面向中国制造2025的过程装备与控制工程专业力学教学改革

孙铜生

(安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000)

面向中国制造2025的过程装备与控制工程专业力学教学改革

孙铜生

(安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000)

力学系列课程是过程装备与控制工程专业重要的专业基础课。针对力学课程的教学现状及中国制造2025对应用型人才的迫切需求，提出了力学系列课程的教学改革思路：制定专业人才培养目标，在此基础上构建应用型人才的课程体系；开展课程教学方法改革，并对教学方法进行人才培养质量评价。力学系列课程的教学改革的实施可望提高学生的工程实践能力。

过程装备与控制工程；中国制造2025；力学课程；教学改革

一、过程装备与控制工程专业力学教学现状

过程工业是加工流程性物质的现代国民经济的支柱行业，[1]过程装备与控制工程专业主要为过程工业培养设备设计与制造工艺、设备维护与管理、设备控制技术与工业系统控制等方面的应用型技术人才。过程装备广泛应用于化工、石油、轻工、制药、食品、海洋等多种行业，[2]随着行业对产品质量、产能效率、经济和社会综合效益提出的越来越高的要求，专业人才不仅仅能够从事过程装备的设计与制造，更应该具备不断进行技术的升级的能力，具有广阔知识面的能够从事行业技术革新的应用型工程人才已经成为行业的迫切需求。高校过程装备与控制工程的人才培养目标需顺应行业发展，专业知识应面向工程实践作出实时调整，专业教师要构建从过去重理论轻实践转变为以实践为目标导向的教学体系。

过程装备的设计计算包括过程装置可靠性分析、机械结构强度与优化设计理论、高效传热传质分析等基础理论的学习，这就要求过程装备与控制工程先修力学基础课，主要有《工程力学》《工程流体力学》《工程热力学》等。《工程力学》包括静力学、运动学和动力学、材料力学三部分,研究物理机械运动及在外力作用下的应力、应变及稳定性的规律的学科。《工程热力学》主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用、提高转化效率的途径，是机械工程的重要基础学科之一。《工程流体力学》是研究流体之间能量相互转换规律的一门学科，泵、压缩机、燃气轮机等典型的过程装备都是以流体力学作为理论基础的。目前课程教学暴露出的问题如下。

1.力学课程注重理论性，在实践应用上有待进一步提升

力学课程基本上还是沿用高中物理课程的教学思维，注重理论的推导，学生对事物的本质缺乏理解，忽略了力学研究的基本问题是在实验的基础上进行测定和分析，应该创造条件多进行实验，充分利用实验来提高对力学基本原理的认识。鉴于教学经费和实验场地的限制，大规模地采购实验设备显然不合时宜，在这种背景下，和专业实习的衔接显得尤为重要。一方面，要选择和课程内容相关的企业，由于课程的综合性，选择一两个企业显然不能覆盖课程涉及到的全部设备；另一方面，实习的时间需要和课程的教学时间衔接，而专业实习往往从专业的课程总体进行考虑，这样就不一定能满足本课程的教学需要，极有可能形成两个局面：一是实习结束后半年或者以上的时间才进入本课程学习，对实习的设备的印象已经变得非常模糊；二是在课程结束之后再进入相关企业实习，这是一种更坏的局面，对该课程教学并没有起到促进作用。

2.力学课程内容体系老化，缺乏和新科技的紧密衔接

针对日新月异的科技发展，力学课程衔接程度明显不够，课程内容修订进度缓慢，很多还是沿用几十年前的老内容。以工程热力学为例，该课程主要是研究热能和机械能的相互转化的学科，涉及到多种热能动力装置，如内燃机、蒸汽动力装置等，以内热机为例，它是一种动力机械，通过使燃料在气缸内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机，内燃机工程已经成为一个独立的学科，主要研究我国内燃机新技术、新能源、新材料、新工艺等方面的理论、方法，[3]其中重要的内容就是如何提高热能与机械能的转化效率，现有的最新的结构和方法在工程热力学课程中没有得到体现，教材中只把内燃机作为一种热机作了工作原理的简介，而忽略了热力学课程的本质，课程的终极目标还是为工程实践服务，因此如何在结构上来实现最大的热效率才是关键所在，这就需要把最新的科研成果引入教材，这点恰好是缺失的。

综上可见，目前力学基础课停留于教学计划中的自身建设，课程规划缺乏有机协调，课程结构需要进一步优化，避免重复建设和教学资源的浪费。[4]本文研究成果在实施后，通过教学理念的转变来改变现有的教学方法和手段，强调课程理论和实践的完整和系统性，将原来理论教学为主的课程内容体系，转化为理论讲授、课程实验、关键设备现场实训的多元课程体系，形成理论与应用并重的专业体系。

