《化工设备机械基础》编写后的几点认识

吉　华　陈　志　伍云涛　钟月华

（四川大学化学工程学院　四川成都　610056）

化工装备是为化工工艺过程服务的，是实现化工生产的生产工具。化工设备机械基础是化工工艺类专业及其相近专业的专业基础课，目的让化工工艺类学生获得必要的机械设备知识。在编写和改编化工设备机械基础教材的过程中，清晰和提高了对教学目的、教学内容和教学方法的认识。

1　教学环境

化工设备机械基础是化工工艺类专业必修的专业基础课，也是工艺类专业学生所学的唯一讲述机械设备的课程。和本课程有关联性的课程为化工制图、大学物理、初高中物理，直接相关的课程没有，而且也没有后续课程。所以学生具有如下特点：相关基础知识薄弱；虽然学过化工制图，但学生普遍空间想象能力和对机械视图的理解力较弱；工程思维习惯有差异，化工设备机械基础设计基本逻辑是失效+计算准则。

化工设备机械基础内容十分丰富，包括静力学、材料力学、工程材料、化工机器、化工容器、化工设备等内容。以前各院校本课程理论教学授课时数大都在90～130学时之间^［1］，我校曾经在150学时以上。一方面科学技术的发展丰富了课堂教学内容；另一方面宽基础、窄专业的要求，使得专业基础课程课时压缩。目前我校的化工设备机械基础课程是化工工艺专业必修课，在第五学期开设，48学时。

2　教学目的思考

学时少，内容多，学生相关基础弱。在这样的条件下，达到什么样的教学目的，是保证和提高教学质量，培养合格的毕业生需要解决的首要问题。

通过48学时的教学，使得学生能够进行化工压力容器、设备的设计，典型化工机器的设计或选择是不现实的；同时对化工工艺类的学生而言，也没有必要，他们在以后的工作中一般不会进行相关的设计，相关的工作一般由过控专业完成。所以教学的目的应该是：

（1）具备和装备工程师进行交流的能力，能够准确的将工艺要求表达给装备工程师，能够准确理解装备工程所表达的意图；

（2）具备继续学习的基础，如果在工作中对机器设备知识有进一步需求，学生可以进行自学；

（3）对设备设计有所了解，帮助提升学生工艺设计的能力，如在工艺设计过程中可以判断某工艺能否用机器设备实现。

3　《化工设备机械基础》主要教学内容

我校化工设备机械基础课程采用自编教材^［2］，基于对教学目的的理解，主要教学内容如下。

（1）静力学，在大学物理和大学前的物理课程中学习了相关基础知识，需要的深化和针对专业具体化。

（2）材料力学，拉伸、剪切与挤压、扭转（包含扭转角）、弯曲（不含刚度部分）、复杂应力和强度理论。

（3）工程材料，主要包含材料性能和主要材料及牌号介绍。

（4）压力容器，拉普拉斯方程的推导及其应用，中低压容器的设计，外压容器理论简介（讲理论出处和逻辑，不做详细讲解），外压容器的设计。

（5）容器零部件，类型和选择。

（6）化工设备，换热器，塔设备，釜等（不讲）。

（7）化工机器，一般3个学时，以图片方式介绍主要类型和作用。

从教学内容上看，材料力学部分和中低压容器的理论与设计是课程的重点内容。材料力学部分树立材料起力学理论的基本概念，建立过程装备的基础知识，为课程的后继学习，以后的自学，以及和装备工程师的交流打下坚实的基础。中低压容器部分一方面是材料力学理论在过程装备的延续和应用；另一方面也需要掌握中低压容器设计的基本流程和相关的工程概念，以达到前面所述的教学目的。

化工设备部分，化工专业的学生在化工原理课程中有所接触。本课程中不可能花很多的时间，也就不可能讲解比化工原理更深入的内容，所以放弃。

化工机器部分虽然也很重要，但是由于内容专业性过强，要把这些章节在48个学时里给化工专业的同学阐述清楚，是很困难的，而且对化工的同学，更为重要的是知道有这些机器，这些机器大致有什么作用。如果完全放弃，从知识框架上而言，有缺陷，不利于学生建立健全的化工装备知识构架，所以以图片方式介绍主要类型和作用。

4　教学的体会

4.1　讲清本课程在化工课程体系的作用

积极性被调动起来的学生容易教。学生对课程性质认识不清，认为化工设备机械基础不是核心的课程，认为机器设备知识离他们很远，将影响到学生的学习积极性，所以一定要讲清楚化工设备机械基础课程在化工专业课程中的重要作用，而且也是唯一的课程。同时在平时的授课中，在合适的地方将机器设备和工艺联系起来，让学生感受到机器设备在工艺中的存在。

4.2　板书和多媒体共用

静力学和材料力学的理论部分宜采用板书的模式。首先，这两部分知识要点突出，板书内容少，清晰的板书有利学生对知识要点的掌握；第二，这两部分知识多属于抽象的理论，需要绘制的图形也多为示意图，也适合在黑板上表现；第三，由于理论抽象，公式多，公式的推导过程简明，板书模式更适于学生的理解速度和思维模式。

工程材料和容器零件部分内容繁杂，理论较少，特别适合用多媒体表现。压力容器部分虽然也是理论公式多，但是推导过程复杂，而且对于化工工艺的学生而言，推导过程不需要掌握，推导结果（也就是设计公式），也只是要求少量记忆（如内压筒体公式），强调的是前提条件，推导思路和推导结果；压力容器工业中大量应用，也需要一些工程图片来丰富；所以也采用多媒体。

