基于多元化教学手段的《过程设备设计》教学的探索

宋健斐，张冀翔，严超宇，孙国刚，陈建义

(中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249)

《过程设备设计》是过程装备与控制工程专业(以下简称过程专业)的特色课程和核心课程之一，也是化学工程、化学工艺、能源化工等专业学生的必选课程，每年授课人数达300余人。经多年授课，笔者感受到学生学习热情不高，课堂表现不积极，课程的高要求与学生的实际掌握程度形成较大反差。总的来说，学生大致可分为三类，一是学习热情高，上课认真，受教学手段的影响小，始终保持端正的学习态度，这类学生通常占10%～30%；二是学习热情一般，讲到感兴趣的内容抬头率较高，比例约占60%～70%；三是学习积极性低，对学习持无所谓的态度，比例约占10%左右。若能采用丰富的教学手段让第一类学生感受到挑战性，让第二类学生带着兴趣学习，保证80%同学对课程有较好的掌握程度，教学效果将会明显改善。

当前教学可用的手段和方法非常多元化，雨课堂、蓝墨云、翻转课堂、混合式教学等等[1-6]，可谓是乱花渐欲迷人眼，这些方法和手段并不一定适用于所有课程或者一门课程的所有教学内容。合理利用这些教学手段的关键还是要紧密结合授课内容，不断梳理知识点，找到每部分内容适合的授课方法。本文以雨课堂和基于问题的教学法为例，介绍了笔者将多种教学手段有机结合改善课堂效果的探索。

1 课程的内容及特点

笔者将《过程设备设计》课程的培养目标归纳为：基于一定的理论，在国家或企业最新标准的指导下，发挥设计工程师的主观能动性，设计出高效长寿命的设备。就知识体系而言，可分为四个部分：(1)国家或企业标准的熟悉及应用；(2)设备设计的理论知识；(3)压力容器设计选材；(4)实践篇—典型压力容器的设计，如塔器、换热器、储罐等。前3个部分以知识点为主，第(4)部分注重实践。因此，教学内容主要包括以下章节：(1)绪论，旨在让学生了解过程行业，过程设备的特点，从我国关键设备的设计制造取得的巨大进步中获得自豪感，激发学生对课程的学习热情；(2)过程设备材料，要求学生掌握压力容器用材的特点，掌握选材的原则，能针对特定工况合理选材；(3)内压容器和外压容器的设计，要求学生掌握薄壁容器的特点，能够求解不同回转壳体的薄膜应力，在此基础上，了解容器的失效形式和设计准则，对内压容器和外压容器进行设计；(4)压力容器零部件，了解压力容器零部件的选型和设计，如法兰，开孔，支座，安全附件等；(5)高压容器的设计，学生需了解高压容器的应用及特点，厚壁容器的应力特点及强度设计方法，同时还要掌握高压容器的密封结构形式；(6)分析设计与疲劳设计，要求学生在掌握常规设计的基础上，了解分析设计方法；(7)典型设备的强度设计计算，介绍储罐、塔设备、换热设备的结构特点，并进行强度计算。

2 雨课堂在教学过程中的应用

雨课堂是在移动互联网与大数据背景下由清华大学推出的智慧教学工具[1]。笔者在近年的使用探索过程中，发现雨课堂在知识点类的教学内容中非常适用，能够让教师实施掌握学生对知识点的学习效果，学生通过做推送的习题，自我评估查找不足。

上课前，教师开启雨课堂授课模式，软件系统会自动生成本节课程的二维码，学生通过扫码可进入班级，教师在上课前推送预习课件，学生可提前预习本节课内容；课中，讲授的每一页幻灯片会即时发送到学生手机端，不懂之处可以标出，教师能及时掌握学生的学习情况，笔者发现雨课堂最实用且最有效果的功能就是课堂习题应答系统，当知识点讲解完毕，教师可检验一下学生对该部分知识点的掌握情况，“光学不练”，学生很难对知识点有深入的理解和掌握，因此，知识点讲解结束后，可适当插入习题，单选和多选是最适宜的题型，如图1所示，学生通过手机端回答习题，并在指定时间内提交，教师在课堂上就可以获得学生答题的正确率，错误选项等详细信息(图2)，及时了解了学生在知识点上理解的偏差；课后，学生可将课件保存下来便于回顾课程内容。因此，涉及到知识点讲解的章节笔者全部采用了雨课堂习题应答系统，给学生带来了全新的体验和收获。通过雨课堂的教学，笔者明显感觉到，学生在课堂上做习题的过程中，能够提出问题和质疑。

图1 教学课件中插入的雨课堂习题

图2 学生答题的正确率、正确错误选项

3 基于问题的教学法在教学过程中的应用

基于问题的学习(Problem Based Learning)，简称PBL模式，又称作“问题式学习”，或“问题导向学习”，是以问题为基础来开展教与学的一种模式[7]。这种学习模式认为，教师教学不仅要直接着眼于学习知识，而且要着眼于学生的分析能力、解决问题的能力、交流能力和综合能力。教师应当采用积极的教学方法，使学生不但成为知识的接受者，还要成为知识的探索者、创造者。教师应尽量为学生创设基于问题化的自学情境，通过学生的自主学习、合作学习和探究学习激发学生的学习兴趣，挖掘学习潜能，达到学习目的。

