離心泵汽蝕實驗研究型教學方法探索

孫卓輝,王 君,王振波,王龍庭

(中國石油大學(華東)化學工程學院,山東 青島 266580)

離心泵汽蝕實驗研究型教學方法探索

孫卓輝,王 君,王振波,王龍庭

(中國石油大學(華東)化學工程學院,山東 青島 266580)

在科技迅猛發(fā)展和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才前提下，研究型教學已成為高等教育探討和實踐行之有效的模式，該教學模式提倡學生主觀參與、自主學習。針對傳統(tǒng)實驗存在的內(nèi)容陳舊、教學模式機械、實驗效果不好等問題，從研制高水平實驗裝置、自主選擇設(shè)計性實驗、實施師生互動和拓寬學習渠道等4個方面，介紹了在流體機械類課程離心泵汽蝕實驗中開展研究型教學的探索和實踐，教學質(zhì)量明顯提高，使專業(yè)課實驗教學在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)方面發(fā)揮重要作用。

離心泵； 汽蝕實驗； 研究型教學

0 引 言

隨著“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”成為國家戰(zhàn)略的大背景下，研究型教學已經(jīng)成為高等教育探討和實踐的熱點[1-3]。研究型教學以知識教育為依托，以能力培養(yǎng)為主要內(nèi)容，以引導學生的高度參與以及主動性的充分發(fā)揮，并且創(chuàng)造性地運用知識和能力為目標[4]。在教與學的過程中，通過學生有意識主動發(fā)現(xiàn)疑點、研究來龍去脈，在教學互動中解決問題；同時能在研討中深入掌握專業(yè)知識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力和鍛煉主動思維習慣。其基本特征是：突出學生在教學中的主體地位，突出研究在教學中的重要作用，突出知識、能力、素質(zhì)三維度的教學目標[5-6]。本文結(jié)合筆者多年的教學經(jīng)驗和對研究型教學理念的理解，介紹如何在流體機械類課程離心泵汽蝕實驗中開展研究型教學工作，使專業(yè)課實驗教學在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性能力和科學素養(yǎng)方面發(fā)揮重要作用。

1 離心泵汽蝕實驗開展研究型教學的必要性

離心泵是流體輸送和增壓的主要設(shè)備，在石油、化工、采礦、冶金、電力、市政及農(nóng)林等行業(yè)使用數(shù)量巨大，被稱為是過程工程的“心臟”設(shè)備[7]。離心泵汽蝕是由于液流局部壓力過低所引起設(shè)備故障，會引起設(shè)備水力性能劇烈下降、汽蝕破壞、壓力脈動、噪音和振動等一系列問題，影響離心泵的連續(xù)性運行，是制約離心泵向高速化、微型化發(fā)展的重要因素，被稱為水力機械領(lǐng)域的世界性難題[8]。因而離心泵汽蝕現(xiàn)象的深入研究，是流體機械類課程的重要組成部分。

在流體機械類課程的本科教學中，開展離心泵汽蝕實驗環(huán)節(jié)，是課堂教學的延伸和補充，對于學生掌握和理解眾多原理和理論內(nèi)容有不可替代的作用。傳統(tǒng)的汽蝕實驗教學模式已無法適應創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求：① 實驗內(nèi)容過于陳舊且固定不變[9]，實驗內(nèi)容覆蓋面小，為演示性實驗，僅能觀察到離心泵汽蝕發(fā)生時，其揚程和流量快速下降的簡單表觀現(xiàn)象，無法深層次理解汽蝕現(xiàn)象，無法培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性；實驗設(shè)備落后，測試手段單一，無法適應流體機械技術(shù)的發(fā)展和進步；② 實驗教學模式始終不變，實驗教材敘述過于詳細，學生思考和分析問題的機會比較少，教師向?qū)W生講解實驗原理、操作步驟和注意事項，學生被動地按照實驗方法和步驟，機械地完成實驗任務，學生只能按照規(guī)定的步驟完成實驗，不想為什么，也不問為什么，對實驗流程、裝置運行特點及實驗設(shè)備沒有深入的理解和體會；③ 實驗教學效果不好，沒有提供學生自己思考及處理問題的機會，沒有提高學生的工程意識和解決實際工程問題的能力，沒有達到加深學生對所學內(nèi)容的理解，很多同學依然不會設(shè)計實驗，不會分析問題，甚至沒有深入理解離心泵及離心泵汽蝕的原理，不利于培養(yǎng)學生創(chuàng)造性和綜合素質(zhì)。

