基于數(shù)據(jù)挖掘分析的“過程流體機械”課程教學改革初探

龔 彥

（西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500）

“過程流體機械”課程作為過程裝備與控制工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課之一，不僅涉及多種基礎(chǔ)知識的綜合運用，而且理論性和實踐性強，學習難度較大。學生在學習了基礎(chǔ)課和技術(shù)基礎(chǔ)課程，具備了工程力學、流體力學、工程熱力學、機械設(shè)計基礎(chǔ)的相關(guān)知識后方能進行本課程的學習。本課程的目的在于能夠使學生綜合運用相關(guān)基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課的基本理論，通過本課程的學習，使得學生掌握常見過程流體機械的基本工作原理和結(jié)構(gòu)，熟悉各類流體機械的特點和應(yīng)用場合，培養(yǎng)學生初步具備從事過程流體機械的選型、使用、管理及研究等能力［1-2］。本課程教學過程中積累了海量的教學數(shù)據(jù)，比如課程成績、平時成績、實驗成績、學習平臺等，課程成績不但可以分析學生的學習習慣、學習效果，還能用于評價教學質(zhì)量。因此，數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)，通過挖掘分析找到這些數(shù)據(jù)背后的價值和關(guān)聯(lián)，了解學生對課程學習的掌握程度，進一步提高“過程流體機械”的教學質(zhì)量，為優(yōu)化教學改革提供決策依據(jù)和數(shù)據(jù)支持［3］。

數(shù)據(jù)挖掘也稱數(shù)據(jù)庫中的知識發(fā)現(xiàn)，即從大量的歷史數(shù)據(jù)集合中提取有效的、新穎的、潛在有用的、最終可理解的信息和知識的過程，簡單來講，數(shù)據(jù)挖掘就是用統(tǒng)計的算法從大量數(shù)據(jù)中找出其中隱含的某些規(guī)律和關(guān)聯(lián)性知識的數(shù)據(jù)檢索方法［4］。數(shù)據(jù)挖掘方法有多種分類或預(yù)測型發(fā)現(xiàn)、聚類、序列模式發(fā)現(xiàn)、關(guān)聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)、異常和趨勢發(fā)現(xiàn)等，關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘是數(shù)據(jù)挖掘的一個重要研究分支，其目的是發(fā)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)集中的關(guān)聯(lián)或相關(guān)聯(lián)系［5］。

隨著“過程流體機械”課程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不斷積累，可利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從大量的歷史基礎(chǔ)教學數(shù)據(jù)中挖掘影響“過程流體機械”課程成績的主要因素，發(fā)現(xiàn)“過程流體機械”與其他課程之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進而使用系統(tǒng)工程方法進行“過程流體機械”課程教學改革，合理規(guī)劃“過程流體機械”課程的內(nèi)容，使“過程流體機械”與其關(guān)聯(lián)課程之間的內(nèi)容聯(lián)系更加緊密、銜接更加順暢，幫助學生從計算機系統(tǒng)整體的角度理解“過程流體機械”課程［6］。

一、“過程流體機械”數(shù)據(jù)挖掘?qū)嶒炘O(shè)計

本研究對象是某高校過程裝備與控制工程專業(yè)2019—2021級3個年級共246人，以圍繞“過程流體機械”學習的各環(huán)節(jié)為研究對象開展實驗設(shè)計，以本課程最終總成績作為評價學生對本課程的掌握效果。學習本課程的各環(huán)節(jié)分為學習前、學習中、學習后。學習本課程前，學生學習“流體力學”“工程力學”“工程熱力學”“機械設(shè)計基礎(chǔ)”等相關(guān)前期課程的成績作為數(shù)據(jù)展示了學生的相關(guān)基礎(chǔ)水平；學習本課程中，學生完成平時作業(yè)的質(zhì)量、完成相關(guān)課程實驗的質(zhì)量及成績、互動教學中學生對相關(guān)專業(yè)問題的理解及分析情況為展示學生學習過程及參與情況；學習本課程后，學生期末考試成績情況、學生課程設(shè)計的情況等為對學生學習本課程后對本課程知識綜合應(yīng)用的能力考查。采用數(shù)據(jù)挖掘中的關(guān)聯(lián)規(guī)則算法，數(shù)據(jù)采集處理結(jié)果如表1所示。

表1 課程信息數(shù)據(jù)采集處理結(jié)果

設(shè)計基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的成績預(yù)警模型，預(yù)警規(guī)則是形如X→Y的蘊涵式。其中X?I，Y?W。對?x∈I，?y∈W，有（x，y）∈P。該規(guī)則可以看作一種預(yù)警項集和項順序關(guān)系約束的關(guān)聯(lián)規(guī)則。預(yù)警規(guī)則反映了預(yù)警事件和其他事件之間依賴或關(guān)聯(lián)的關(guān)系，事件中的項值可以依據(jù)與其存在關(guān)聯(lián)的項值進行預(yù)測［7］。

