1. 引言
流体机械作为过程工业中用于提升流体压力和输送流体的关键设备，被誉为“工业心脏”。《过程流体机械》是我校过程装备与控制工程专业的一门核心课程，该课程主要研究在流体机械领域广泛使用的活塞式压缩机、离心式压缩机以及泵等多种设备，深入探讨流体机械的构造类型、操作原理以及运行性能[1] [2]。课程的目标在于使学生理解流体机械的分类及其发展趋势；掌握典型流体机械的操作原理、性能特征以及选型原则；并能清晰地了解与机器安全可靠性相关的专业知识。过程流体机械课程知识点众多，内容广泛，且课程具有显著的应用性和实践性[3] [4]。在过往的教学实践中发现：由于学生接触压缩机和泵的机会较少，他们对机器的具体组成、各部件的组装形式难以有直观的认识，对机器的运行特性等方面的理解也停留在理论，导致课程内容显得抽象，不易掌握。特别是在跨学科内容和知识应用方面，学生不能将知识点融会贯通，难以将理论知识应用于工程实践。
基于此，为了加深学生对过程流体机械结构的认识，对机器运行性能的掌握，提升他们的工程操作能力和将理论与实际相结合的能力，开展过程流体机械课程的实验教学显得尤为重要。传统的过程流体机械实验教学方法主要依赖于讲授式教学。在这种模式下，教师在实验开始前详细阐述实验的目的、设备使用以及步骤流程，而学生则主要通过听讲和笔记来吸收知识。这种方法确保了学生在实验前对相关知识有所了解，但学生往往处于被动接受的地位。教师还会在学生进行实验操作之前，亲自演示操作流程，涵盖设备启动、参数调节、数据测量和记录等环节。学生通过观察学习操作技巧，但实际动手的机会相对较少。这种传统的实验教学方式导致学生缺乏主动性，实验过程中自主性不足，以及在发现和解决问题方面的能力培养不够。此外，实践与理论知识的结合也不够紧密。本文从过程流体机械的实验教学内容、实验教学过程、教学方法以及考核方式等几方面入手，探索过程流体机械实验环节的教学，旨在从实践与理论两方面助力学生对过程流体机械知识的理解，提升学生的实践能力，并为我校专业核心课程的实践能力提升和应用型人才培养提供借鉴。
2. 实验教学内容与要求
过程流体机械实验教学内容紧密贴合专业培养目标，与《过程流体机械》理论课程相辅相成，旨在培养学生对过程流体机械知识的深入理解，并提升学生实践能力和应用理论知识解决实际问题的能力。将过程流体机械实验教学内容与要求模块化列于表1。
过程流体机械实验的教学内容涵盖了往复压缩机性能实验、离心泵性能及气蚀实验、过程流体机械拆装实验等几个主要环节。其中，往复式压缩机性能实验通过学习测定活塞式压缩机排气量的基本方法，了解活塞压缩机的工作性能。通过测绘压缩机示功图，掌握压缩机实际循环指示功的变化规律，并根据示功图分析压缩机运转情况。往复式压缩机的示功图描述了压缩机在单个工作循环中气缸内气体压力与活塞位移之间的关系，直观提供了压缩机运行状态。学生通过分析示功图上的面积，可以计算出压缩机在一个循环中所做的功，进而评估其效率。借助示功图分析压缩机内部的摩擦损失、泄漏问题以及气阀的性能，从而达到深入理解压缩机维护和性能知识的目的。
Table 1. Experimental teaching content and requirements
表1. 实验教学内容与要求
序号 |
实验项目 |
实验内容 |
实验要求 |
1 |
往复式压缩机性能实验 |
排气量与排气压力测定 |
1) 理解压缩机的工作性能与原理 2) 掌握排气量与排气压力的测定方法 |
示功图测试 |
3) 理解示功图的基本知识 4) 能根据示功图分析压缩机的运转情况 |
