化工设备机械基础课程的教学改革与思考

＊王丽敏 应安国 童琳

（1.曲阜师范大学 历史文化学院 山东 273165 2.曲阜师范大学 化学与化工学院 山东 273165 3.浙江医药股份有限公司新昌制药厂 浙江 312500）

引言

目前化工制药用人企业普遍反映高校化工制药类专业毕业生工程知识能力欠缺、设备操作能力较差以及设备运行原理了解不深刻等问题，这会给企业带来生产操作安全隐患[1-2]。化工设备机械基础课程主要涉及工程力学、材料学和化工设备等知识，开设这门课程能有效提升化工制药类本科生的工程设计能力，全面了解化工设备的设计、运行和操作原理[3]。因此为了弥补和衔接高校和企业供需之间的矛盾问题，曲阜师范大学化学与化工学院把化工设备机械基础课程设置为化学工程与工艺、制药工程等两个工科本科专业人才培养中的必修课程。

目前我们采用的教材为赵军等主编的《化工设备机械基础》第三版，全书包括工程力学基础和压力容器设计两大部分，主要涵盖了受力分析和平衡、基本应力变形、应力状态分析、疲劳、化工容器结构和分类以及常用金属材料的基本性能、内外压容器的基础设计以及容器零部件的标准化选型等。通过该课程的系统学习，使学生掌握完整的工程力学基础理论知识，能够独立进行反应釜、换热器和储罐等塔器设备的机械设计，并且能进一步增强学生熟练和规范使用Auto CAD的绘图能力，结合其它化工专业工程，如化工工艺、反应工程和化工原理等课程的系统学习，为培养具有一定工程设计开发能力的复合型人才打下坚实的基础[4-5]。笔者从事了该课程十年的教学工作，对自身的亲身实践教学经验进行了深入地思考：首先阐述了学习化工设备机械基础课程的必要性，如何有效激发学生学习该课程的兴趣，发挥他们的主观能动性；其次采用案例式和互动式教学方法，提升教学效果；最后改革课程评价考核体系。

1.提升学习课程的主观能动性

由于近年来就业压力的增加，越来越多的本科毕业生选择继续读研深造。像物理化学和化工原理等传统考研专业课程，学生上课非常认真，在思想上高度重视，学习主观能动性很强，不需要专业教师的额外动员。但是非考研课程，比如化工设备机械基础课程，首先从思想认识起点上同学们对这门课存在先天不足；另外，该课程包含大量公式、图表以及大量学生从未接触过的工程化术语，对化工制药类本科生来说，通常会比较枯燥，难以提起学生的兴趣。

针对这个问题，笔者基于课堂实践提出了以下三个解决方法。

一是从宏观上阐述该课程的重要性，包括对国家国防、重大经济民生等层面上的作用。比如为新中国成立初期做出重大贡献的“大庆油田”“胜利油田”和“克拉玛依油田”勘探和提炼设备等都涉及到了化工设备机械基础课程中的基本变形、材料特性以及强度和刚度设备校核及设备设计等。笔者第一堂课上将“上天”神舟飞船和大飞机、“下海”的蛟龙号深水载人潜水器作为一种压力容器进行强度、刚度和稳定性设计，引起了同学们极大的兴趣，培养了他们的创新探索精神；同时，“上天”和“入地”彰显了我们国家的强大的科技实力，增强了同学们的民族自信心和爱国情怀。化工设备机械基础第二篇材料种类和性能知识点，都是记忆性的内容，为了提升同学们学习这块内容的兴趣，笔者在课堂以徐光宪院士为例，放弃国外优厚待遇，心怀国家发展大业，发展和创新了稀土分离纯化新技术，改变了在稀土领域被“卡脖子”的状态。第一篇工程力学基础剪切等基本变形中，我们可以引入一些工程事故，比如虹桥机场的大飞机迫降事件，就是由于剪切变形导致的零部件损坏而导致事故的发生，这可以让同学们认识到此课程的重要性，启发他们的科学兴趣。

二是从考研方面来阐述。因为现在的硕士研究生入学考试包括初试和复试两个环节，缺一不可。虽然化工设备机械基础课程不是初试阶段的专业考试科目，但是在复试的综合素质考核阶段，招生复试小组会在化工热力学、化工设备机械基础、化学反应工程和化工设计等化工人才培养方案中的核心课程进行提问，以便筛选出化工基础过硬的学生进入下一步学习。因此系统地学习这门课有利于考生在考研中的复试阶段取得好成绩。