給定一個交易集D、項集W和項順序關(guān)系集P，挖掘規(guī)則的問題就是產(chǎn)生支持度大于給定的最小支持度（minsupp）、可信度大于給定的最小可信度（minconf）的關(guān)聯(lián)規(guī)則X→Y，其中X?I，Y?W。對?x∈I，?y∈W，有（x，y）∈P。統(tǒng)計所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，設(shè)置最小支持度和頻繁項集的最大長度K=8。剪除小于支持度的項集，再進行下一次統(tǒng)計。直到達到FT-tree的最大長度8時算法終止。

從關(guān)聯(lián)規(guī)則分析得到重要關(guān)聯(lián)，“理論力學”“流體力學”“熱工基礎(chǔ)”與“過程流體機械”課程之間有很強的關(guān)聯(lián)性，這些相關(guān)課程的成績和學生平時作業(yè)成績及實驗成績對“過程流體機械”課程成績影響較大，學生平時作業(yè)成績及實驗成績則揭示的是課程開展過程中的教與學過程。由此可見，“過程流體機械”課程改革的重點是扎實前期“理論力學”“流體力學”“熱工基礎(chǔ)”等相關(guān)基礎(chǔ)課程的教學，著重抓課程的教學過程，使學生學會應(yīng)用前序?qū)W習知識分析認知本課程所講解的內(nèi)容，從而深入把握本課程所傳遞的教學內(nèi)容，最終達到具備相關(guān)知識的培養(yǎng)目的?？傮w上講，需革新教學模式，夯實基礎(chǔ)知識，借用先進的教學手段，更新并豐富教學資源，將抽象的理論知識形象化、具體化、可視化，便于學生理解，給學生帶來視覺、聽覺及感知的認知沖擊，將書本扁平的文字生動化、立體化，加深學生在學習相關(guān)知識的印象。

二、“過程流體機械”課程改革實施

基于數(shù)據(jù)挖掘分析的“過程流體機械”課程改革主要強調(diào)基于融合相關(guān)基礎(chǔ)知識的“教與學”過程的重塑，在“過程流體機械”課程的教學過程中，貫穿于與“過程流體機械”關(guān)聯(lián)度較高的“流體力學”“熱工基礎(chǔ)”“理論力學”等課程內(nèi)容，在教學過程中將流體能量與機械能轉(zhuǎn)化形式作為主線，基于不同的轉(zhuǎn)化形式，闡述解釋不同類型流體機械的工作原理、工作特性、結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)用場合，使得學生從機理上理解掌握本課程所講述的各類流體機械，最終達到培養(yǎng)學生具備從事過程流體機械初步設(shè)計研究使用的能力，以及具備在實際工程中使用運營，選型、管理過程流體機械扎實理論知識的目的。因此，此次“過程流體機械”課程改革主要圍繞以下幾方面進行。

1.強化前序基礎(chǔ)知識的鞏固，加深學生對基礎(chǔ)知識的掌握及在本課程中的靈活應(yīng)用，使得前序基礎(chǔ)知識在本課程中起到“穿針引線”的作用，夯實學生知識基礎(chǔ)，形成課程學習的整體性和連貫性。本課程講授的原理主線一直圍繞流體能量與機械能的相互轉(zhuǎn)化開展，能量的轉(zhuǎn)化是在不同力作用下的結(jié)果，涉及核心的流動方程即為能量方程和動量方程。不同形式的流體機械正是基于不同形式的流體能量與機械能相互轉(zhuǎn)化的結(jié)果而分類的，這需要理解和掌握流體運動的能量方程，而動量方程則從力學本質(zhì)上指出了不同類型流體機械的工作原理差異，以上兩大方程對于可壓縮流體涉及熱力學基本定律的相關(guān)知識。要理解和掌握本課程的主線，就需要對“流體力學”“理論力學”“熱工基礎(chǔ)”等相關(guān)課程的知識熟練運用，以理解本課程所講的知識。在本課程教學活動開展前期，指導學生對前序知識的核心內(nèi)容進行疏導，形成知識儲備；在課程教學中，課程內(nèi)容進行到相應(yīng)章節(jié)時，應(yīng)及時引出相關(guān)基礎(chǔ)知識，幫助學生復習前述知識，同時引導學生將所引出的知識用于分析、理解本課程對應(yīng)所講的知識點；在本課程教學的末期，通過比較法展示不同流體機械的運行現(xiàn)象，指導學生分析其背后的原理和力學本質(zhì)，加深學生對所學知識的理解和掌握。