申请人在《过程设备设计》教学改革的过程中，完成了多个知识点的基于问题的研究性教学的案例。教学的基本思路为：教师抛出问题——学生围绕给定问题，头脑风暴，课后调研——学生课堂上分析问题——教师点评，以此加强同学们思考和分析的过程。下面以笔者讲授绪论时抛出的问题为例介绍该教学过程。

抛出的问题：这门课程我们学什么？(这是一个不能再简单的问题，每个老师第一次课都会问到。但是笔者并没有直接对此问题做出回答，而是准备了一个生活小实验)

课上实验道具：打气筒、大气球(薄的、厚的)。课上请一名同学用打气筒给气球打气，并请学生观察并分析看到的现象。

学生讨论的主要结果：气球在逐渐变大，气球最终破裂，薄的比厚的气球破裂的快……

教师适当引导，又提出如下问题：气球为什么会逐渐膨胀？膨胀过程中材料内部发生什么变化？为什么薄的气球比厚的气球容易破裂？如果同样厚度换一个更结实，弹性更好的材料会有什么结果？怎么判断充多少压力时气球会爆裂呢？……

通过这些问题的讨论引出本课程的授课内容：(1)气球可以看做一个压力容器，器壁受气体压力时容器材料内存在应力→薄膜应力的分析；(2)为什么薄的气球比厚的气球容易破裂？如果同样厚度换一个更结实弹性更好的材料会有什么结果？→材料的影响；(3)怎么判断充多少压力时气球会爆裂呢？→容器的强度设计、设计准则等。

最终在黑板上形成如图3所示的本门课程的教学内容网络图。

图3 课程教学内容网络图

对于教师抛出的复杂的问题，如高长径比的反应器或塔器在设计中都考虑哪些因素？学生需结合课上所学，通过课后调研做出回答。授课时讲解的是塔器的结构类型及设计，那么塔器设计的相关知识能否推广到具有类似特点的反应器上呢？这个问题让第一类学生感到了挑战性，也激发了第二类学生的学习兴趣。他们结合所学的塔器的相关知识，通过课后调研，获得了如下主要结论：

(1) 塔设备是化工过程设备中的一种典型装置。狭义上的塔器主要是指用于蒸馏、提纯、吸收、精馏等化工单元操作的直立设备，一般分为板式塔和填料塔。而在工业用设备设计标准中，广义上的塔器是指具备一定高度和高径比的裙座自支撑式的立式容器。决定一个立式容器是否为塔器，并非是看容器中有无安装塔板或填料，而是看容器是否采用了裙座支撑。所以，即使是反应器、储罐或其他立式装置，也可以参照塔式容器的标准进行设计(对塔器的理解得到提升)。

(2)与腿式、支承式及其他立式容器常用的支座相比，裙座支撑可大大提高立式容器下封头与支座之间的空间，便于下封头上外伸接管的布置。此外，裙座式支撑更有利于立式容器在多种载荷条件下的稳定，便于与支座基础连接安装。

(3)相对于一般的立式容器，塔器设计需要考虑的载荷因素更多。这些因素包括：容器受到的内压或外压；介质液柱静压力；容器的自重(内里、填料等)以及正常操作条件下或实验状态下内装物料的重力载荷；附属设备如隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等重力载荷；风载荷和地震载荷。

(4)按照塔器设计方法对容器进行设计时，容器内外添加的各种附件，都会对容器受到的地震载荷、风载荷、质量载荷和偏心载荷提出更苛刻的计算需求。因此，在载荷计算时，需要选取若干计算截面(包括全部的危险截面)，依次进行校核计算，直到满足全部载荷条件为止。

(5)在选择危险截面时，需要包括：

塔裙座基础环板处裙座壳体的横截面(课上提及过)；

通过裙座开孔水平中心线的裙座壳体最小截面(课上提及过)；

裙座与塔体封头对接接头(或塔接接头)截面(课上提及过)；

不等直径塔变截面交界处塔壳横截面(学生自己关注到的)；

等直径塔变壁厚交界处塔壳横截面(学生自己关注到的)。

(6)在选择除危险截面以外的其他计算截面时，要充分考虑在地震或风作用下塔器自身的自振，将塔器进行分段。

对于不等截面塔，在计算基本振型自振周期及地震载荷时，将其视为多自由度体系。因此将塔沿高度分解为若干计算段，各段的质量可处理为作用在该段高度二分之一处的集中质量。对于高径比>5且塔高度>10 m的塔器，宜将塔分为10个等高段。

对于等截面塔，在计算风载荷时，一般将距地面高度10 m以下作为第一计算段，其他的计算段一般取每段小于或等于10 m。

4 结 语

本文探索了将多元化教学手段融入《过程设备设计》教学过程的可行性，并以雨课堂和基于问题的教学方法两种方法为例，详细阐述了其在课堂上的实施过程。雨课堂适用于知识点丰富的章节，利于教师实时掌握学生的学习效果。基于问题的教学方法能将记忆和被动学习转为分析讨论、综合概括、质疑发现的主动式学习训练，其中还用到了学生感兴趣的信息检索、网络学习等方式，符合以学生为中心的OBE教学理念，有效提高了教学效果。