《葉輪機(jī)原理與設(shè)計(jì)》教學(xué)改革的探索

王志強(qiáng)

【摘要】《葉輪機(jī)原理與設(shè)計(jì)》作為飛行器動(dòng)力工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，以工程熱力學(xué)、流體力學(xué)為基礎(chǔ)，牽涉到航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理、燃?xì)廨啓C(jī)原理、航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造等課程內(nèi)容，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理和設(shè)計(jì)等課程的前修課程。由于本課程涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，課堂時(shí)間又相對(duì)有限，如何在有限的時(shí)間里能讓學(xué)生盡量多的掌握本課程的主要內(nèi)容，這就需要合理地安排教學(xué)內(nèi)容，靈活地采用先進(jìn)的教學(xué)方法。

【關(guān)鍵詞】葉輪機(jī) 教學(xué)改革 探索

【中圖分類號(hào)】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2013）04-0071-02

葉輪機(jī)械主要包括燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、風(fēng)力機(jī)、通風(fēng)機(jī)以及水輪機(jī)等，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)尤其是整個(gè)重工業(yè)體系中占有十分重要的地位。葉輪機(jī)械在工業(yè)中的應(yīng)用非常廣，比如蒸汽輪機(jī)在發(fā)電廠廣泛應(yīng)用，通風(fēng)機(jī)是礦井和隧道的必備設(shè)備，其中燃?xì)廨啓C(jī)已廣泛用來(lái)作為航空、電站、艦船、導(dǎo)彈、坦克、重載機(jī)車等高端領(lǐng)域的核心動(dòng)力以及冶金、勘探、化工、土木等一般工業(yè)領(lǐng)域的主要或輔助動(dòng)力。葉輪機(jī)械在我們的日常生活中也隨處可見(jiàn)，比如夏天人們常用的電風(fēng)扇，空調(diào)中的壓縮機(jī)，電腦中的冷卻風(fēng)扇，汽車中的渦輪增壓器等，這些都屬于葉輪機(jī)械。因此如何進(jìn)行教學(xué)改革、提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效率是當(dāng)務(wù)之急。

一、教材整合、突出重點(diǎn)

《葉輪機(jī)原理與設(shè)計(jì)》這門課程主要講授軸流壓氣機(jī)和渦輪的工作原理、特性和設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)等，其包括的內(nèi)容非常豐富，主要有：軸流壓氣機(jī)工作原理和工作過(guò)程，壓氣機(jī)基元級(jí)的工作原理和工作過(guò)程，平面葉柵的概念、流動(dòng)過(guò)程和特性以及設(shè)計(jì)原理和方法，軸流壓氣機(jī)級(jí)和多級(jí)的工作特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，軸流壓氣機(jī)的特性；渦輪工作原理和工作過(guò)程，渦輪基元級(jí)的工作原理和工作過(guò)程，平面葉柵的概念、流動(dòng)過(guò)程和特性以及設(shè)計(jì)原理和方法，渦輪級(jí)和多級(jí)的工作特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，渦輪的特性等。由此可見(jiàn)，要在40課時(shí)內(nèi)有效完成這些課程內(nèi)容，對(duì)教與學(xué)都是極大的挑戰(zhàn)。通過(guò)對(duì)課程內(nèi)容和課程特點(diǎn)的深入研究，并結(jié)合老教師多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，梳理出了本課程內(nèi)容的“重點(diǎn)”與“一般”，從而明確了課堂講授內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)。

本課程學(xué)習(xí)的兩大部分內(nèi)容分別是軸流壓氣機(jī)和渦輪，雖然壓氣機(jī)和渦輪的工作原理不同，但是分析兩者的工作過(guò)程和流動(dòng)特點(diǎn)所采用的基本方法是一致的，相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)也是相通的。從兩部分內(nèi)容的對(duì)比來(lái)看，渦輪部分的內(nèi)容相對(duì)比較簡(jiǎn)單，另外壓氣機(jī)部分的內(nèi)容涉及的內(nèi)容更廣，所以軸流壓氣機(jī)部分的內(nèi)容是本課程的重點(diǎn)。在軸流壓氣機(jī)部分又包括了以下的內(nèi)容：基本方程和熱力學(xué)圖示、基元級(jí)的工作原理、壓氣機(jī)中的三維流計(jì)算概述、徑向平衡方程、等環(huán)量/等反力度/通用分布規(guī)律、級(jí)的流動(dòng)損失、多級(jí)軸流壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)概要、壓氣機(jī)的特性與調(diào)節(jié)等等。由于本課程是本科學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，所講授的內(nèi)容一定要控制在學(xué)生能接受的范圍內(nèi)，所以一些基本的方程和方法必然是講授的重點(diǎn)，也是考核的重點(diǎn)；而相對(duì)復(fù)雜的一些內(nèi)容如三維流計(jì)算、多級(jí)軸流壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)、壓氣機(jī)的特性與調(diào)節(jié)等方面的內(nèi)容只需做一定地介紹，讓學(xué)生有所了解即可。

