《化工設備機械基礎》編寫后的幾點認識

吉　華　陳　志　伍云濤　鐘月華

（四川大學化學工程學院　四川成都　610056）

化工裝備是為化工工藝過程服務的，是實現化工生產的生產工具。化工設備機械基礎是化工工藝類專業及其相近專業的專業基礎課，目的讓化工工藝類學生獲得必要的機械設備知識。在編寫和改編化工設備機械基礎教材的過程中，清晰和提高了對教學目的、教學內容和教學方法的認識。

1　教學環境

化工設備機械基礎是化工工藝類專業必修的專業基礎課，也是工藝類專業學生所學的唯一講述機械設備的課程。和本課程有關聯性的課程為化工制圖、大學物理、初高中物理，直接相關的課程沒有，而且也沒有后續課程。所以學生具有如下特點：相關基礎知識薄弱；雖然學過化工制圖，但學生普遍空間想象能力和對機械視圖的理解力較弱；工程思維習慣有差異，化工設備機械基礎設計基本邏輯是失效+計算準則。

化工設備機械基礎內容十分豐富，包括靜力學、材料力學、工程材料、化工機器、化工容器、化工設備等內容。以前各院校本課程理論教學授課時數大都在90～130學時之間^［1］，我校曾經在150學時以上。一方面科學技術的發展豐富了課堂教學內容；另一方面寬基礎、窄專業的要求，使得專業基礎課程課時壓縮。目前我校的化工設備機械基礎課程是化工工藝專業必修課，在第五學期開設，48學時。

2　教學目的思考

學時少，內容多，學生相關基礎弱。在這樣的條件下，達到什么樣的教學目的，是保證和提高教學質量，培養合格的畢業生需要解決的首要問題。

通過48學時的教學，使得學生能夠進行化工壓力容器、設備的設計，典型化工機器的設計或選擇是不現實的；同時對化工工藝類的學生而言，也沒有必要，他們在以后的工作中一般不會進行相關的設計，相關的工作一般由過控專業完成。所以教學的目的應該是：

（1）具備和裝備工程師進行交流的能力，能夠準確的將工藝要求表達給裝備工程師，能夠準確理解裝備工程所表達的意圖；

（2）具備繼續學習的基礎，如果在工作中對機器設備知識有進一步需求，學生可以進行自學；

（3）對設備設計有所了解，幫助提升學生工藝設計的能力，如在工藝設計過程中可以判斷某工藝能否用機器設備實現。

3　《化工設備機械基礎》主要教學內容

我校化工設備機械基礎課程采用自編教材^［2］，基于對教學目的的理解，主要教學內容如下。

（1）靜力學，在大學物理和大學前的物理課程中學習了相關基礎知識，需要的深化和針對專業具體化。

（2）材料力學，拉伸、剪切與擠壓、扭轉（包含扭轉角）、彎曲（不含剛度部分）、復雜應力和強度理論。

（3）工程材料，主要包含材料性能和主要材料及牌號介紹。

（4）壓力容器，拉普拉斯方程的推導及其應用，中低壓容器的設計，外壓容器理論簡介（講理論出處和邏輯，不做詳細講解），外壓容器的設計。

（5）容器零部件，類型和選擇。

（6）化工設備，換熱器，塔設備，釜等（不講）。

（7）化工機器，一般3個學時，以圖片方式介紹主要類型和作用。

從教學內容上看，材料力學部分和中低壓容器的理論與設計是課程的重點內容。材料力學部分樹立材料起力學理論的基本概念，建立過程裝備的基礎知識，為課程的后繼學習，以后的自學，以及和裝備工程師的交流打下堅實的基礎。中低壓容器部分一方面是材料力學理論在過程裝備的延續和應用；另一方面也需要掌握中低壓容器設計的基本流程和相關的工程概念，以達到前面所述的教學目的。

化工設備部分，化工專業的學生在化工原理課程中有所接觸。本課程中不可能花很多的時間，也就不可能講解比化工原理更深入的內容，所以放棄。

化工機器部分雖然也很重要，但是由于內容專業性過強，要把這些章節在48個學時里給化工專業的同學闡述清楚，是很困難的，而且對化工的同學，更為重要的是知道有這些機器，這些機器大致有什么作用。如果完全放棄，從知識框架上而言，有缺陷，不利于學生建立健全的化工裝備知識構架，所以以圖片方式介紹主要類型和作用。

4　教學的體會

4.1　講清本課程在化工課程體系的作用

積極性被調動起來的學生容易教。學生對課程性質認識不清，認為化工設備機械基礎不是核心的課程，認為機器設備知識離他們很遠，將影響到學生的學習積極性，所以一定要講清楚化工設備機械基礎課程在化工專業課程中的重要作用，而且也是唯一的課程。同時在平時的授課中，在合適的地方將機器設備和工藝聯系起來，讓學生感受到機器設備在工藝中的存在。

4.2　板書和多媒體共用

靜力學和材料力學的理論部分宜采用板書的模式。首先，這兩部分知識要點突出，板書內容少，清晰的板書有利學生對知識要點的掌握；第二，這兩部分知識多屬于抽象的理論，需要繪制的圖形也多為示意圖，也適合在黑板上表現；第三，由于理論抽象，公式多，公式的推導過程簡明，板書模式更適于學生的理解速度和思維模式。

工程材料和容器零件部分內容繁雜，理論較少，特別適合用多媒體表現。壓力容器部分雖然也是理論公式多，但是推導過程復雜，而且對于化工工藝的學生而言，推導過程不需要掌握，推導結果（也就是設計公式），也只是要求少量記憶（如內壓筒體公式），強調的是前提條件，推導思路和推導結果；壓力容器工業中大量應用，也需要一些工程圖片來豐富；所以也采用多媒體。

