摘要 过程设备设计力学基础是过程装备与控制工程专业基础课,在工程科学与应用型创新人才培养体系中具有重要作用。结合课程特点和典型案例,探讨如何进行过程设备设计力学基础课研究型教学,从科研融入教学、基础理论的讲解与应用、课外学习研究、教学内容的拓展和更新、考核方式改革等方面出发,尝试寻找一条培养创新型科学与工程应用人才的新途径。
关键词 过程设备设计力学基础;研究型教学;创新能力
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1671-489X(2009)30-0011-03
Research-based Teaching and Case Analysis for Mechanics Basis of Processing Equipment Design//Jiang Wenchun, Li Guocheng
Abstract Mechanics basis of processing equipment design is the basic course of process equipment and control engineering, which plays an important role in the innovation personnel culture system. This paper explores the technologies of research-based teaching combined with the course characteristics and typical case. The discussion is focused on introducing research into teaching, the basic theory explanation and application, extra-curricular study and research, the expansion and updating of teaching content and the reform of examination methods. This work tries to find a new foster approach to scientific and engineering application human resources.
Key words mechanics basis of processing equipment design; research-based teaching; Innovation
Author’s address College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Dongying, Shandong, 257061, China
目前,国内许多大学将教学研究型大学作为奋斗目标。当今世界各国高校的教学改革都在围绕如何培养学生的创新能力、研究能力和实践能力来展开。教学研究型大学的建立需要研究型教学。对于基层教师,在教学研究型大学建设过程中所起的作用为:转变传统教育观念,大力推进教育教学改革,从以教师为中心向以学生为中心、教师为主导转变,从讲授型教学向研究型教学转变。
过程设备设计力学基础是过程装备与控制工程专业基础课程,主要讲解化工设备机械设计的力学基础理论。由于过程设备设计力学基础内容较多、理论性较强、学时偏少,同时传统教学以教师讲解为主,模式单一,影响学生对基础力学理论的掌握,限制学生分析问题与解决实际问题的能力。为解决这个问题,近年来,笔者进行研究型教学,以培养创新精神和创新能力为目的,融学习与研究为一体,引导学生创造性地运用基础理论知识,自主发现问题、研究问题和解决问题。笔者曾跟随首届国家级教学名师奖获得者、清华大学范钦珊教授从事研究型教学,本文结合范钦珊教授研究型教学理论以及本课程特点,探讨如何在化工设备设计力学基础这门课中进行研究型教学。
1 将科学研究融入教学
高校的教学和科研是相辅相成的,“教而不研则浅,研而不教则空”。关于教学与科研的关系,理论研究普遍认为,要通过教学带动科研,通过科研促进教学。然而对于具体课程,要实现这一目标并非易事。因为将科研融入教学,需要具体的教学案例。案例要适合学生,学生要能够利用所学基础理论,来理解和参与到科研活动中来,才能够促进教学。如果科研案例理论性太强,学生无法理解和参与,则达不到效果。
