卢海山，张翮辉，王志奇

(湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭 411105)

过程设备设计，或称为化工容器设计，主要面向化工行业，讲授化工生产工艺所需各类压力容器的设计知识，包括储存、反应、换热和分离等设备，以培养学生开展化工容器创新设计的能力。该课程具有理论枯燥、教学难度大和实践性强等特点，而其课程实验教学则是激发学生兴趣、培养学生工程实践与综合创新能力的重要环节，主要包括薄壁容器应力测定、外压薄壁圆筒失稳和厚壁圆筒高压爆破三个实验[1]。以薄壁容器应力测定为例，传统实验模式主要针对石化行业生产中常用的典型卧式储罐模型，测试不同形式封头以及过渡区域的应力，分析应力分布规律，验证理论课堂的教学结论，以强化学生对边缘应力的认识[2]。随着新工科理念的不断深入，对实验教学的交叉融合、实践创新提出了更高要求，传统“重理论、轻实践”的验证型实验教学方式已经难以满足复合型人才的培养要求[3]。同时受此次“新冠疫情”影响，传统实验教学方式难以开展，各高校实验教学面临严峻挑战[4]。

近年来随着信息技术的快速发展，虚拟仿真实验突破了传统实验教学模式，成为实验教学的发展新方向，具有不受时空限制、成本低、无危险性，而且便于开展设计型、研究型实验教学的优势[5]。随着虚拟仿真实验教学改革的深入，如何建立一套适合于虚实融合实验教学模式的考核评价体系则成为当前面临的新问题。该文将CAE虚拟仿真技术融入过程设备设计实验，构建虚实融合的实验教学模式，并形成一套以学生为中心、以成果为导向的全方位实验考核体系，以提升实验教学的效果与质量。

1 虚实融合实验教学模式

针对过程设备设计传统实验教学模式的不足，该文将CAE仿真技术融入实体实验教学，充分发挥虚拟实验不受实验设备、时间、空间的限制，以及易于开展设计型、创新型实验教学的优势，以薄壁容器应力测定实验为例，构建了虚实融合实验教学模式。

实验课前学生自主预习实验，完成测试容器的CAE虚拟仿真分析。实验前学生根据实验讲义及参考资料预习实验，明确实验目的，理解实验原理，并熟悉实验装置及整体流程。在此基础上，学生将实际的测试容器抽象为CAE虚拟仿真模型，确定模型载荷及约束条件，开展测试容器的虚拟仿真分析，获取容器外壁的应力分布曲线及变形图。通过分析应力分布曲线与变形图，总结筒体与封头过渡区域的应力分布特性与变形协调特点，并与理论课堂结果进行对比讨论，进一步强化对封头边缘应力分布特点及产生机理的理解。结合边缘应力分布曲线，设计应力测试中的应变片布置方案。最后撰写预习报告。

实验课中教师指导学生完成容器外壁应力的测试。实验课堂中，首先教师讲解实验原理等，并根据预习报告反馈的情况，有针对性的进行讲解学生理解薄弱的部分。然后教师指导学生利用应变电测法完成实际测试实验，得到各测试点的环向与轴向应变，并根据应力应变关系计算出容器外壁应力。在同一坐标图中绘制实验测试与CAE虚拟仿真的应力结果，进行对比分析。引导学生总结CAE虚拟仿真与实验测试各自的优缺点，并深入思考二者在工程应用中的关系。

实验课后教师指导学生开展创新型拓展研究。实验课堂结束后，教师进一步指导学生运用CAE仿真技术研究具有复杂工程背景的案例，探索结构形式、结构尺寸、外部约束及载荷等条件对容器应力分布的影响。通过这种研究性的拓展实验，培养学生发现问题的能力，锻炼学生解决复杂工程问题的能力，并激发学生的创新思维。最后学生总结实验过程及结果，撰写实验报告。

2 全方位实验考核体系

传统实验教学主要对学生提交的实验报告进行单一维度的考核评价。这种考核方法维度单一、方式简单、标准随意，不能充分客观反映学生的实际水平，而且无法对部分抄袭报告的学生实行惩罚；同时虚实融合模式的引入，对实验教学的考核评价体系也提出了新的要求。针对传统考核方法的不足，结合虚实融合实验教学模式的特点，构建以学生为中心、以成果为导向的全方位实验考核体系，包括考核维度、考核方式和考核标准。通过这种立体化的考核方式，教师可及时掌握来自学生的反馈信息，从而形成教学闭环，对实验教学进行持续改进。

2.1 考核维度

虚实融合模式下过程设备设计实验的教学目标是培养学生的自主学习、抽象建模、工具运用、操作实践、团队协作、结果分析、文档撰写等多方面的综合能力与素质。根据这一教学目的，以学生为中心构建了实验预习、仿真运用、实验操作、分工协作、数据分析、撰写报告等六个考核维度，覆盖了实验前、实验中、实验后的整个实验教学流程，注重考核学生的综合实验能力。实验前的考核维度包括实验预习和仿真运用，主要考核学生能否通过独立预习实验讲义获取必要的实验知识的能力，以及能否将实际容器力学分析问题简化建立CAE虚拟仿真分析模型的抽象建模能力。实验过程中，则从实验操作与分工协作两个维度考核学生的实践操作和团队协作能力。实验课堂后，根据学生提交的实验报告，从数据分析与撰写报告两个维度评价学生处理数据、分析数据以及撰写文档的能力。

2.2 考核方式

虚实融合模式下的考核体系比传统模式更加强调以学生中心，通过引入自我评价、相互评价、教师评价相结合的方式，对实验全流程中学生多方面的表现进行考核评价，避免单一教师评价容易受教师主观意识影响的缺陷，充分体现了以学生为中、以目标为导向的理念。实验前的阶段，首先学生根据预习和虚拟仿真完成情况进行自我评价，然后教师根据预习报告和学生自评情况进行评价。实验操作中，一般以小组形式开展实验操作，因此采取互评与教师评价相结合的方式，即小组成员之间对实验操作、分工协作等进行互相评价，而教师则以指导者的身份对小组团队的操作、协作能力进行整体评价。实验课后，教师对学生提交的实验报告进行定量考核。三种评价方式相结合涵盖了实验过程与结果，使得学生在实验过程中的每个阶段、各个方面都得到充分客观的考核。

2.3 考核标准

由于考核维度广、考核方式多，因此需要制定一套完整的合格标准。预习报告主要反映学生对实验的预习掌握情况，因此条理清晰、结构完整、内容详实是合格的基本要求；CAE虚拟仿真分析的关键核心在于实际问题的抽象建模，其合格标准为所建立的仿真模型能够准确反映实际结构的力学特性，约束与载荷正确。实验操作过程中，应理解实验原理，能够熟悉操实验仪器，知晓安全防护措施，同时与小组成员能够很好的分工协作，不会出现配合不协调、协作不愉快的情形。实验报告的要求为实验目的、原理阐述清晰，实验步骤条理清楚，图表数据展示符合规范，结果分析讨论严谨无误，拓展研究体现创新。

3 结 语

为发挥过程设备设计实验教学在培养学生综合能力方面的重要作用，将CAE虚拟仿真技术融入传统实验教学，构建了虚实融合的实验教学模式，激发了学生的学习兴趣，提升了学生的综合实验素养。针对该实验教学模式，分别从考核维度、考核方式、考核标准三个方面，形成以学生为中心、目标为导向的实验考核体系，全方位考核评价虚实融合实验教学模式下学生的综合实验能力，有效评价新模式下的实验教学效果，以构成教学闭环，持续改进实验教学质量。