通识实践选修课“动力工程装备技术实践”的建设研究

2019-09-03廖冬梅

实验室研究与探索 2019年8期

廖冬梅

(武汉大学动力与机械学院；大学生工程训练与创新实践中心，武汉 430072)

0 引言

为了有效地开展非工程类学生的工程素质和工程文化教育[1]，促进教育改革，我校动力与机械学院实验教学中心结合专业优势和能源动力及装备工程的学科特点，面向全校学生开设了通识实践选修课—“动力工程装备技术实践”。本文就课程开设的必要性、教学内涵、实验教学条件、实施方案、教学手段方法和教学效果进行了总结和探索。

1 课程开设的必要性

“宽口径、厚基础、复合型”人才，都应该具有宽泛的工程知识和素养，了解与工程技术有关的基础知识和发展前沿，进行动手体验，拥有必要的实践技能和工程经验，才会有更强的社会适应性和创造性[2]；就业时会有更多的选择余地和职业迁移能力，能更好地持续发展，真正成为社会需要的专业人才[3]。美国斯坦福大学的做法是学工程也需要理解哲学，商科生也要做工程试验[4]。

我院是以能源动力工程学科群为基础的工科学院，是我国能源动力及其装备行业重要的新工科人才培养基地。动力工程装备技术实践课程以现代能源电力生产过程和能源装备制造工程为主线，融合了动力与机械学院的动力工程、机械工程、材料工程、控制工程、能源化工、环保与安全等多学科知识，充分体现了学院的专业文化特色。

我院拥有电力生产过程国家级虚拟仿真实验示范中心、先进发电技术国家级工程实践教育中心和机械工程湖北省实验教学示范中心，利用现有实验室的条件，建设和凝炼合适的实践项目，对非工程类学生进行普及意义上的工程素质训练，让他们了解并亲身体验能源动力、机械、材料等相关工程的基本组成要素、基本操作流程和基本质量要求，可以使工科教学资源更好地发挥溢出效应[5]，使教育资本投入获得超额收益，也是对教育资源最合理、最经济的利用模式[6]。

同时，电力工业是国民经济发展的先行产业，电力工业的发展也需要大量了解能源动力及装备工程基本知识的各类人才[7]；本课程针对非能源动力类专业进行工程认知和实践，介绍了能源动力领域的基本知识，既可拓宽学生的知识面，又可为进一步学习不同专业的相关课程打下基础，有助于相关专业毕业生服务于电力行业[8]。

2 课程的教学内涵

(1) 教学目的和要求。动力工程装备技术实践课程开设的目的是让非工程类学生了解电是如何安全清洁高效地生产并传输的，包括火电、水电、核电、风电和光伏等常见电力生产方式的能量转换过程、主要涉及常见设备、环境保护措施、经济效益、行业概况和安全节约用电知识等。课程教学要求定位在认知和了解层面，即：了解、体验能源动力工程的技术环境、技术流程和工程管理过程，略低于工科专业认识实习的水平；主要以工程问题为导向，通过观察、动手等实践活动进行认知和体验，获取直观、表面的感性知识，原理性的定量公式只略作了解[9]。

(2) 教学内容及配套教材。本课程的教学内容包括：燃煤电厂、其他火电厂(燃气-蒸汽联合循环电站、生物质燃烧发电厂、垃圾焚烧电站、沼气发电工程等)、核电站、水电站、其他新能源(风力发电机、太阳能光伏电站)、工程材料等6个认知子模块；阀门、泵、减速机等3个拆装子模块；发电机与电动机认知与模型拼装、水的预处理、工业机器人认知与操作、汽车应用等4个动手实践模块。本课程提供以上13个模块供不同专业的学生选修；一般要求学生根据专业和兴趣选修9个模块，共36学时，计1学分。

课程配套的教材为《能源动力及装备工程实验教程》，已由中国电力出版社出版。教材由26篇相对独立的实验讲义组成；每篇实验讲义均包括实验目的、能力训练、实验内容、实验设备及材料、实验原理、实验步骤和思考题等内容。在教材编写过程中，力求深入浅出，图文并茂；同时考虑到不同专业的教学需求，部分实验内容相对独立，略去不讲，不会影响后续学习，因此可根据需求自行取舍。