在扎實教學的基礎(chǔ)上，“眼望星空”，不斷反思我們的課堂和教學環(huán)節(jié)，在“離心泵汽蝕實驗”教學過程中將研究型教學理念融入教學全過程，尋求先進教學理論與實踐的契合點，切實提高學生自主學習的積極性和主動性、鍛煉學生的實驗動手能力、培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力、鞏固學生所學知識和提升學生科研素質(zhì)。

2 研究型教學的實施

在離心泵汽蝕實驗的教學實踐中，我們主要從以下4個方面進行了研究和探索。

2.1研制高水平實驗設(shè)備，優(yōu)化教學內(nèi)容

高校的專業(yè)實驗，除了傳授給學生相關(guān)學科的基本知識外，還應將學科的最新發(fā)展介紹給學生，因此，課程體系是不斷創(chuàng)新發(fā)展的，實驗設(shè)備的建設(shè)必須與課程體系相配套[10]。緊密結(jié)合教學需求，根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標來解決實踐教學的需求，將科研成果、先進的實驗儀器引入實驗教學，不斷更新實驗教學內(nèi)容，是現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的大勢所趨，是開展研究型教學的物質(zhì)基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的汽蝕實驗，通過改變?nèi)肟陂y門開度或抽真空的方式，改變離心泵入口管路特性，使之達到汽蝕狀態(tài)，觀察揚程和流量快速下降的現(xiàn)象，測定臨界汽蝕點(揚程下降3%的點)。由于離心泵內(nèi)部工作過程具有不可視、不可及的特點，傳統(tǒng)離心泵實驗僅能觀察到汽蝕發(fā)生時揚程、流量下降，噪音、振動加大等外部特征，無法觀察到汽蝕過程的內(nèi)部現(xiàn)象，也未對噪音和振動進行定量分析；再者，會使學生產(chǎn)生認知誤區(qū)，認為臨界汽蝕點是開始汽蝕的時刻，實質(zhì)上，臨界汽蝕狀態(tài)時，汽蝕已較為嚴重，水力性能已明顯改變，汽蝕破壞是從氣泡初生潰滅時便已開始[11]；隨著水力機械故障檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外學者提出了很多有效的辦法，如噪音測量法、高速攝影法、超聲監(jiān)測法、壓力測量法和振動測量法等[8,12]，傳統(tǒng)的實驗手段是落后單一的。

化學工程學院實驗教學中心結(jié)合教學需求和發(fā)展趨勢，引入最新科研成果，搭建了離心泵汽蝕研究化教學和學習平臺。該實驗臺用有機玻璃構(gòu)造了可視化流道，采用閃頻技術(shù)和高速攝影技術(shù)，可獲取汽蝕發(fā)生過程的清晰圖像，可直接觀察到氣泡產(chǎn)生、生長、潰滅的過程；這樣氣泡產(chǎn)生和潰滅的位置，不僅僅是書本上空洞的語言描述，而是理論分析和實驗現(xiàn)象驗證，加深了對理論知識的理解；提供了多種離心泵汽蝕性能狀態(tài)判定手段，可直接目測初生汽蝕點，可根據(jù)能量損耗確定臨界汽蝕點，可利用振動測試儀分析振動變化，還可定量分析噪音信號，為學生實驗方案的確定和實施提供了硬件基礎(chǔ)，讓學生接觸到國內(nèi)外先進測試理念，開拓了眼界；選用了國內(nèi)通用、先進、精度高得測量儀表，流體性能參數(shù)和高速攝像機圖像實現(xiàn)計算機實時采集，最新測試技術(shù)和準確測試結(jié)果，培養(yǎng)了學生細致求實的科學作風；實驗裝置預留數(shù)據(jù)采集接口，可讓學生自主編程設(shè)計相關(guān)實驗，可供學生進一步研究。

3.2自主選擇設(shè)計性實驗教學，豐富教學手段

自主選擇設(shè)計性實驗教學是研究型教學中重要的教學環(huán)節(jié)，給定實驗任務和實驗條件，由學生采用研究型學習自行設(shè)計實驗方案并加以實現(xiàn)[13-14]，是學生自主且主動掌握——消化——創(chuàng)新本門課程或相關(guān)課程的綜合知識的過程，搭建學生運用書本知識分析和解決實際問題的初級平臺，進而使學生全面理解掌握理論知識，同時能增強學生的工程意識和科研意識。針對離心泵汽蝕實驗，將其分為多個層次的實驗任務：基本實驗、綜合實驗和探索性實驗；學生可以根據(jù)自身的情況自主選擇不同層次的實驗。把相關(guān)實驗設(shè)備、實驗指導書等資料在網(wǎng)站上發(fā)布，學生根據(jù)所學相關(guān)課程熟練程度以及自身情況(比如：興趣、學習時間等)選擇不同層次實驗任務。