三是系统学习化工设备机械基础课程，再与化工原理、化工工艺学等课程配合，有利于提高自身的工程素质，为今后就业打下坚实的基础。企业生产中化工反应和分离单元操作都是在一定温度和压力下进行的，因此确保设备安全连续运行必须利用化工设备机械基础课程的设计方法使其具有合理的工艺结构、可操作性和安全可靠性等特点。由于笔者在企业工作多年，经常以车间某工段生产为例子阐述学习该课程的重要性。比如以磷酸盐生产工段进行说明：该工段包括储存原料的高位槽、用来反应的反应釜、用来分离的离心机以及存放母液的地槽等。每一个设备均涉及到该课程的知识点——根据工艺要求进行材料的选择、设备壁厚的计算以及零部件的选型等，让同学们深刻体会到这门课的重要性和实用性。

2.丰富教学方法，优化教学手段

化工设备机械基础课程是一门实践性和专业性很强的专业技术课程，但是基本都是大二的学生接触这门课程，他们工程力学基础较差，对机械设备和一些工程化因素理解比较困难，仅靠传统的教学很难受到理想的教学效果。因此笔者从充分利用网络资源和网上精品课程、引入案例教学、引入专业软件和开辟第二课堂等四面改善教学手段和方法，提升课堂教学质量。

学生对部分概念和设备零部件的内部结构理解比较困难，因此笔者考虑到现在学生可以通过智能手机和电脑全方位实时接触网络上丰富的视频和动画资源（包括网上精品课程资源）。比如在讲授内压容器薄壁圆筒设计时许用应力的确定，引进了安全阀和爆破膜。学生很难理解为什么要引入这两个部件，我们从网络上下载安全阀和爆破膜的结构图和动态工作视频，反复播放，取得了事半功倍的效果。另外，对于学生容易出错的工程力学部分中扭转变形和弯曲变形，我们可以通过播放这两个构建变形的动画，加深同学们对两个变形的视觉感官认识，从而有助于理顺两者的区别和联系。对于容器零部件，我们让学生通过课下作业的方式提前上网收集相关图片和视频，与课后枯燥的书面作业可以形成互补，很大程度上缓解了容器零部件部分课程内容较多而课时较少的矛盾，发挥了学生的主观能动性，对理论知识的理解更加深入和全面，显著提升教学效果。

引入案例教学，增加课堂互动，加深学生对课程基本概念的理解和公式的使用，全面提升学生的综合分析能力和工程问题解决能力。回转壳体薄膜应力分析中涉及到环向应力和经向应力的推导和分析计算是后续薄壁容器设计的基础，涉及到静力学平衡以及应力与外力联系的问题，如果按照传统的教学方法，学生短时间内难以理解和接受教材上的推导过程，不利于对该重要知识点的掌握。

基于此，笔者引进了气瓶爆炸事故案例。首先呈现出一张关于气瓶爆炸的图片，然后从图片上判断钢瓶损毁断裂处的裂缝走向。我们以此作为一个切入点引导学生进一步思考：为何主要裂缝的走向是纵向而不是环向？让学生带着这个问题和教师一块进行静力学平衡推导和内力、应力分析，利用截面法建立力学平衡方程组，从而求得径向应力和环向应力的具体数值。求解发现，环向应力是径向应力的2倍，这就很好地解释了主裂缝为纵向走向的原因。结合笔者多年在企业车间的工作经历，用以提升课堂教学效果。比如在讲解内压容器设计时，进行场景设置，以接收一个产品生产任务为源头，把学生分为若干个项目组，在指导教师的帮助下，开始产品工艺设计、设备布局、辅助设备和管路选型、主要反应设备和分离设备按照内压容器设计要求进行设计，接着指导老师对每组的设计方案进行评价。此案例教学也是一种场景教学，与实际车间工艺设备设计和布局任务相结合，能使学生从企业车间总体布局方向去考虑问题，在加深理解内压容器设计知识点的前提下，能够进一步提升学生的工程管理能力。

引入专业软件ANSYS和SW6，提升教学效果。考虑到当代大学生对软件使用都有浓厚的兴趣，笔者在讲解第一篇工程力学基础中的扭转变形时，先让同学们按照工程力学方法进行计算，然后再与ANSYS力学仿真软件基于有限元方法得到的模拟结果进行比较，可以使同学们对轴的扭转变形时应力分布有着更直观的认识。另外，笔者在讲解内压容器薄壁圆筒和封头厚度设计时，引入了SW6软件辅助教学，并将传统手算结果和软件计算结果相比较，加深同学们对外压薄壁容器设计思路的理解。