3 实验教学条件

本课程主要在能源动力工程与装备综合实验室内进行；能源动力工程与装备综合实验室是学院围绕能源动力工程学科群建设的多专业共性的基础教学实验室，是国家级先进发电技术工程实践教育中心的校内实习基地；实验室的设备种类齐全、管理先进，可以满足不同专业背景的学生实习实践需求。现有实践教学区和设备如下：

(1) 能源及发电系统技术基础。① 与燃煤电厂相关的装置有200 MW亚临界机组、600 MW超临界机组、1 000 MW超超临界机组等动态仿真装置；HG670T/H超高压自然循环锅炉、HG1900/25.4-Ⅱ(2)600 MW超临界直流锅炉、钢球磨煤机、回转式空气预热器等模型；徐州电厂捐赠的125 MW汽轮机转子实物、CLN600-24.2/538/566 600 MW超临界汽轮机、调速器及调速滑阀、危安器及错油门、凝汽器等模型。② 涉及其他火电的装置有燃气-蒸汽联合循环电站、沼气发电系统等仿真装置。③ 涉及核电的装置有先进沸水堆核电站、900 MW压水堆核电站、AP1000型先进压水堆核电站等仿真装置；压水堆核岛、压水堆冷却剂泵、蒸汽发生器、汽水分离再热器等模型。④ 涉及水电的装置有隔河岩电站捐赠的完全按实物缩制的300 MW水电机组模型、水电站仿真装置、校友会捐赠的水电站高水头冲击式水轮发电机A237型转轮实物等。⑤ 涉及其他能源形式的装置有储能型太阳能光伏发电系统实验平台、风力发电模型等。

(2) 能源动力工程装备基础及部件。包括机械零件陈列柜、机构陈列柜、机械设计陈列柜等；皮带试验机、减速机实物及模型、机械创新实验台、工业机器人、汽车认知与模拟驾驶台等；4M型对称平衡压缩机、V型角式压缩机、各种阀门、泵的实物和模型等。

(3) 能源装备材料及制造。包括体视显微镜、金相显微镜、微观金相组织图谱、失效零部件陈列柜、材料加工成形示教板和材料成形拆装模具等；蓄热元件及低温腐蚀元件、光管及内螺纹水冷壁管、锅炉爆管样品等一批来自电厂的实物材料。

(4) 电厂化学与环境保护。包括发电厂水处理、烟气除尘、脱硝和脱硫等动态仿真装置；从相关电厂、水处理公司收集的使用过的EDI除盐模块、反渗透卷式膜元件及其横剖面实物、中空纤维管式超滤膜组件及端封、微滤滤芯等水处理设备；各种阴阳树脂、活性炭、石英砂、混凝剂、絮凝剂、除尘滤袋、垢样、渣样和细、中、粗灰样等耗材。

(5) 相关大学生竞赛的优秀作品展示区。实验室还设有节能减排、机械创新、机器人、智能汽车等与“能源动力工程学科群”相关的大学生竞赛优秀作品展示区，鼓励大学生进行自主研究、实践创新训练，更好地服务于武汉大学的三创人才培养目标。同时还可以将这些学生竞赛作品引入实践教学中，转化为自制仪器设备，主要包括：竞赛机器人、优秀机械创新作品、智能汽车等，能有力支撑实践教学。

以上设备、实物和材料都源于动力与机械学院在能源动力及装备行业的多年积累和精心收集；特别是来自现场的实物更立体直观，往往包含着更多工程实践和历史信息，便于学生认知理解，有助于学生在创设的类似实际工程环境下，走近发电厂，建立电力工程的基本概念[10]。

