面向新工科培养模式的汽轮机原理课程教学方法的思考

张川 王保文

摘要：以产业交叉融合为特点的新经济的快速发展，迫切需要更多具有创新能力和多学科交叉整合背景的新型工科人才。高等学校的工科教育将朝着以创新型和综合化为特点的新工科的方向发展。这对我国工科本科生的教学提出了“厚基础、宽口径”的新要求。教师如何充分利用有限的学时资源，使本科生在感性认识少的前提下，达到“宽”与“专”并重的专业课教学效果，是当前新工科培养模式下教育改革的重点与难点。本文提出了一种从合理规划教学内容充分提升课堂教学效果、灵活采用多种教学方法和手段突出教学重点和改进实践教学环节巩固并加深课堂教学效果的方法入手，进行汽轮机原理课程教学改革的方法，以有效提升教学效果，获得“宽”与“专”并重的教学目标。该探索为满足新工科培养模式所要求的提高创新能力和多学科交叉背景的工科本科专业课程的教学提供了有益的参考。

关键词：新工科；汽轮机原理；教学方法；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）43-0190-03

“汽輪机原理”是能源与动力工程类专业一门重要的专业必修课，通过该课程的学习，不仅能使学生掌握关于“汽轮机”这一大型精密热力机械的能量转换原理与过程、运行和控制、零部件强度和材料等诸多方面的科学规律，更是引导他们从事相关的工程设计、设备制造和运行维护等领域的工作，乃至进一步深入相关科学研究的良好教学载体。但是，由于汽轮机原理的教学内容不仅需要承接先修的工程热力学、传热学、流体力学、理论力学和材料力学等基础性理论课程，还延伸关联着后续的热力发电厂、发电厂集控运行等相关的专业课程，因此该课程具有理论性、实践性和综合性都很强的特点，故而教师讲授和学生学习的难度都很大[1]。当前，随着以产业交叉融合为特点的新经济的快速发展，我国迫切需要更多具有创新能力和多学科交叉整合背景的新型工科人才。探索培养面向新时代的多样化和个性化并重的人才培养模式，加快发展和建设新工科教育，是时代的迫切需要。为此，高等学校的工科教育也将从以往注重过专和过窄的专业知识应用，逐步朝着以创新型和综合化为特点的新工科的方向发展[2]。这种发展趋势在对工科的本科教学提出了“厚基础、宽口径”这一新要求的同时，也引起了基础课学时和比例增加，而专业课程学时减少的新矛盾。而且，几乎所有工科类的专业课程都具有实践性强、研究领域涉及多种学科、教学内容庞杂和抽象等共性特点。如何充分利用有限的学时资源，使本科生在感性认识少的前提下，获得“宽”与“专”并重的专业课教学效果。成为新工科培养背景下，高等学校的专业课程教师共同面临的教学重点和难点。本文针对上述问题，围绕汽轮机原理课程的本科教学，分别从教学内容的规划、教学方法的改进和实践环节的协同等方面来进行有益的探索，以提升教学效果。

一、合理的规划教学内容，以充分提升课堂教学效果

教师在课堂教学的环节，需要在充分考虑学生现有的知识结构和认识水平的基础上，采用循序渐进的教学方式，通过合理重组教学内容，引导学生不断从“旧知”中引入“新知”，以便达到预期的教学效果。著名教育学者美国犹他州立大学的戴维·梅里尔教授认为，有效的教学过程必须遵循认知的客观规律。即从“激活旧知”、“示证新知”、“应用新知”到“融会贯通”的首要教学原理[3]。教学中不能只注重“示证新知”而忽略了其他环节的作用。例如在讲解第一章“级的工作原理”之前，可以将第二章“多级汽轮机”中关于描述汽机本体中的汽缸、隔板、喷嘴、主轴、叶轮和动叶等结构和作用的部分提前讲解。通过合理规划教学内容，使学生增强了感性认识之后，就能够容易理解第一章中的蒸汽在级中的热力过程，这一抽象的热物理过程。随后，就可以结合先修的工程热力学和流体力学知识，逐步引导学生抽象出蒸汽对动叶片的作用力、做功以及级内各项损失等相关的内容。通过对教学内容做更合理的规划，能够有效地避免学生由于直接抽象热物理过程所带来的茫然感，达到提升课堂环节教学效果的目的。此外，个别教学内容还可以被安排到指导性的教学环节中。例如，可将第一、三章中关于“汽轮机级的热力设计原理”、“扭叶片级”、“变工况下汽轮机的热力核算”等内容，可以集中安排到课堂教学环节之外的“汽轮机课程设计”环节进行讲解。这样既可以在课堂教学环节中，更有针对性的突出理论部分的教学内容。又能避免相同教学内容在不同教学环节中重复的情况发生，从而更高效的利用有限的学时资源。