二、制定面向中国制造2025装备专业人才培养目标

中国制造2025提出了“五大工程”及“十大领域”，其中涉及到的化工、航天、深海探测、新能源及新材料、生物医药和医疗器械等重点行业，均涉及到过程装备与控制工程专业，未来这些行业在国家政策的导向和扶持下将进一步得到发展，培养出顺应行业发展的过程装备与控制工程专业的毕业生势在必行。

为了培养高素质的应用人才，应选择代表性企业调研，如扬子石化，了解企业的研发状况和未来技术发展动向，掌握典型的化工设备如反应器、分离塔、换热器、加热炉等的最新技术，明确设备人才现状与问题，了解企业对设备工程师的最新要求，编制专业典型设备人才需求目录。基于调研结果，研究创新型人才培养模式亟待解决的问题，明确设备新技术和新工艺新材料背景下对力学课程教学内容的新要求，探讨中国制造2025理念的视角下力学课与人才培养的关系，构建新的装备专业人才培养目标，构建的步骤如图1。

三、构建装备专业应用型力学课程体系

面向中国制造2025的行业要求和调研结果，研判出适应新背景的装备人才需求，从中梳理出人才培养目标，改变传统力学的授课内容，及时修订力学课程教学大纲，实现教学内容满足应用型的培养需求。目前的力学课程基本上都是侧重理论的讲解，在工程热力学中，全书围绕着热力学第一定律、第二定律、第三定律进行展开；材料力学中，以拉伸、剪切、扭转、弯曲等常见的变形形式来研究材料内部的应力和变形特点；流体力学则是以流体静力学和流体动力学为主线研究流体的平衡和运动规律。上述理论都是以理论公式的推导展开，较为枯燥且难以理解，并没有阐明和专业的联系，学生在不能明确学习目的的情况下很难对课程产生学习兴趣，教学效果很差，从历年的考试情况来看力学的不及格率非常高。

要扭转上述局面，必须明确课程学习目的，要使力学课程和专业建立起紧密的联系，改变以理论公式为主的课程体系，以力学的基本原理为主线，建立工程案例引导式课程体系。如在进行闭口系统的能量方程的讲解时，引入内燃机的实例，从燃气在气功活塞系统里燃烧后发生的能量转换，从而推导其能量方程，而不是采用目前的教学方法，直接设定一个闭口系进行理论的推导，一方面理解的难度大，另一方面学生很难集中注意力。再如，介绍流动运动的伯努利方程时，教材上取一段流动的流体来进行公式的推导，同样非常抽象难以理解，可以直接以离心泵为例，分析流体通过叶轮前后压能和动能的变化，从而建立起伯努利方程。采用工程案例教学，必将提高教学效果，激发学生的学习热情，弄清楚为什么去学，变被动学习为主动学习。

现有的各力学课程都是围绕着各自设定的背景展开，并没有考虑课程间的联系。那么在进行教学体系构建的时候，可以基于大力学的思想完成过控专业力学基础课的课群体系的整体构建。为了提高教学效率，应重组各力学课程体系，避免重复教学，如可将工程力学中的静力学和流体力学中的流体静力学进行合并，工程力学中的气体和蒸汽的流动并入流体力学中，这样实现相近的理论知识的有机融合，既可以节约学时，又可以提高效率。

大力学课程体系组建后，各力学课程内容将重新构建，课程内容实现模块化、层次化，打破各力学的界限，各模块引入工程实例，根据过程装备企业发展趋势，面向应用型设计教学项目，大力学课群体系建立过程如图2。

四、开展力学课程教学方法改革[5]

根据案例引导式教学方法，引入典型过程装备，如反应压力容器、换热容器、分离容器、流体机械、分离机械等，结合它们使用过程中常见的缺陷或失效案例，来对应设计过程中需要采用的力学理论，以激发学生对问题的思考，自主寻找其中的力学问题，并应用理论来改进设备的设计，这种引导式教学方法可以提高学生的创新能力。

作为课堂教学的有效补充，可以利用实习实训基地进行实践现场教学法，选择典型内容重点安排，如大型高压容器这一类过程设备，将力学的强度定理和热力学基本定理在设计制造现场进行教学，如在大型石化企业的检修分厂进行讲授，在里面看到大部分压力容器的破坏形式，企业的工程师对设备使用过程及失效的原因有更为深刻的认识，现场教学可以加深学生对问题的理解，并能够思考其中的力学机理，结合设备的破坏的实物分析其中的力学理论，可以达到课堂教学无可比拟的效果。