專業實驗一直都是驗證理論教學，增強工程實感，鞏固理論知識的有力工具。由于課時的限制，化工設備機械基礎課程不可能進行專業實驗，所以以實物（特殊工程材料實物、壓力爆破后的試件），視頻（拉伸試驗、外壓失穩等），以及圖片的方式讓學生了解專業實驗。

在教學的過程中，發現學生對實物很感興趣，如壓力爆破后的試件，可以讓學生深刻地感受到鋼材的許用應力到底有多么強大，幾個毫米的試件都可以承受幾百米的水柱壓力；而且仔細觀察，還可以發現斷面有一定的角度，和45°方向上切應力最大有關；還可以印證周向應力和經向應力的二倍關系，因為斷口平行于軸向。在講解拉伸實驗時，也可以將鑄鐵和低碳鋼的試樣帶至課堂，讓學生傳閱，然后分析。工程材料的實物，學生也很感興趣，如介紹橡膠的彈性和抗撕裂性能，讓同學用盡全身力氣也不能撕開ф10的O形圈，可以讓學生記憶深刻，而且O形圈容易獲得。

通過多年的教學實踐，發現板書和多媒體相結合，根據不同的內容確定教學的模式，可以有效地發揮二者的優勢，兼顧學生的理解能力和教學效率，提高教學質量。單獨采用多媒體教學，學生會出現對概念和基本公式的理解不深，掌握不牢的情況。

4.3.注意體系框架

知識體系框架是主干，對于學習、思考、應用都有大作用，對學生以后的自學也大有好處。化工設備機械基礎課程是靜力學、材料力學、壓力容器與化工設備、化工機器等多門課的融合，這增加了教師上課的難度，也帶來了構建過程裝備知識體系框架的便利。

不僅要重視一個章節內部的體系框架、邏輯關系，還要重視知識單元內的體系框架、邏輯關系，更要重視不同知識單元之間的邏輯關系，使得整個課程成為一個有機的整體，有利于學生融會貫通，知識鞏固，還能節約教學時間。在化工設備機械基礎課程中，有可能、也應該將知識體系框架表現出來。

圖1所示為“直桿的軸向拉伸與壓縮”章節的知識構架，實際上，這也是材料力學里扭轉、彎曲的基本知識框架結構，貫穿了材料力學的整個學習。化工設備機械基礎課程中的材料力學主線就是強度和剛度，穩定性問題在后面的外壓容器失穩才會涉及。直桿軸向拉伸、扭轉和彎曲中的強度相關思路，都是從外力到內力，再到應力，最后和許用應力進行比較。在內力求解時，直桿軸向拉伸、扭轉和彎曲都采用了截面法，通過內力求解應力的公式從形式上都是內力除以幾何結構相關的參數A、W_n和W_x等，最后都是和材料的許用應力進行判斷。剛度的邏輯思路也大抵如此。

中低壓壓力容器基礎理論是材料力學的延伸，如拉普拉斯方程的推導過程首先涉及靜力學中的力的分解，然后涉及應力的定義和截面法，還涉及二向應力的定義與應用。

在中低壓容器設計部分，知識基本構架是設計的流程和在流程中的參數選擇，所以選擇一個典型的容器設計例題，在講清基本流程的同時，清楚的注明在哪一頁選擇哪一個參數有助于學生的對流程和參數選擇的掌握。

4.4　清晰深刻的概念

如前面分析，由于客觀條件的限制，化工設備機械基礎課程的教學目的要求基本概念的清晰和深刻，幫助學生打好化工裝備知識的基本基礎，有助于自學和交流。和過控學生相比，由于課時的限制和要求的不一樣，清晰的基本概念比知識的可應用更為重要。如內力、應力的這些概念在學生時代沒有建立起來，以后是不容易建立和深刻理解的。在圖1中，也強調了內力與外力的區別，應力應變等概念。在和企事業化工技術工作者的交流中，也發現能夠正確應用基本概念分析和闡述問題就是他們對裝備類知識最基本和最在意的需求。

4.5　容易理解的例子

由于教學對象對化工裝備的了解不多，應該合理使用工程實例，在舉例時應該充分考慮到學生的專業知識背景。工程實例往往需要一定的工業背景知識，解釋清楚費時，應用不當沖淡主題，過于復雜的例子，學生不易理解，有時候反而不利于形象化和鞏固理論知識。和學生生活相關或者學生能夠理解的近工業實例也可使用，如二力桿就不宜講解壓縮機中的連桿，隨處可見的架線鐵塔更為合適。

5　總結

通過對化工設備機械基礎課程的教學環境和教學對象的分析，找到了切實可行的教學目的。基于教學目的，分析了教學內容的取舍和主次，還總結了我們在教學的過程中的一些經驗和教訓。這些對教學目的、內容和方法的認識在教材的編寫過程中得到了清晰化，同時也在我們的教學過程中不斷的實踐和豐富。

參考文獻

［1］　陳連，王元文.化工設備機械基礎教學改革的若干嘗試與實踐［J］.化工高等教育，2007，24（1）：19-21.

［2］　潘永亮，吉華，陳志.化工設備機械基礎（第三版）［M］.北京：科學出版社，2014.

［3］　張學勤，肖美添，劉勇軍.非化工機械專業化工設備機械基礎教學體會［J］.南昌教育學院學報，2014（1）：83-85.