2 |
离心泵性能及气蚀实验 |
离心泵的性能 |
1) 了解离心泵的结构与特性 2) 熟悉离心泵的工作方式和操作流程 3) 掌握离心泵特性曲线的测定技巧 4) 绘制泵的工作曲线 5) 增进对离心泵并、串联运行工况及其特点的感性认识 |
离心泵的气蚀 |
1) 理解离心泵气蚀的概念 2) 识别离心泵的气蚀工况 3) 绘制气蚀曲线 4) 掌握离心泵气蚀的控制技术 |
3 |
过程流体机械拆装实验 |
往复式压缩机、离心泵和旋涡泵的拆装实验 |
1) 熟悉流体机械的基本组成 2) 制定拆装方案 3) 完成机器的拆装 4) 培养工程思维，理解机器核心部件与运行性能的关系，提升参与实践的兴趣 5) 理解并自觉遵守工程职业道德和规范 6) 团队合作完成机器总装图和零部件图的绘制 7) 运用多学科背景知识分析结构、拆装等对机器综合性能和安全的影响 |
离心泵的扬程–流量曲线、功率–流量曲线、效率–流量曲线共同构成了泵性能的多维解读。工程中通过泵的性能曲线，选择满足特定需求的泵，确保泵的高效、可靠运行。离心泵气蚀是液体在泵内部流动时，由于压力降低至液体的饱和蒸汽压以下，导致液体发生汽化形成气泡对泵造成侵蚀和破坏的现象。在离心泵中，气蚀不仅会降低泵的效率，还会引起泵体振动、噪音增大，甚至导致泵的机械损伤。实际操作中常通过实验确定泵的必需汽蚀余量(NPSHr)，并与系统设计的有效汽蚀余量(NPSHa)进行比较，确保泵在安全工况下运行。离心泵性能及气蚀实验中，学生熟悉离心泵的工作方式和基本操作。通过测定恒定转速条件下的扬程(H)、轴功率(N)以及效率(η)与泵的流量(Q)之间的关系，绘制泵特性曲线。通过改变泵的工作条件，如流量、入口压力等，观察气蚀发生的临界点，测量泵在不同流量和压力条件下的气蚀性能，绘制气蚀曲线，确定泵的最佳工作区间。从而深入理解影响离心泵气蚀的因素，以便进一步掌握离心泵气蚀的控制技术。
过程流体机械拆装实验中，选取典型的往复式压缩机、单级单吸离心泵和旋涡泵作为实验对象，机器型号信息见表2。学生以小组形式参与，对这些机械进行拆卸、组装、结构辨识、性能分析，并绘制结构及装配图。通过动手操作，学生们能够直观地理解过程流体机械的构造、部件间的装配关系以及机器结构与性能之间的相互作用。此外，通过拆装实践，学生们能够掌握各部件的制造工艺，提高机器拆装技能，加强实际动手能力，并能够运用理论知识解决实际问题。在这一过程中，学生们还将学习并遵守工程职业道德和规范，培养对实践的尊重以及团队合作的精神[5]。
Table 2. Machines for process fluid machinery disassembly and assembly experiment
表2. 过程流体机械拆装实验机器型号
机器类型 |
机器型号 |
往复式压缩机 |
V0.12/8 |
V0.6/8 |
W0.36/8 |
W0.9/8 |
离心泵 |
IS65-50-125 |
IS50-32-125 |
旋涡泵 |
40W-90 |
25W-25 |
3. 实验教学实施过程
3.1. 实验指导书的编撰
教师需精心制定实验大纲，明确过程流体机械实验的培养目标，将实践环节所需理论知识融入操作过程中进行阐述，阐释实践环节的基本理念和操作规范，确保理论与实践的紧密融合；同时，教师应拟定实验思考题，引导学生在解决问题的过程中完成各项实验。
3.2. 实验教学方法
3.2.1. 课前专题强化
