牌号、性能等基本设备知识和设备的腐蚀防护知识；通过化工容器设计篇学习内、外压容器的设计计算方法及典型结构的强度设计和计算，熟悉压力容器和各类封头的设计制造、压力校核、材料使用及安全监察的标准和法规。通过这些章节的学习，学生可以对指定条件的压力容器设备进行初步设计计算工作，有能力与机械专业类工程师进行实际工作上的有效沟通和对接。

　　２建立工程意识

　　《化工机械与设备》课程容器设计部分主要面向中、低压容器，即压差在０．１～１０．０ＭＰａ范围，如果容器发生腐蚀、泄露、甚至爆破等情况会造成严重后果。因此，在授课过程中要特别注意给学生传达安全意识、贯彻工程思维。例如要让学生深刻领会国家标准ＧＢ１５０规定的内压容器壁厚设计中名义壁厚每个参数的制定含义。如公式（２）中的Ｐｃ选取要考虑液柱静压问题，［σ］ｔ的选取要考量温度影响，Φ的选取则取决于焊接接头型式及无损探伤的比例，同样，壁厚附加量的每一项都是为了使用安全而设定的。δｎ＝ＰｃＤｉ２［σ］ｔΦ－Ｐｃ＋Ｃ１＋Ｃ２＋圆整（２）现阶段，基于“三全育人”的基本要求，应把立德树人作为教育的根本任务。在《化工机械与设备》课程中不仅要传授理论知识，也要结合工程实际，让学生了解行业发展。结合课程内容，例如公式（２）中许用应力［σ］ｔ的计算法求值要用到极限应力与安全系数之比。而我国《压力容器》ＧＢ１５０—２０１１中已经将安全系数ｎｂ与ｎｓ修改为２．７和１．５，对比之前的《钢制压力容器》ＧＢ１５０—１９９８中的两个参数值ｎｂ与ｎｓ分别为３．０和１．６，安全系数的降低意味着我国当前的金属冶炼水平取得了很大的进步，不再需要以前那么高的安全系数做保障。教师在授课时应将知识点与类似的行业发展相结合，潜移默化地将行业现状灌输到理论知识中，加强对学生的工程意识教育，积极引导当代学生对学科和行业发展的关心与探索。

　　３改进教学方法

　　目前，《化工机械与设备》课程的教学手段采取板书与ＰＰＴ课件相结合的方式进行。这与大部分课程的授课方式是类似的：即教师讲解与学生听课的组合模式。总体来讲，教学模式是比较单一的，学生仅在课堂上的时间段内学习对应的课程知识。而大学课程安排基本一周内只有２～４个学时，学习间隔较长，不利于相关知识的掌握。而在当下智能手机的普及率非常高，几乎每个学生都有手机。考虑到这一点，我们制作了一个小程序（图１），在这个小程序内归纳了本门课程的重要知识点，并以判断、填空与知识点小分享等形式呈现出来。学生在做对题目后会显示绿色通过，如果答错了会显示红色并弹出正确答案即时纠错。此外，在答题结束后可以显示答题用时、正确率及题目用时排名等信息。采用小程序复习方式，学生可以直观地在手机上随时随地完成本门课程的复习工作，极大地方便了知识点的回溯与强化，摸清自己对知识掌握的薄弱环节，对提高自身成绩有很大帮助。此外，教师也可以在后台看到学生的答题情况，对于出错率较高的知识点部分可以重新在课堂上统一讲解，加深学生对重点、难点的理解程度。充分利用好现代通讯设备带来的方便与快捷，将其作为课堂授课的辅助手段无疑是一个好的选择。

　　４调整考核方式

　　《化工机械与设备》的最终成绩包含平时成绩、过程考核与期末测试三部分。以往的考试方式采用的是闭卷形式，计算题部分主要出现在容器设计篇（包含内、外压容器设计），涉及的公式及变形形式较多。因此，部分学生因记错公式而失分，通过比对其平时成绩和课堂表现，发现并非学生没有掌握相关知识点。鉴于此，我们现将考试形式改为开卷，重点考核学生对知识点的理解和对公式的应用能力，而不是考察学生的记忆力。事实上，在实际工作中，各类钢材的许用应力、适用温度等参数也是要到标准中查找才能确定。因此，这种考核方式的调整也是契合实际情况的。同时，由于考核方式的调整，在试卷内容上也势必要做出改变，如在客观题上增大其思考性、在主观题上调整计算题命题方向，避免出现在课本或课件上直接找答案的现象。这样的调整方式可以提高学生的主动思考能力，调动学习的积极性。

　　５总结

　　《化工机械与设备》是化工制药类专业与机械设备类专业间沟通的纽带，内容涉及面广泛，知识点繁多。其教学改革涉及到课时的删减、学生工程意识的培养、教学方法的改进及考核方式的调整。在“降学时”要求下，将课程的侧重点调整为材料基础知识和化工容器设计两部分；在授课过程中加强学生安全意识的培养，引导学生深入理解国标规定；在现有教学模式下积极使用智能手机等新工具，探索新方法；课程考核方式调整为开卷模式下的新题型，新考点。新的教学模式有利于激发学生的思考能力，有利于由被动记忆向主动学习的转变，有利于提升学生的工程意识和综合素质。

　　参考文献

　　［１］喻健良．化工设备机械基础［Ｍ］．大连：大连理工大学出版社，２０１４．

　　［２］夏书标．《化工机械学》课程教学改革的探究［Ｊ］．科技信息，２００９（８）：４２４．

　　［３］李永红．非化工设备专业化工设备机械课程的教法探讨［Ｊ］．辽宁高职学报，２００２，４（２）：４８－４９．

　　作者：李明 段聪文 李萍 王茹洁 单位：华北电力大学环境科学与工程系 河北省燃煤电站烟气多污染物协同控制重点实验室