二、灵活的采用多种教学方法和手段，以突出教学重点

汽轮机原理课程总的教学内容可以分为三大部分：①经典理论部分。主要包括“级的工作原理”和“多级汽轮机”。该部分主要讲解汽轮机中的热功转换规律。通过运用质量守恒、能量守恒、动量定理以及工质的热物理状态方程和过程方程等建立起级的热功转换的定量数学关系。并以此为基础，推导出汽轮机热功转换效率、热功转换能力和零部件受力等的相关定量计算式，最终获得汽轮机各级的主要结构参数的计算公式。该部分是整个课程的理论精髓，也作为培养学生具备从工程实际中抽象出数学物理描述，进而开展科学研究能力的重要载体。对于这部分内容，如果仅采用传统的板书教学方式，进行“满堂灌”式的教学，往往不足以充分激发学生的热情，且容易造成部分学生思维跟不上，甚至听不懂的现象。为此，笔者在课堂上采用多媒体辅助板书教学的复合方法。通过展示发电厂的现场图片、蒸汽在汽轮机内部流动的3D视频动画等生动的现代化教学手段，来提升理论部分的板书教学效果。并且在讲解安排上，做到课前通过知识回顾来引入新的教学内容，课尾通过总结来突出重点和难点。另外，还努力在课堂讲解过程中增加与学生的交流互动，以便根据他们的理解情况，实时灵活的调整教学的进度。②专业知识的多学科交叉延伸部分。该部分内容主要包括“汽轮机变工况特性”“汽轮机的凝汽设备”“汽轮机零件的强度”和“汽轮机调节系统”。这些内容是从经典的专业知识向更深入的专业方向延伸的教学内容。在教学中采用了分解启发式的教学方法，通过教师的积极引导，来强化以学生为主体的工程教育模式。教师将主要知识点分成若干子问题，通过对子问题的聚焦思考，引导学生听课，借以提高学生参与课堂的能力。例如可将汽轮机变工况的内容，分解成压力变化对流量的影响、流量变化对焓降的影响和焓降变化对级的反动度与做功能力的影响这三个子内容。通过这些由浅入深逐步设置的子问题，最后揭示出压力变化对汽轮机做功能力的影响和如何进行汽轮机负荷调节的规律。采用上述分解启发式的教学方法，不但巩固和加深了学生对基础理论的认识，还锻炼了他们运用专业理论解决实际工程问题的能力，收到了训练工程思维的效果。③专业知识的综合扩展部分。主要包括超临界压力汽轮机、热电联产汽轮机、燃气-蒸汽联合循环汽轮机、核动力汽轮机的结构、热力特性和自动调节等。该部分教学内容往往是经典汽轮机专业知识与当代的具有多学科交叉背景的汽轮机技术新发展的结合。在课程教学中，通过引入这些最新的科研成果进行专题讲座的方式，如“防固体颗粒侵蚀的流道设计”“针对高温部件有效冷却的特殊结构”和“三维扭转叶片设计”等。就可以将行业对人才培养的最新要求，用产业和技术的最新发展的方式引入教学过程，从而突出新工科教学的前沿性、创新性和学科交叉性。使学生树立以面向未来和领跑世界为目标的专业追求，并能逐步提升新工科人才培养的质量标准。以这部分教学内容为载体，还能进一步强化培养工科学生的家国情怀和全球视野，提升创新创业、跨学科交叉融合、自主终身学习等新工科人才所必备的核心理念。

三、改进实践教学环节，巩固和加深课堂教学效果

汽轮机原理课程的实践教学环节分为课程实验和课程设计两个部分。教学中可以将课程实验穿插在理论学习的中间某一阶段，并将其分为基础性实验和创新性实验两部分[4]。其中，基础性实验，如300MW汽轮发电机组模拟转子的动平衡实验，用以加强学生对理论教学环节的概念和理论的认识，同时提高动手能力。对于创新性的实验，可以让学生在教师科研团队的指导下，利用科研项目的实验装置来开展。如300MW汽轮发电机组模拟转子的振动实验。需要通过分析振动信号来判断振动类型，并通过计算与实际操作，达到降低或消除转子振动的目的。通过开展创新性实验，提高了学生灵活运用课堂知识解决实际问题的能力，既强化了课堂教学的效果，又增强了学生的创新能力。

汽轮机原理课程设计是在课堂教学环节完成后进行的，通常由老师指定若干题目作为任务布置给学生，学生需要在教师指导下自主完成相关设计。由于课程设计时间较长，大多安排两周左右的时间。指导教师对该课程设计的进程实施了动态管理。例如将整个设计任务分成若干相对独立的小模块进行。通过这样的模块分解方法，可以有效的、分阶段的建立起学生设计的信心和热情，保证学生逐渐深入设计并最终获得成功。这种模块化的课程设计教学方式，使学生更容易体验到工程设计的过程快乐，而不仅是追求设计的最终结果，有助于他们实现对课堂教学环节的内容实现系统化的掌握，从而达到首要教学原理中提出的“融会贯通”的效果。

四、结语

新的时代背景下，高等学校的教育改革将朝着新工科培养模式的转变。对汽轮机原理的课程教学提出了“宽”与“专”并重的更高要求。通过合理的规划教学内容，采用丰富的教学手段和强化协同的实践教学，能够确保培养理论联系实际的创新型人才的目标。工科专业课的教学过程具有很强的师生互动性，教师应该积极把握好教学过程的主动性，落实以学生为中心的工程教育理念，遵循學生认知的基本规律，通过积极探索大胆进行教学改革，在实践中不断总结并提高。

参考文献：

[1]康松，杨建明，胥建群.汽轮机原理[M].北京：中国电力出版社，2000.

[2]吴爱华，候永峰，杨秋波，郝杰.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017，（1）：1-8.

[3]戴维·梅里尔，著.首要教学原理[J].盛群力，何珊云，钟丽佳，译.当代教育与文化，2014，6（6）：1-7.

[4]张财红，李楠，关雪梅.对汽轮机原理课程实验教学环节的研究与探讨[J].当代教育与文化，2016，（12）：45-47.

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