4 课程实施方案

4.1 教学安排与管理

动力工程装备技术实践课程属于面向全校学生开设的通识实践选修课。根据学生特点、课程性质和教学效果，本课程实行多学期选修、分散开放管理。

本课程的选修学生来自水利、信息管理、物理、数学、医学、经济管理、马列和艺术等专业。充分考虑不同学生的专业背景和兴趣，课程在有限学时内提供13个不同实践教学模块供学生自主选择，一般要求学生根据专业和兴趣选修9个模块。具体教学安排为：先在教学网站和课程QQ群中公布课程简介、教学大纲、教师简介、教学日历、教学资料、具体开设的实践模块及可开放的时间段；然后由学生自主选报，确定选修的实践模块和时间。

4.2 教学模式与质量管理

动力工程装备技术实践课程以能源工程实践为基础，教学内容、教学设备、教学方法和手段、教师等相关教学要素均宜“工程化”[11]。因此课程涉及的工程理论知识教学要与工程实践融为一体，要求理论授课时间不超过20%，实践教学时间不低于80%，同时应将少量理论教学融入实践环节中。

整个教学过程可以安排在实验室中进行，采取现场教学，辅以理论铺垫，每批次学生不宜超过15人；每一个实验教学模块的理论知识铺垫、观察认知、动手实践等环节应符合工程认知规律。采取“教学认知同步”，即实验前教师先讲解理论知识，或在讲解的同时学生进行认知实验，使知识在实践中体会、应用和消纳；同时也可最大化利用实训学时。教师尽量不使用PPT，重要原理和结构示意图可以挂图形式悬于实验室，教师在实物、模型和挂图面前进行讲解。要求学生独立操作的内容，应先由教师讲解并示范整个操作过程，讲清要领和注意事项后再让学生动手操作。

讲解时，教师要突出重点，难点要处理得当，要深入浅出地介绍基本的、必要的理论知识；同时要多设问，引导学生积极思考。在引导学生关注共性的同时，教师要强调实验对象的特殊性，通过比较认知和仔细观察，找出区别和差异，加深印象，帮助学生记住有关概念。如有条件，可事先要求学生通过实验指导书、任务书或思考题进行预习，然后在实践课堂上进行分组认知或动手拆装竞赛，并将比赛结果记入总评成绩；这样可活跃教学气氛，充分调动学生的积极性。

一次认知实践结束后，学生应及时归纳总结，在一周内向教师提交实验报告。教师需仔细评阅，记录学生知识点误区与实践体会，并在下次实践教学中进行纠正与强调，形成PDCA(Plan计划-Do执行-Check检查-Action纠正)的教学质量改进环[12]。学生的课程成绩由出勤记录、课堂互动情况、实践动手操作和实验报告质量来综合评定。

5 教学手段与方法探究

对于非工程类学生，动力工程装备技术实践课程可能存在着理论较深，是否对日后工作生活有实际意义，缺乏学习动力和兴趣等问题。因此，针对每一个实践教学模块的具体实训内容，需要灵活选择合适的切入点、教学方法和手段。

(1) 以学生兴趣和需求为导向，突出教学重点，内容难易适度。考虑到非工程类学生的知识结构，课程的教学内容需难度适中；基本工程技术流程的选择一般以成熟典型工艺为主，同时聚焦学生的兴趣与需求。例如在燃煤电厂基本生产过程实践、燃气-蒸汽联合循环电站实践、汽车结构与应用等3个教学模块中，实践内容包括热能转换为机械能的途径，蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机等热能动力设备的工作原理、主要结构、特点及应用范围等。根据学生的兴趣，教师可先让学生动手拆装汽车发动机，重点掌握内燃机的工作原理和主要机械结构，然后将蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机与内燃机进行比较认知(见图1)；在异同之间，学生更容易掌握各种热能动力设备的主要特征。

四冲程汽油内燃机模型

(2) 采用比较认知的实践教学方法。在能源动力工程的各个系统和设备中，存在较多的异同之处。总结归纳这些异同点，进行比较认知，可以大大提高实践教学质量，取得事半功倍的教学效果。如将火力发电、核电、水电、风电和太阳能放在一起，从一次能量供给、转化为热能、机械能、电能的设备和过程等比较点出发，进行第1层次比较认知的实践教学，可以使学生对5大发电方式有整体了解和认识,比较内容见表1。