(1) 基本實驗?！半x心泵汽蝕實驗”是必修課程。實驗教師可在理論課開始初，在相關(guān)網(wǎng)絡(luò)平臺上向?qū)W生發(fā)布相關(guān)實驗內(nèi)容，利用虛擬仿真實驗課件或者多媒體課件介紹實驗操作流程。實驗教師在上課時主要采用傳統(tǒng)的實驗教學模式，重點培養(yǎng)學生的基本操作和基本技能，完成培養(yǎng)方案基本要求內(nèi)容。

(2) 綜合實驗。實驗教師設(shè)定實驗任務。針對離心泵汽蝕實驗，設(shè)定了兩個題目：“設(shè)計一種離心泵運行工況，使得離心泵能夠發(fā)生汽蝕”和“提出表征汽蝕特性的性能參數(shù)，并設(shè)計測試方案”。這樣的實驗任務既包含了原有的實驗內(nèi)容“離心泵汽蝕實驗”，又能體現(xiàn)出綜合性，能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。選做此實驗的，可以不單獨進行基本實驗“離心泵汽蝕實驗”。

(3) 探索性實驗。學生在完成綜合實驗的基礎(chǔ)上，感興趣學生通過研究型學習，自行設(shè)計實驗方案，開展探索性實驗。主要對象對相關(guān)實驗非常感興趣且具有創(chuàng)新意識，以及開展大學生創(chuàng)新項目前期準備等。學生提出實驗方案與實驗教師交流溝通，根據(jù)實驗室條件，最終確定1至2個學生所設(shè)計的可行的實驗方案開展探索性實驗。

通過實驗方案討論制定以及實驗過程，使得學生明白將所學的知識原理用于解決實際問題時，必須考慮其實際適用條件；此層次實驗增強了學生解決實際問題的能力和工程實踐能力。同時，在學生所提出的實驗方案中也不乏包含一定的創(chuàng)新性，有助于豐富實驗方法、開發(fā)新型實驗裝置。

根據(jù)所確定的實驗方案，實驗教師可事先準備好實驗裝置，也可與學生一起完成實驗裝置的準備；并按照學生所設(shè)計的實驗方案完成實驗。隨著實驗任務和實驗方案的不斷豐富，促進了實驗室建設(shè)；在實施方案設(shè)計研究型實驗教學方法的實驗教學過程中，可采用各種實驗設(shè)備和各種測量儀器并聯(lián)切換的方法，滿足多種實驗方案；實驗設(shè)備盡量小型化、模塊化和多樣化，易于滿足相應的裝拆、維護和管理。

3.3創(chuàng)建動態(tài)教學環(huán)境，實現(xiàn)師生互動

研究型教學提倡以問題研究為載體，教師和學生平等互動，從而啟發(fā)學生思考問題、解決問題。在實驗原理講述階段，改變傳統(tǒng)的“填鴨式灌輸”模式，把更多的發(fā)言權(quán)留給學生。把所要傳授的內(nèi)容，分階段、有目的和有技巧地細化成一個個問題向?qū)W生提出，由大及小，由淺入深，涉及到實驗的背景、原理知識、實驗裝置、操作流程及注意事項，以提問的方式，啟發(fā)學生自己思考分析，得出結(jié)論。在師生間、同學間相互討論、解決問題的過程中，掌握基本的研究方法，形成良好的思維品質(zhì)，增強自主思考能力和創(chuàng)新意識[15-16]。

圍繞“離心泵汽蝕實驗”，提出的問題主要有：本實驗的實驗目的是什么？流體機械如何分類？離心泵的主要用途有哪些？離心泵的工作原理是什么？離心泵的主要結(jié)構(gòu)是什么？離心泵是如何泵送流體的，有哪些過流部件？如何辨別離心泵的進出口？通過有機玻璃視窗，如何辨別離心泵的旋轉(zhuǎn)方向、葉片工作面和非工作面？實驗裝置的流程是什么？離心泵進出口管路上安裝了那些儀表？泵啟動前為何要盤車、灌泵、關(guān)閉出口閥？離心泵的特性參數(shù)有哪些？離心泵的工作點如何確定？離心泵的運行工況調(diào)節(jié)主要有哪些方法？本裝置可采用哪些方法？離心泵汽蝕的發(fā)生機理是什么？離心泵汽蝕有哪些危害？什么是必需汽蝕余量？什么是有效汽蝕余量？汽蝕判別式主要有哪幾個？如何根據(jù)伯努利方程，推導有效汽蝕余量的計算公式？定性分析，如何改變裝置的有效汽蝕余量？什么是開式裝置、什么是閉式裝置？本裝置采用了什么結(jié)構(gòu)？如何判定臨界汽蝕狀態(tài)？GB3216對離心泵臨界汽蝕狀態(tài)是如何規(guī)定的，還可采用哪些判定手段？什么是汽蝕初生狀態(tài)？閃頻儀的工作原理，對高速轉(zhuǎn)動部件可實現(xiàn)什么效果？汽蝕初生的部位，并分析原因？汽蝕破壞的部位，并分析原因？實驗的操作步驟是什么？離心泵和真空泵的啟動順序？為何罐內(nèi)真空度低于0.3個大氣壓，方可停止真空泵，否則會出現(xiàn)什么問題？真空泵抽真空時，為何要保持真空泵流量恒定，如何調(diào)節(jié)？