从2006年开始,笔者参与《微小型过程机械高温封装的仿真研究》这一项目,主要针对板翅式换热器高温钎焊技术进行研究。此项目得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金的资助。板翅式换热器结构紧凑、传热效率高、轻巧而牢固、适应性强、经济性好,被广泛运用在石油化工、航空航天、原子能和国防工业等领域。在研究中发现,板翅结构应力计算尚没有合适的方法,这个基本的力学问题尚没有得到解决。这主要是由于板翅结构非常复杂,现有规范都没有涉及,国内外尚没有完整的计算方法。而本科生利用材料力学的相关基本理论知识,可以得到一些有用信息。将此作为研究型教学的案例,非常合适。
为此,笔者在课堂上把这个问题进行介绍:板翅式换热器的基本单元由翅片、隔板、封条和倒流片组成,它是在隔板(金属平板)上放一翅片,再在其上放一隔板,然后两边以边缘封条密封而组成一个基本单元;将许多基本单元用专用夹具装夹牢固后,采用真空钎焊的方法制成板翅式换热器的芯体(基本结构见文献[5]),要求计算隔板和翅片的应力。
首先介绍课题背景、研究内容与要解决的问题。当学生了解了课题背景之后,尤其是了解到耐高温板翅结构在高温气冷堆发电和制氢系统领域有广阔的应用前景,而我国在此领域还没有掌握关键的制造技术时,课堂气氛十分活跃,学生热情高涨,兴趣浓厚。课后,学生主动去图书馆、上网搜集资料,同时了解到很多相关知识,开阔了眼界。
后来分析,过程设备设计力学基础就是一门理论性很强的学科,传统的授课以理论讲解、公式推导为主,十分枯燥。学生即使理解并记住几个公式,却不知道如何运用理论知识去解决实际问题。而通过科研项目的介绍,学生了解到基础理论在生产实际中的用武之地时,兴趣被调动起来,以较高的主动性和积极性参与到研究型教学中来,这就是科研融入教学所起的作用之一。
科研项目的介入提高了教学内容的先进行、科学性。将科研项目融入教学,采用的教学案例要坚持以下几点:1)案例要具有工程应用背景;2)案例要适合学生,理论性不能太强;3)学生能够利用课程基础理论,解决实际问题;4)案例不在数量,重在质量,具有典型性,能够观贯穿课程教学的始终。
2 重视基础理论的讲解与应用
课程教学的关键是使学生掌握基础理论知识,而困扰学生的问题是如何应用基础理论知识来解决实际问题。因此,要通过科研案例,让学生利用所学基础理论知识,解决实际问题。一方面能够促进学生对基础知识的理解,另一方面能够让学生认识到基础理论知识学习的重要性。
对于所提问题,对学生进行讲解和相关提示后,部分学生能够解决问题。对于翅片强度,假设由于介质压力作用在上下两隔板而产生的垂直于隔板表面方向的总应力全部由翅片承受,根据力的平衡方程,可以得到翅片中的应力为。式中,σ为翅片中的应力,为相邻通道的压力差,为翅片厚度,a为翅片内距。
对于隔板,受到大量翅片支撑的隔板可以近似看成受均匀侧压力的连续梁,每个翅片均可以近似为一支点。将任意2个相邻翅片间的隔板独立出来,简化为一个简支梁,根据相关计算公式,可以得到隔板中最大弯曲正应力:。式中,为压力差,a为翅片内距,b为隔板厚度。
通过以上分析发现,利用力的平衡原理以及简支梁的基本知识,可以推导出翅片和隔板中的应力。而这2个基本知识,是材料力学最基本的知识点。由此可以发现,加强基本理论知识的讲解,对于提高学生解决问题的能力至关重要。
3 引入有限元软件,进行课外学习研究
研究型教学就是要鼓励学生“在学习中研究,在研究中学习”,鼓励学生不要满足于书本上的知识,要研究和掌握书本上没有的东西。为此,在教学过程中鼓励学生阅读和教学内容相关的科研和教学论文,鼓励学生自己去查阅,培养学生搜集资料、阅读文献的能力,逐步养成研究问题的良好习惯。在课外作业中,改变题海战术,在基本题训练基础上,鼓励学生研究一些“学习研究问题”。这些学习问题,可以是基本内容的延伸和扩展,也可以是过程实际或者科学研究问题。