开辟第二课堂，巩固学习效果。化工设备机械基础课程是一门兼具基础理论和工程实践的学科。它涉及到物理学中基础力学等理论知识，比如静力学基本概念、约束和约束反力、分离体和受力图、力的投影和合力投影定理、力矩和力偶、力的平移、平面力系的简化和合力矩定理、平面力系的平衡方程等。另外，该课程涵盖基础变形：拉伸和压缩变形、剪切变形、扭转变形、弯曲变形和组合变形（拉伸压缩与弯曲组合、弯曲和扭转组合等）以及平面应力状态分析、三向应力状态、广义胡克定律以及四大强度理论（最大拉应力理论、最大现应变理论、最大切应力理论和畸变能密度理论）。该课程还涉及到基本材料力学性能（强度、塑性、韧性和硬度等）、物理性能、化学性能（耐腐蚀性和抗氧化性）、加工工艺性能、组织稳定性、抗松驰性和应变时效敏感性等。最后，它还涉及到的工程装备及零部件，主要包括化工容器、法兰、容器支座、开孔补强，以及接管、凸缘、手控和人孔、视镜、液面计和设备吊耳等容器附件。同学们具有高中物理和大学物理的基础，因此对于该课程所涉及到力学基础相关的工程力学部分学习不存在太大的困难，但是由于该课程学习通常安排在第三或第四学期，绝大部分同学没有经历过化工生产实习环节，对化工生产设备的内部结构和工作原理（包括进行反应的反应釜、储存原料的高位槽和储槽、热量转移的热交换器以及设备间物料转移的连接管路）了解很少，严重影响学生的学习积极性和学习效果。因此笔者在化工设备机械基础课程教学中积极开辟第二课堂，使学生对化工设备及零部件的内部结构特性有一定的了解。

在曲阜师范大学化学工程与工艺、制药工程本科专业培养环节中，包括化工和制药厂生产见习（大约一周）、化工和制药厂生产实习（大约四周）。将工厂见习环节安排在课程学习之前，让学生带着问题和目的去见习。在企业相关技术人员和指导教师的讲解下，使学生对化工设备结构构成、运行工作原理零部件的作用和化工生产工艺等有一定初步的认识。比如让学生知道人孔是用来设备检修时维修人员进出的；视镜是用来观察内部反应情况的；法兰包括设备法兰和管法兰，许多换热器、反应器和塔器的筒体与封头之间都是由法兰连接的，另外设备上的人孔盖、手孔盖以及设备与管道、管道与管道之间也可以由可拆卸的法兰来连接；液面计是用来观察储存液位的；观察化工厂中各种容器的支座结构及类型。

经过上述企业这个第二课堂的学习环节后，使同学们初步掌握了化工主要设备的结构、工作原理及其零部件以及在生产环节中的应用，对它们有一个感性的认识，理论联系实践。带着这个感性认识回到课堂后，学生学习该课程的学习效果就会有的放矢和事半功倍。等该课程课堂学习全部结束后，学生已经掌握内压薄壁容器的设计、外压薄壁容器的设计以及零部件的选型等知识要点，再安排4周左右的工程生产实习，可以让他们站在设备设计高度上认识化工和制药企业的生产过程，对设备的运行和工作原理有着更深入的理解和掌握，在巩固设备设计方法等知识要点的同时让他们意识到学习该课程重要的实际意义。

3.参核方式的改革探索

课程考核是教学过程中的主要环节之一，是检验学生掌握知识能力和学习效果的主要手段。传统的考试为平时成绩（一般占比30%）加上期末闭卷考试成绩（一般占比70%）综合计算得到，存在着期末考试“一考定终生”的弊端，无法准确、科学和客观地评价学生的学习效果以及解决问题、分析问题的能力。因此我们需要对传统的课程考核评价方式进行改革，我们将考核内容分为平时成绩、项目考评和期末考试三个环节，总评成绩由三个环节分数乘以不同权重获得。平时成绩包括考勤、作业和课堂回答问题等互动环节。项目考评为教师布置一个以车间产品为导向的项目开发，根据班级总人数，以3～5人为小组进行分组，任务包括文献检索和资料查询、工艺筛选、设备设计和选型等，主要考察学生的文献检索能力、分析问题和解决问题的能力以及小组成员之间的团队协作能力。项目考评能给学生带来最直接的感受就是化工设备机械基础课程具有很大的实际应用价值，不是一门可有可无的理论专业课；另外项目考评过程中学生可以把本课程知识要点与反应工程、化工工艺、化工原理和分离工程的知识有机结合起来，贯穿于整个项目开发和设计环节，这对于培养和提升学生的综合素质和工程开发能力非常有帮助。最后期末考试试卷内容设计上需要改革：加大工程实践设计题目的比例，将基础理论知识要点完全融入到工程设计中。通过课程考评方式的改革，强调教学的互动和过程教学，激发学生学习的兴趣，培养其创新能力和工程设计开发能力。

4.小结

为了提升学生的工程设计开发能力，有必要对化工设备机械基础课程进行改革。从国家层面和个人层面分别阐述了学习化工设备机械基础课程的必要性，有效激发学生学习该课程的兴趣，发挥他们的主观能动性；通过充分利用网络资源和网上精品课程、引入案例教学、引入专业软件和开辟第二课堂等四个方面改善教学手段和方法，提升课堂教学质量；最后对课程的考核方式进行改革，强化学生分析和解决问题的能力，培养他们的团队协作能力和工程开发设计能力。