为加强学生对过程流体机械理论知识的掌握，并提升其对实验内容的理解，课程安排两次课前专题强化训练。这些训练以线上方式进行，包括观看相关理论视频和参与结构部件的讨论、完成评估等方式。所涉及的视频和讨论内容涵盖过程流体机械的结构组成、工作原理、运行特性等方面，同时亦包括拆装工具的使用方法、制图基础知识以及相关标准规范。课前专题强化，旨在将学生学习的理论知识与即将进行的实践环节相结合，增强学生将理论知识应用于实际操作的能力，实现理论与实践的有效对接[6]。
3.2.2. 采用多种教学方式，整合教学资源，优化实践课程
教师在授课过程中运用多种教学方法。首先，通过多媒体教学课件，将泵和压缩机的工作原理及结构特点以图文并茂的形式呈现给学生，其中包括工程图、三维图以及相关视频资料，借助多媒体教学系统，向学生展示流体机械的组成结构。其次，利用典型机器的图片和工作状态视频，使学生能够直观地理解机器的工作原理。再者，教师录制机器拆装过程的视频以及拆装工具使用方法的短片，以便学生对实验对象有更清晰和深入的了解。此外，实验中强调以学生动手实践为主，教师结合启发式和引导式教学方法，旨在提升学生自主分析和解决问题的能力，以及实际操作技能。实验时，学生以小组形式参与，加强了团队合作和分工协作的能力的培养。通过实践操作，学生不仅理解并遵守工程职业道德和规范，还培养了对实践的尊重和追求卓越的工作态度。学生在课程中不断思考和应用之前学习的专业理论知识和技能，从而提高综合运用专业知识的能力。通过过程流体机械实验，学生体验到工程实践活动对经济、社会、安全等方面的影响，进而增强了认识社会、服务社会的意识和能力。最后，教师综合运用线上和线下平台的便捷性和时效性，合理安排教学内容，以优化课程效果。课程在线资源的建设情况如表3。
Table 3. Online resource construction of the course
表3. 课程在线资源建设
序号 |
资源类型 |
资源内容的描述 |
1 |
在线视频 |
实验中对应的重难点理论知识(如往复式压缩机与离心泵的性能、结构等) 常规拆装工具的使用 典型流体机械装置的拆装步骤 |
2 |
实验课程ppt |
与在线视频的知识相对应 |
3 |
测试 |
实验相关知识点的测验(如离心泵的性能曲线、离心泵的气蚀、往复式压缩机的示功图、离心泵和压缩机的组成部件等) |
4 |
讨论 |
过程流体机械的拆装方案、离心泵气蚀的控制措施、流体机械综合性能的影响 |
5 |
拓展内容 |
知识点的链接网址、电子参考资料等 |
3.2.3. 设置开放性探讨
为深化学生对实验流程及设备运行特性的认识与理解，并激发其兴趣与创新精神，课程设置了开放性探讨环节。例如，在离心泵性能及气蚀实验时，学生需识别离心泵的运行状态，结合实验条件和操作性，探讨提升离心泵抗气蚀性能的有效策略。同时，学生将探讨如何根据实际工况调整泵的运行参数，以增强系统的稳定性和运行效率。再者，针对现行实验设备，学生探讨离心泵的串联与并联操作在离心泵运行工况调节中的作用，理解离心泵串并联后性能曲线的变化，从而加深对理论知识的掌握。在泵性能曲线分析方面，学生不仅能够理解理论知识，还能通过实际数据的分析，掌握如何根据曲线合理选择离心泵。
3.2.4. 跨学科跨课程融合
在流体机械拆装实验中，通过绘制流体机械零部件的三维图和流体机械爆炸图，学生能够掌握关键基础零件的绘制，理解内部零件的构成与装配关系。在绘图过程中熟悉绘图规范，体会机械零部件的加工和制造。此外，三维绘图还可与数字建模等其他相关课程融合，锻炼学生建模软件的学习。并在后续毕业设计等相关环节中进一步将所绘制的模型导入相应的计算软件中，以模拟流体在其中的运动特征和规律，使多课程多学科之间建立联系。