对于过程装备与控制工程专业的本科生,掌握压力容器应力分析和强度校核的方法至关重要。同时,掌握一个计算机分析软件对将来就业和读研也非常重要。为此,将有限元软件引入过程设备设计力学基础这门课的教学中来,让学生学习有限元软件ABAQUS,主要让学生学会利用有限元软件进行应力分析与强度校合。当时,这种做法具有很大的争议。部分教师认为,有限元法理论性很强,本科生难以掌握。采取的做法是:简单介绍有限元法的概念,基本理论知识不作深入讲解,重要讲解软件的应用。实践证明,这种做法是正确可行的。学生能够学会使用有限元软件,进行应力分析。一届学生学会使用有限元软件后,让优秀的学生给下一届的学生讲解软件的应用,取得良好的效果。在跟随范钦珊教授从事研究型教学过程中,范钦珊教授曾让南京工业大学的学生到上海大学讲解有限元软件的使用,取得很大的反响和良好的效果。后来发现当初的担心是多余的,因为很多研究生都使用有限元软件,但他们对有限元的理论知识掌握也不是很深,关键是学会如何使用软件。
对于所提问题,让学生学习有限元软件ABAQUS,进行应力分析,并与理论分析结果进行比较,主要让学生学会如何建立几何模型、设置材料参数、划分网格、施加载荷和计算分析等。学生掌握ABAQUS的用法以后,每人建立具有不同几何尺寸的有限元模型,讨论几何参数的变化对应力的影响,并要求撰写学习研究论文。学生共建立42个不同参数的有限元模型。
结果发现,学生在规定时间内很好地完成了任务。学生发现,理论计算与有限元分析结果差距较大。在不同载荷下,翅片中最大应力σmax与a/δ均呈线性关系。对不同载荷下的应力与a/δ分别进行线性拟合,得到翅片应力计算公式:;。同样发现隔板中最大弯曲正应力可以表达为;。
这个案例的特点是适合学生,学生能够利用基础理论知识来分析和解决问题。通过这个案例,学生对板翅结构应力计算方法进行了理论推导,用有限元方法进行验证和修正,获得翅片和隔板应力计算公式,更重要的是认识到基础理论知识学习的重要性。每个学生不仅学会使用软件,学会处理数据和绘制图表,而且学会撰写学习研究型论文,综合能力得到很大提高。这个软件的学习,不仅会使学生在将来的工作中受益,对于读研究生的学生受益更大,能够使他们提前进入科研课题,提前获得成果。
4 注重教学内容的拓展与更新
对于大学课程,只局限于讲书本上的定理、公式和习题是远远不够的,必须注重教学内容的拓展与更新。这种做法不仅能够拓宽学生的知识面,而且能够培养创新意识和科学精神。如讲一点最近我国化工业的发展情况,及其给过程装备与控制工程专业学生就业带来的机会与挑战;讲一点前沿科学研究问题,如过程装备应力测试新技术、力化学交叉作用下过程装备结构完整性技术等问题,提高学生的学习兴趣;结合石油化工工程实例,告诉学生过程设备设计基础力学问题是人们身边的科学;结合石化生成事故,告诉学生过程设备设计基础力学问题是维系生命和财产安全的科学,增强学生的责任感与使命感。
5 改革考核模式
研究型教学需要研究型考核模式。考试考核重在鼓励创新,主要考核学生对基本概念的灵活掌握,分析问题和解
决问题的能力,促进创新能力的培养。笔者借鉴相关做法,结合本课程的实际,拟通过以下几个方面来评价学生的学习成绩。
5.1 资格考试考试内容为平时的课外作业,考试方式为闭卷。卷面满分100分,考试成绩≥70分者,本课程即获通过,在期末总成绩中计入60分;考试成绩<70分者为不及格。目的是确保课程基本要求的教学质量,加强学风建设,遏制抄袭作业的现象。
5.2 水平考试考试方式为开卷。成绩认定:卷面满分40分,考试实际成绩计入总分。水平考试重在基本教学的深度,没有繁琐的公式推导和数学运算,重在灵活运用与培养创新思维。
5.3 课堂提问与测试课堂提问记入最后成绩,激励学生的课堂思维。在每一章教学的最后,进行随堂测试,内容为1～2道题目。测试过程中给学生适当提示,提高课堂教学效率。
5.4 学习研究论文考查学生综合运用本课程基础教学内容以及有限元分析问题的能力。
6 结论
研究型教学理念体现了寓教于研的核心思想,是主体教育思想、素质教育思想和创新教育思想的集中体现。以学生为主体,实行边学习、边研究、边实践的教育过程。过程设备设计力学基础采用研究型教学模式,将具有工程背景的科研项目引入教学,设计适合学生的典型案例;引入有限元软件进入教学,进行课外学习研究;注重课堂教学内容的拓展与更新;改革考核模式。这些有利于培养学生分析问题、解决问题的能力以及创新设计和科学研究的能力,有利于培养知识面宽、应变能力和开拓能力强、具备多种素质的工程技术应用和技术创新人才。
参考文献
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[5]蒋文春,巩建鸣,陈虎,涂善东.不锈钢板翅结构的蠕变有限元分析[J].金属学报,2007,43(5):539-545