受条件的限制，不可能所有的设备都可以到现场授课，对一些小型设备，如以机械加工为主要制造手段的泵、压缩机和离心机等过程机器，可以充分利用实验室开展教学活动，将力学的基本理论通过实验的操作来理解。也可以通过实验来进行强度理论的讲授，如外压薄壁圆筒容器的失稳，通过观察外力作用下薄壁圆筒失稳后的形态来思考外力与容器形态的关系。以学生为主体开展启发式教学，同时提高学生的理论基础和实践能力。

对特别优秀的学生可以实施科研训练教学法，引导部分学生申报大学生创新项目，积极挖掘开发创新性实践教学的有效载体，有效提高学生综合应用理论知识的能力，如本人已经指导几届国家级大学生创新项目，近三次的选题分别为：“三足式离心机结构与制造工艺设计”“上悬式离心机结构与制造工艺设计”“BEM固定管板式换热器设计与优化”，这三个选题均需要综合运用材料力学、工程热力学和流体力学的理论，来对设备的结构设计和流体的性能分析，促进力学知识的理解，提高学生的实践技能，通过优秀学生的引领示范作用可带动整个专业群体的应用型能力的提高。课程教学方法总结如图3所示。

五、构建面向中国制造2025的力学课程教学质量评价

根据专业人才培养目标和教学内容，制定力学系列课程教学工作规程，目前力学模块的教学流程和规则，拟定教学工作质量标准规范，作为力学课程教学和评价的重要依据，从备课、课堂教学、实验室教学、实践现场教学到作业的批改等各环节全部设定标准。

依据应用型人才培养目标，提出中国制造2025背景下的力学课程教学质量监控方法，从备课、授课和答疑各方面进行监控，发现教学过程中存在的问题，提出解决的办法，制定监控体系所需的各种方案，为校院两级教学督导提供服务。构建人才应用型能力评价方法，突出解决工程问题的能力，从发现化工装备问题、分析装备的失效原因和解决装备的失效的全过程进行综合评价，分块进行问题分解，提出评价指标体系，建立人才培养信息数据库，对不同的教学方法下的人才培养日常过程信息进行记录，录入人才培养过程信息并处理评价结果，得出最优的教学方法和教学形式。

根据教学质量监控及评价结果，定期修正教学内容体系和教学方法，制定整改措施和建设方案，形成最优的教学方案和组织形式，达到以评价促教学整改，形成良性互动，最终达到全面提高人才的应用能力。教学质量评价的流程如图4所示。

力学课程的理论性较强，目前的课程体系和专业的衔接上缺乏实践性，不符合中国制造2025对应用型人才的要求，必须进行教学改革。文中提供了教学改革的思路，分别从人才培养目标、课程体系优化、教学方法和质量评价四方面进行了阐述。研究成果有助于提高教学效果和学生的综合实践能力。

[1]齐涛.清洁生产与过程工业绿色化[J].高科技与产业化，2011(183).

[2]邹广华，刘强.过程装备制造与检测[M].北京：化学工业出版社，2012.

[3]朱剑明,彭代勇.世界能源现状与内燃机的发展机遇[J]. 内燃机工程，2011,32(2).

[4]孙铜生.过程装备与控制工程专业力学课程教学研究与实践[J].中国电力教育，2014(14).

[5]孙铜生.面向应用型人才培养的过程装备制造工艺教学方法研究[J]赤峰学院学报(自然科学版)，2016,32(2).

Class No.:G642.0 Document Mark：A

(责任编辑：蔡雪岚)

Teaching Reform for Mechanics Courses for Process Equipment and Control Engineering Based on Made in China 2025

Sun Tongsheng

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000，China)

Mechanics is an important professional basic course for process equipment and control engineering. Current situation and existing problem of teaching are analyzed in this paper. Because of urgent demand for applied talents, teaching reform for mechanics courses is discussed, which is concerning the personnel training target, course system, and the method used to evaluate the training quality. Implementation of teaching reform for mechanics courses can promote the ability of students in the engineering.

process equipment and control engineering; Made in China 2025; mechanics courses; teaching reform

孙铜生，博士，副教授，硕士生导师，安徽工程大学机械与汽车工程学院。研究方向：过程装备与控制工程。

安徽省2016年度高等学校省级教学研究项目(项目编号：2016jyxm0101)；安徽工程大学2016 年校级本科教学质量提升计划教学研究重点项目(项目编号：2016jyxm10)。

1672-6758(2017)03-0001-4

G642.0

A