又如，在离心泵性能实验中，学生获取离心泵的性能曲线，在拆装实验中，绘制离心泵各部件的三维图，后续可设计不同的叶轮形状或改变流道结构，通过仿真和实验验证其对流体流动效率的影响。通过这种跨学科跨课程融合的方式，学生不仅能够将理论知识与实际操作相结合，而且能够通过实验，深入理解流体动力学原理和机械设计的复杂性。另外，今后还可以依据跨学科跨课程融合的方式，设计更具挑战性和开放性的实验项目。
3.3. 实验评价与效果
实验教学评估体系的建立与实施是确保教学质量与学生学习效果的关键环节。过程流体机械实验评估体系综合运用定量与定性分析相结合的方式，以确保评估结果的全面性和准确性。
在定量分析方面，通过设计线上测评、讨论和开放式讨论等形式，收集学生对理论知识掌握程度的数据。同时，通过实验室实践操作、实验数据分析、图纸及三维部件绘制的评估，衡量学生的实践技能与问题解决能力。定性分析方面，通过定期收集和分析学生的反馈信息和问卷，教学团队能够及时了解教学方法和内容的有效性，从而对教学策略进行调整和优化。
经过三轮过程流体机械实验环节的教学实践，师生双方均认为效果显著。过程流体机械实验出勤率提高，学生实践积极性和自觉性增强。根据2024年的课程授课情况，该课程的学生总数为58人，课程的平均准时签到率达87%。线上讨论话题的平均回复次数为52.67次/话题。以线上课程调查问卷为例，问卷中包含了10个问题，涉及“对流体机械组成和结构的掌握情况”、“流体机械性能、安全运行及安装情况”、“动手能力和团队协作能力的提升”以及课程考核内容和方式等。本次问卷调查以线上无记名方式面向全班58名学生进行，共收集到有效问卷54份。从回收的问卷结果来看，在“对流体机械组成和结构掌握情况”的问题中，“非常好”有36人，占比66.6%，“好”有15人，占比27.8%，“一般”有3人，占比5.6%。在“流体机械性能、安全运行以及安装情况”的问题中，“非常了解”有32人，占比59.2%，“了解”有21人，占比38.9%，“一般”有1人，占比1.9%。而在“动手能力和团队协作能力提升”的问题中，“非常好”有37人，占比68.5%，“好”有16人，占比29.6%，“一般”有1人，占比1.9%。这表明，除了知识和能力的锻炼外，学生们在动手能力和团队协作能力的提升方面也表现出了较高的认同感。学生能以小组形式，独立完成实验，尤其是在流体机械的拆装实验中，如压缩机曲轴箱内的油、泵内及其悬架体内润滑室的油需要放空、擦洗，以及压缩机机盖、活塞、曲轴等重部件的拆装均需要较强的动手能力和合作能力。实训报告中涉及不同零部件的绘制，小组成员间也需要明确分工。许多高质量实训报告均反映了学生的沟通和团队协助能力，也体现了精益求精的工作态度。另外，从后续毕业设计等其他课程反馈来看，学生对过程流体机械的课程内容的理解有明显提升。
4. 结语
实践技能和工程操作能力是培育具备“应用导向、技术创新”特质应用型人才的关键路径。拓展实验教学内容，探索新的实验教学模式，采用多样化的教学方法，整合实验教学资源，并结合线上线下的优势，设置开放性实验探讨环节、探索跨学科跨课程的融合教学模式，这都是提升实验教学质量的有效途径。同时，这些做法也为增进学生的实践操作能力、理论与实际相结合的能力等方面打下了坚实的基础。
基金项目
上海应用技术大学校级课程建设项目(过程流体机械拆装实验10110M240109-A22)；上海应用技术大学示范课程建设(理论力学1021ZK240011003071-A22)。