二、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、理論聯(lián)系實(shí)際

由于本課程是工科學(xué)生的專業(yè)課程，工程應(yīng)用性較強(qiáng)，為了使得學(xué)生能很好地掌握所學(xué)的知識(shí)，并能靈活地運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解決工程實(shí)際中的問(wèn)題，就一定要讓學(xué)生在實(shí)踐中理解課堂上老師所講的知識(shí)，并掌握運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力?；谝陨峡紤]，作者所在的課程組在講授本課程時(shí)，引入了任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，來(lái)提高課堂教學(xué)的效率。

基于構(gòu)建主義理論發(fā)展的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)方法[1]是一種理想的實(shí)踐教學(xué)方法，特別適用于注重實(shí)踐能力培養(yǎng)的工科專業(yè)課程。所謂“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法就是指以學(xué)生為中心、以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)力的教學(xué)方式。具體來(lái)說(shuō)就是教師根據(jù)當(dāng)前教學(xué)主題設(shè)計(jì)并提出“任務(wù)”，針對(duì)提出的任務(wù)，采取演示或講解等方式，給出完成任務(wù)的思路、方法、操作提示及結(jié)果，然后引導(dǎo)學(xué)生邊學(xué)邊練，并完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)[2]。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法符合探究式教學(xué)模式，適用于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力[3]。任務(wù)是課堂教學(xué)的導(dǎo)火線，是問(wèn)題提出的表現(xiàn)。通過(guò)創(chuàng)設(shè)的問(wèn)題情境，把所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容巧妙地隱含在一個(gè)個(gè)任務(wù)主題中，使學(xué)生通過(guò)完成任務(wù)達(dá)到掌握所學(xué)知識(shí)的目的[4]。

根據(jù)實(shí)際講授的內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)，本課程采用了兩種層次的任務(wù)來(lái)驅(qū)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，分別是針對(duì)單一知識(shí)點(diǎn)的簡(jiǎn)單任務(wù)和將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)糅合在一起的綜合任務(wù)。

所謂簡(jiǎn)單任務(wù)，即為完成一定數(shù)量的課后作業(yè)，以及查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料等。因?yàn)檫@門課程的內(nèi)容非常豐富，但是課堂時(shí)間又是有限的，教師不可能把每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都講得非常清楚，因此，可以在每堂課后讓學(xué)生完成一定量的簡(jiǎn)單任務(wù)，幫助學(xué)生迅速地理解相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，并掌握利用這些知識(shí)點(diǎn)解決具體問(wèn)題的方法，從而達(dá)到提高學(xué)生實(shí)踐能力的目的。

另一方面，因?yàn)楸菊n程的知識(shí)點(diǎn)較多，學(xué)生即使把每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都掌握了，也未必能在實(shí)際情況中靈活地運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，這該怎么辦呢？所謂“實(shí)踐出真知”就給我們指明了方向，只有讓學(xué)生在實(shí)踐中運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，他們才會(huì)真正地掌握這些知識(shí)。為此本課程組的老師為學(xué)生設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合任務(wù)，該任務(wù)主要內(nèi)容是在保證某臺(tái)九級(jí)壓氣機(jī)相應(yīng)性能參數(shù)不變的情況下，在其前面增加“零級(jí)”壓氣機(jī)（見(jiàn)圖1），達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的目的。該任務(wù)比較接近工程實(shí)際，看似簡(jiǎn)單，實(shí)則其包含的內(nèi)容很豐富，幾乎囊括了壓氣機(jī)部分的所有知識(shí)點(diǎn)，如相似準(zhǔn)則、多級(jí)壓氣機(jī)的壓比和效率的計(jì)算方法、速度三角形以及壓氣機(jī)設(shè)計(jì)流程與方法等。在講授完壓氣機(jī)部分的內(nèi)容后，讓學(xué)生完成這樣一個(gè)比較接近工程實(shí)際的綜合任務(wù)，可以使得將之前所學(xué)的各個(gè)看似獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)串起來(lái)，形成一條完整的知識(shí)鏈，從而真正地掌握所學(xué)的知識(shí)，并能在今后的工程實(shí)際中靈活地運(yùn)用這些知識(shí)，解決更為復(fù)雜的工程問(wèn)題。