2.更新教學手段，優(yōu)化課堂組織方式，引導學生主動思考，使得被動接受式學習變?yōu)橹鲃犹剿魇綄W習。

改變傳統(tǒng)講授說教式的、被動接受式的教學方式，注重應(yīng)用引導式、啟發(fā)式、互動式的教學組織方式，將枯燥的“填鴨式”教學方式生動化，提高學生的學習興趣。本課程本身與工程實際應(yīng)用緊密聯(lián)系，課程學習的目的之一就為更好地服務(wù)實際工程，應(yīng)通過展示實際工程案例，設(shè)置現(xiàn)場應(yīng)用的問題，引出所講述的知識點，引導學生基于工程問題積極思考，將本課程所講知識與工程實際相結(jié)合，使原本空洞抽象的知識點找到工程案例的落腳點。將書本知識融入工程實際問題中，起到加深學生學習印象的作用，學生通過主動思考問題，加深了對知識的理解和掌握。

3.引入行業(yè)先進技術(shù)手段，豐富教學資源，使得枯燥復雜的理論知識變得直觀化、可視化、易學化。流體機械的內(nèi)流多看不見，摸不著，諸如流道中流體的速度場分布規(guī)律，壓力場分布規(guī)律，流動分離現(xiàn)象，空化現(xiàn)象，以及流道壁面的各種物理量分布等，這些物理量在不同類型的流體機械內(nèi)部存在較大的區(qū)別，使得不同類型流體機械的外特性也存在著較大的區(qū)別，學生只能基于對理論知識理解和消化，形成抽象的認識和映像，這種方式很容易造成學生在學習時混淆知識，造成理解的“黑箱”。現(xiàn)代計算機輔助教學技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使得將以上物理量可視化，直觀化的表達成為可能。在本課程的教學中，應(yīng)借用CFD仿真技術(shù)，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，虛擬仿真與增強現(xiàn)實技術(shù)，將原本看不見、摸不著的流體機械內(nèi)流場可視化地呈現(xiàn)出，通過彩色云圖、三維流線、動畫等生動形象地描述流體在流體機械中的流動過程和能量轉(zhuǎn)變過程，使得學生能更為直觀的認識流體和流體機械的相互作用過程，理解本課程所講授的知識點，達到提高學生學習效果和學習效率的作用。

4.強化課程的實驗內(nèi)容，改變傳統(tǒng)的實驗教學方法，增加學生動手環(huán)節(jié)，加強學生對所學知識的綜合應(yīng)用。課程實驗對學生理解、掌握課程所述知識具有重要作用，實驗課程是將抽象的理論知識具體化展示的一種直接方式，能使得學生印象深刻。為了在學習過程中，加深學生對相關(guān)知識直觀形象的理解，應(yīng)豐富實驗手段和實驗內(nèi)容。如將結(jié)構(gòu)剖析實驗、原理展示實驗采用虛實結(jié)合的方式展現(xiàn)，一方面使得學生能全方面掌握相關(guān)流體機械（特別是大型設(shè)備）的結(jié)構(gòu)原理，另一方面能直接面對工程實際流體機械，有更為直觀的印象。在外特性實驗、內(nèi)流實驗等實驗中，可采用故意試錯法，在實驗過程中故意設(shè)置相關(guān)故障和錯誤，將在實際工程中不允許出現(xiàn)而又可能出現(xiàn)的工況搬到實驗教學中，促使學生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，增加其動手環(huán)節(jié)，培養(yǎng)其分析問題、解決問題的能力，最終達到使學生具備知識應(yīng)用能力的目的。

結(jié)語

通過數(shù)據(jù)挖掘中的關(guān)聯(lián)規(guī)則得到影響“過程流體機械”課程成績的因素，了解學生對“過程流體機械”課程知識的掌握程度，“理論力學”“流體力學”“熱工基礎(chǔ)”相關(guān)的前序課程和本課程的教學開展過程有著重要的關(guān)系，從而分析進行“過程流體機械”課程改革的必然性和可行性。改革從系統(tǒng)觀出發(fā)，強調(diào)在本課程開展的各環(huán)節(jié)中注重融入前序“理論力學”“流體力學”“熱工基礎(chǔ)”等相關(guān)課程的基礎(chǔ)知識，更新教學手段，優(yōu)化課堂組織形式，借鑒線上線下深度融合的課堂教學方式，引進先進的信息化教學手段，豐富課程教學資源，將教學資源掛載到云端，實時更新教學資源，利用教學信息化手段將抽象的內(nèi)容可視化、直觀化；在實驗環(huán)節(jié)注重采用虛實結(jié)合和故障設(shè)置的方式，增加學生動手環(huán)節(jié)，提高學生動手能力，提高就業(yè)質(zhì)量。通過對本課程的改革，使得學生在學習完本課程后具備扎實的理論基礎(chǔ)知識，熟練地掌握流體機械專業(yè)基礎(chǔ)知識，并構(gòu)建起對流體機械的宏觀認識，為其進入相關(guān)行業(yè)從事流體機械的設(shè)計研究、運營、維護等打下扎實的基礎(chǔ)。隨著融合大數(shù)據(jù)特征的新工科迅猛發(fā)展，工科核心課程教學改革大勢所趨，課程改革及課程教學應(yīng)使得培養(yǎng)出的學生所具備的知識能滿足行業(yè)及社會對相關(guān)人才的要求。