為避免講授過程出現(xiàn)“一言堂”，首先區(qū)分哪些問題是教師必須講授的，哪些問題是留給學生思考研究的。教師必須講授的，可以采用自問自答的形式；鼓勵學生大膽回答問題，調(diào)動學生的學習積極性，肯定回答正確之處，指出錯誤所在，讓學生之間相互補充，再由教師最后陳述總結(jié)。老師和學生之間平等的對話和交流，學生對老師的問題積極響應，老師為學生營造和諧活躍的學習氛圍，留出時間和空間讓學生自行思考。學生普遍反映，對所學知識理解的更徹底，掌握得更扎實，學習也不感到枯燥，改變了“不用思考、不敢思考”的機械模式，做實驗再不是走過場了。

3.4轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)學習方式，多渠道拓展學生知識與能力

在研究型實驗教學中，強調(diào)調(diào)動學生的能動性和積極性，讓學生自愿主動學習，在學習過程中給予實時指導，因而，順應當下信息技術(shù)的發(fā)展，借助網(wǎng)絡(luò)資源和新媒體技術(shù)，拓寬了知識平臺和渠道，營造“人人皆學、處處能學、時時可學”的學習氛圍：① 在該實驗所依托的省級精品課“化工過程流體機械”網(wǎng)站上，上傳實驗相關(guān)的學習資料以及實驗中經(jīng)常遇到的問題；② 依托2015年獲批的國家級“石油化工與裝備虛擬仿真實驗教學中心”，設(shè)計了網(wǎng)上虛擬實驗，極大地調(diào)動了學生的學習興趣；③ 開設(shè)公眾微信號，提供師生學習交流平臺，在線及時提出以及回答問題。

4 結(jié) 語

建立研究型教學模式，不僅是教學方式的變革，更是教學理念的轉(zhuǎn)變，涉及到教學內(nèi)容、教學手段和學習方式等一系列問題，需要大環(huán)境和小環(huán)境共同作用，對教師提出了更高的要求，需不斷研究和探索先進教學理念，需不斷深入了解現(xiàn)代科技前沿，為研究型人才的培養(yǎng)搭建良好的教學平臺。

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Discussion on Research Teaching for Centrifugal Pump Cavitation Experiment

SUNZhuohui,WANGJun,WANGZhenbo,WANGLongting

(College of Chemical Engineering,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580,Shandong,China)

Under the premise of the rapid development of science and technology and the cultivation of innovative talents,the research teaching has become a hot topic in the discussion and practice of higher education.This teaching model initiates students' subjective participation and autonomous learning.In view of problems of traditional experiments,such as the old content,mechanical teaching mode,bad experimental effect,this paper introduces an exploration and practice of research oriented teaching in the experiment of centrifugal pump cavitation in the course of fluid machinery,including the development of a high level of experimental devices,independent choice of design experiments,the implementation of teacher-student interaction and broaden the learning channels.The effect is that the teaching quality is obviously improved,and the experiment teaching of specialized courses plays a more important role in cultivating students' creative ability and scientific literacy.

centrifugal pump; cavitation experiment; research teaching

2016-07-07

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金(No.16CX05007A); 中國石油大學(華東)校級教學實驗技術(shù)改革重點項目(SY-A201603)；中國石油大學(華東)校級研究性教學方法改革項目(YK201604)

孫卓輝(1982-)，女，內(nèi)蒙古阿榮旗人，碩士，高級實驗師，主要從事化工過程流體機械的科研與實驗教學工作。

Tel.：18254258608; E-mail:sunzhuohui@upc.edu.cn

TH 311

：A

1006-7167(2017)07-0185-04