另外，由于該綜合任務(wù)涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，難度相對(duì)較大，所以允許3～4個(gè)學(xué)生組成一個(gè)小組共同完成這個(gè)任務(wù)。所以通過(guò)該綜合任務(wù)的實(shí)施，不僅可以讓學(xué)生盡快熟悉和掌握相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，還可以提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，真正體現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的教學(xué)宗旨。

三、實(shí)驗(yàn)演示、加深理解

由于本課程工程應(yīng)用背景較強(qiáng)，只通過(guò)課堂上抽象地講解，很難讓學(xué)生真正了解所學(xué)對(duì)象的特點(diǎn)，也很難體會(huì)學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，本課程的教學(xué)過(guò)程要引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

該教學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是低速軸流壓氣機(jī)性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院的雙級(jí)低速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)（圖2）上開展。該雙級(jí)低速壓氣機(jī)的外徑為900mm，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為1500rpm，壓氣機(jī)由一臺(tái)200KW的直流電機(jī)帶動(dòng)，壓氣機(jī)的進(jìn)口流量調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓氣機(jī)下游管道中的電動(dòng)蝶形閥門實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)驗(yàn)開始前，要讓學(xué)生做好充分地預(yù)習(xí)工作，明確實(shí)驗(yàn)的目的和任務(wù)，了解實(shí)驗(yàn)的基本過(guò)程，教師還應(yīng)向?qū)W生詳細(xì)介紹試驗(yàn)臺(tái)的組成、各部件的功能和作用，并介紹實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所需測(cè)量的參數(shù)以及這些參數(shù)的基本測(cè)量方法，讓學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有一個(gè)清晰地認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整閥門開度，緩慢調(diào)節(jié)壓氣機(jī)進(jìn)口流量，在每個(gè)流量狀態(tài)下，測(cè)量并記錄壓氣機(jī)的進(jìn)口的壁面靜壓、進(jìn)出口總壓、以及壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)。指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)這些參數(shù)計(jì)算出壓氣機(jī)的流量、壓比和效率，從而獲得壓氣機(jī)性能曲線。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)壓氣機(jī)進(jìn)出口的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)，當(dāng)進(jìn)口流量減小到某個(gè)狀態(tài)時(shí)，壓氣機(jī)會(huì)進(jìn)入失速狀態(tài)，此時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)出口的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)會(huì)表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性，壓氣機(jī)的噪聲也會(huì)和正常工作時(shí)明顯不同。通過(guò)讓學(xué)生觀察動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)和噪聲的變化，可以讓學(xué)生壓氣機(jī)的失穩(wěn)過(guò)程有更直觀的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)該教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展，可以在較短的時(shí)間內(nèi)，使學(xué)生對(duì)壓氣機(jī)的工作過(guò)程有更直觀、更全面的認(rèn)識(shí)，對(duì)壓氣機(jī)的性能測(cè)量方法和過(guò)程以及壓氣機(jī)的失穩(wěn)過(guò)程有更加深刻的認(rèn)識(shí)，從而達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

四、結(jié)束語(yǔ)

專業(yè)課程教學(xué)過(guò)程中，完善的教學(xué)內(nèi)容固然重要，但合理優(yōu)化的教學(xué)方法更加重要。工科教學(xué)工作必須將理論教學(xué)、學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用實(shí)踐相結(jié)合。在教學(xué)過(guò)程中，教師必須深入剖析教書育人規(guī)律，扎扎實(shí)實(shí)地研究教學(xué)方法，并在實(shí)踐中借鑒、消化并創(chuàng)新，不斷摸索教學(xué)規(guī)律，才能不斷提高講學(xué)水平，提高課堂學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率。

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