专业实验一直都是验证理论教学，增强工程实感，巩固理论知识的有力工具。由于课时的限制，化工设备机械基础课程不可能进行专业实验，所以以实物（特殊工程材料实物、压力爆破后的试件），视频（拉伸试验、外压失稳等），以及图片的方式让学生了解专业实验。

在教学的过程中，发现学生对实物很感兴趣，如压力爆破后的试件，可以让学生深刻地感受到钢材的许用应力到底有多么强大，几个毫米的试件都可以承受几百米的水柱压力；而且仔细观察，还可以发现断面有一定的角度，和45°方向上切应力最大有关；还可以印证周向应力和经向应力的二倍关系，因为断口平行于轴向。在讲解拉伸实验时，也可以将铸铁和低碳钢的试样带至课堂，让学生传阅，然后分析。工程材料的实物，学生也很感兴趣，如介绍橡胶的弹性和抗撕裂性能，让同学用尽全身力气也不能撕开ф10的O形圈，可以让学生记忆深刻，而且O形圈容易获得。

通过多年的教学实践，发现板书和多媒体相结合，根据不同的内容确定教学的模式，可以有效地发挥二者的优势，兼顾学生的理解能力和教学效率，提高教学质量。单独采用多媒体教学，学生会出现对概念和基本公式的理解不深，掌握不牢的情况。

4.3.注意体系框架

知识体系框架是主干，对于学习、思考、应用都有大作用，对学生以后的自学也大有好处。化工设备机械基础课程是静力学、材料力学、压力容器与化工设备、化工机器等多门课的融合，这增加了教师上课的难度，也带来了构建过程装备知识体系框架的便利。

不仅要重视一个章节内部的体系框架、逻辑关系，还要重视知识单元内的体系框架、逻辑关系，更要重视不同知识单元之间的逻辑关系，使得整个课程成为一个有机的整体，有利于学生融会贯通，知识巩固，还能节约教学时间。在化工设备机械基础课程中，有可能、也应该将知识体系框架表现出来。

图1所示为“直杆的轴向拉伸与压缩”章节的知识构架，实际上，这也是材料力学里扭转、弯曲的基本知识框架结构，贯穿了材料力学的整个学习。化工设备机械基础课程中的材料力学主线就是强度和刚度，稳定性问题在后面的外压容器失稳才会涉及。直杆轴向拉伸、扭转和弯曲中的强度相关思路，都是从外力到内力，再到应力，最后和许用应力进行比较。在内力求解时，直杆轴向拉伸、扭转和弯曲都采用了截面法，通过内力求解应力的公式从形式上都是内力除以几何结构相关的参数A、W_n和W_x等，最后都是和材料的许用应力进行判断。刚度的逻辑思路也大抵如此。

中低压压力容器基础理论是材料力学的延伸，如拉普拉斯方程的推导过程首先涉及静力学中的力的分解，然后涉及应力的定义和截面法，还涉及二向应力的定义与应用。

在中低压容器设计部分，知识基本构架是设计的流程和在流程中的参数选择，所以选择一个典型的容器设计例题，在讲清基本流程的同时，清楚的注明在哪一页选择哪一个参数有助于学生的对流程和参数选择的掌握。

4.4　清晰深刻的概念

如前面分析，由于客观条件的限制，化工设备机械基础课程的教学目的要求基本概念的清晰和深刻，帮助学生打好化工装备知识的基本基础，有助于自学和交流。和过控学生相比，由于课时的限制和要求的不一样，清晰的基本概念比知识的可应用更为重要。如内力、应力的这些概念在学生时代没有建立起来，以后是不容易建立和深刻理解的。在图1中，也强调了内力与外力的区别，应力应变等概念。在和企事业化工技术工作者的交流中，也发现能够正确应用基本概念分析和阐述问题就是他们对装备类知识最基本和最在意的需求。

4.5　容易理解的例子

由于教学对象对化工装备的了解不多，应该合理使用工程实例，在举例时应该充分考虑到学生的专业知识背景。工程实例往往需要一定的工业背景知识，解释清楚费时，应用不当冲淡主题，过于复杂的例子，学生不易理解，有时候反而不利于形象化和巩固理论知识。和学生生活相关或者学生能够理解的近工业实例也可使用，如二力杆就不宜讲解压缩机中的连杆，随处可见的架线铁塔更为合适。

5　总结

通过对化工设备机械基础课程的教学环境和教学对象的分析，找到了切实可行的教学目的。基于教学目的，分析了教学内容的取舍和主次，还总结了我们在教学的过程中的一些经验和教训。这些对教学目的、内容和方法的认识在教材的编写过程中得到了清晰化，同时也在我们的教学过程中不断的实践和丰富。

参考文献

［1］　陈连，王元文.化工设备机械基础教学改革的若干尝试与实践［J］.化工高等教育，2007，24（1）：19-21.

［2］　潘永亮，吉华，陈志.化工设备机械基础（第三版）［M］.北京：科学出版社，2014.

［3］　张学勤，肖美添，刘勇军.非化工机械专业化工设备机械基础教学体会［J］.南昌教育学院学报，2014（1）：83-85.