表1 第1层次比较认知的实践教学点(火、核、水、风和太阳能)

针对火力发电，以燃煤电厂为比较主体，将燃气-蒸汽联合循环电站、城市垃圾焚烧电站、生物质燃烧发电厂和沼气发电站与之进行比较，从燃料处理系统、转化为热能、机械能、电能的设备和烟气净化系统等方面进行重点对照，可以使学生对各种火力发电系统的工艺流程和组成有更深入的了解和认知；第2层次比较认知的实践教学内容如表2所示。

表2 第2层次比较认知的实践教学点(火电厂内部)

同时还可以针对具体设备进行第3层次的认知实践教学；如自然循环锅炉与强制循环锅炉，多次强制循环锅炉、直流锅炉和复合循环锅炉；蒸汽轮机、核蒸汽轮机、燃气轮机、燃气内燃机、水轮机和风力机等。

(3) 强调实践认知内容与国民经济、日常生活的紧密联系。“动力工程装备技术实践”的教学定位为：了解能源动力工程的基本组成要素、基本操作流程和基本质量要求；同时教师也可以将国家经济建设的重点领域、最新技术进展、社会民众关心的热点问题等与实践教学内容进行有机联系，在课程QQ群中提供相关的文献资料，以具体工程实践和问题为导向，鼓励学生在课外继续进行积极探讨和思考，引导学生提出问题、分析问题和解决问题。

案例1水电站与长江三峡水利枢纽工程。水电站是一个包含固体、流体、机械、电气设备的统一整体。水电站的布置及各种建筑物的设计、施工及运行特点，不仅取决于当地的自然条件和社会对该水电站提出的要求，而且取决于当时的政治形势和经济政策、设计及施工的水平、物资器材设备等的供应情况。因此，世界上没有完全相同的两座水电站，每一座水电站都是一部当时当地的经济水文地理人文的发展史[13]。长江三峡水利枢纽工程简称“三峡工程”，是当今世界最大的水利枢纽工程，是治理和开发长江的关键性骨干工程，也是21世纪中国最宏伟的工程建设项目[14]。在进行水电站基本生产过程认知的实践教学过程中，可以抛砖引玉地将三峡工程的文献资料布置给学生，鼓励学生在课外继续阅读和探索，并完成相关的思考题。

案例2核电站的发展、经济和环境效益讨论。在进行核电站基本生产过程认知的实践教学过程中，规定的实践教学内容是核能发电的基本原理、生产流程和主要设备等；但同时教师会将世界和中国的核电站分布、核电技术路线、核电站的经济和环境效益等相关文献布置给学生，让学生就核电站的发展趋势、经济和环境效益进行深入讨论。

案例3燃煤电厂与环保之殇。在电厂化学及环境保护工程实践的教学模块中，主要认知燃煤电厂的废渣、废水与废气的处理；特别强调含有粉尘、硫化物和硝化物的烟气排放是造成雾霾、酸雨的主要原因之一[15-16]。教师可引入“饮用水安全、PM2.5与雾霾”等“燃煤电厂与环保之殇”的主题讨论与课外阅读，引导学生关注自身健康与环境保护。

6 教学评价及效果

从学生评教的结果来看，本课程开展得较成功，因为“本课程的实验教学考虑得很周到，不同学院学生的基础知识水平不尽相同，教学内容没有选择很高深的部分，而是从最基础的每个方面讲起，同时还有丰富的实验教具供近距离的观察和动手实践”；“实践教学寓教于乐，学到了很多书本上看不到的细节。最重要的是在实验中能够对知识有更深的体会，并且乐于去学习，还锻炼了自己的动手能力以及团队协作能力”；“电是人们生活中离不开的一部分，看似简单的发电过程蕴含着不为人知的复杂技术。在探索发电奥秘的过程中，不仅收获了知识，同时意识到每度电都来之不易，需要我们去珍惜。”可见，本课程的开设对于健全非工程类学生的知识结构，拓宽工程技术视野，提高工程技术认知能力，增强实践动手能力是很有益的。