过程装备与控制工程专业力学课程教学研究与实践

摘要：随着过程装备的精密化大型化发展趋势，社会对过程装备开发设计人才需求越来越大，力学课程在过程装备与控制工程专业教学中作用日益凸显。分析了力学课程在专业建设中的地位，结合教学实践，分析了课程教学中存在的问题，对课程体系进行了优化，避免课程内容的重复教学。进行了课堂教学方法的探索，并列举了具体的教学实例，提高了课程的教学效果。

关键词：过程装备与控制工程；力学课程；内容优化；教学方法

作者简介：孙铜生（1981-），男，安徽天长人，安徽工程大学机械与汽车工程学院，副教授。（安徽 芜湖 241000）

基金项目：本文系安徽工程大学教学研究项目“过程装备与控制工程专业力学基础课程教学研究与探索”（项目编号：2011xjy32）的研究成果。

中图分类号：G642.0     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2014）14-0110-02

我国的过程装备与控制工程专业始建于20世纪50年代，前身为化工设备与机械专业，由于其应用于加工制造流程性材料产品即过程工业中，且随着自动控制技术在化工机械中得到越来越广泛的应用，1998年经过教育部批准更名为过程装备与控制工程。该专业目标是培养从事过程装备与控制工程领域的工程设计、安装、检修与科研的应用型高级专门人才，专业基础课及专业主干课主要有：理论力学、材料力学、机械设计、机械原理、电工技术、电子技术、工程流体力学、工程热力学、化工原理、流体机械、化工设备设计、化工容器设计、过程装备控制技术、过程装备制造与检测、控制工程基础等，可见力学类课程在专业学习中起着重要的作用。

一、力学课程在过程装备与控制工程专业中的地位

过程装备根据制造方法不同可分为两类：一类以焊接为主要的制造手段，如塔器、换热器、锅炉等，称为过程设备；另一类以机械加工为主要的制造手段，如压缩机、离心机、泵等，称为过程机器。[1]过程设备一般都承受高温、高压，承压部件的设计与制造是过程设备的关键问题，故过程设备又是压力容器，压力容器又分为低压容器（0.1MPa≤p＜1.6MPa）、中压容器（1.6MPa≤p＜10MPa）、高压容器（10MPa≤p＜100MPa）、超高压容器（p≥100MPa）。为了过程装备能够正常工作，需要其具有一定强度、刚度及稳定性，如果装备的结构设计不合理或选材不当，就不能保证装备的正常及安全运行，同时还要满足经济性要求，这就对理论力学及材料力学提出了更高的要求。过程装备中既有以流体能量为原动力的动力机械如蒸汽轮机、内燃机等，又有以流体作为工作介质的工作机械比如泵、各种塔器、换热器、压缩机等，这些过程装备都是以流体静力学、运动学及动力学为基础的，故工程流体力学对过程装备的设计尤为重要。过程装备的主要目的是为了获得产品，从原材料到产品要经历一系列物理的或化学的反应，这些反应伴随着能量的转换，特别是热能与机械能的转换，而工程热力学的研究内容就是能量的转换规律、提高能量转化效率的途径及能源利用的经济性，故工程热力学是过程装备与控制工程专业的一门基础性课程。可见，力学类课程可为学生学习专业知识和从事本专业的科研、生产工作奠定必备的理论基础。

二、力学课程教学问题及内容优化

1.课程存在的问题

通过对开设过程装备与控制工程专业的部分院校走访及对各力学教材的分析，发现目前专业力学课程存在的主要问题有：

（1）基础课程和专业课程的衔接不好。比如在工程流体力学里讲述了流体动力学方程式及管中流动等，而在流体机械中这些基础知识重复出现；工程热力学中的压气机热力过程及制冷循环在流体机械中也有重复；理论力学中的摩擦在机械设计中也有相关内容，材料力学中的平板弯曲分析理论与过程设备设计中有关内容重复等；工程流体力学中的流体静力学基本方程式、流体在管中流体的连续方程式和能量方程式、流体粘性和牛顿定律、层流及湍流、流体流动的沿程阻力及局部阻力等内容均在化工原理中出现。

（2）力学课程之间也存在内容交叉。比如工程流体力学和工程热力学中都有关于气体和蒸汽的流动、定熵和绝热气流的基本方程式的章节，工程流体力学中的流体状态参数和工程热力学的工质状态参数内容重复；理论力学中的动量矩定理在工程流体力学中重复出现。

综上可见，目前力学基础课停留于教学计划中的自身建设，课程规划缺乏有机协调，课程结构需要进一步优化，避免重复建设和教学资源的浪费。

2.课程内容优化

由于理论力学是学习材料力学的基础，可将将理论力学和材料力学合并为工程力学，工程流体力学及工程热力学单独开设，将专业课中所需要的理论知识全部归并到力学课程中进行讲解，力学课程中的交叉内容按照先上课程先安排的规则进行调整，优化后的主要教学内容有：

（1）工程力学。[2]平面汇交力系；平面力偶系；平面一般力系；空间力系；点的运动及合成运动；钢体的基本运动和平面运动；质点的运动微分方程；刚体转动的微分方程；质点及质点系的动能定理；刚体的惯性力系；动量定理与动量矩定理；虚位移法；轴向拉伸与压缩；剪切的计算；圆轴的扭转；梁的弯曲内力、弯曲应力及弯曲变形的计算；第一、二、三、四强度理论；组合变形及强度计算；压杆稳定性计算。

（2）工程流体力学。[3]流体的基本参数及粘性；流体平衡的微分方程式；重力场中的流体平衡及流体的相对平衡；流体静压强的计算与测量；流体运动的连续方程式；流体运动的微分方程式；伯努利方程式；层流及湍流；管路的沿程阻力及局部阻力计算；薄壁孔出口流；厚壁孔出口流；平面缝隙流体；环形缝隙流动。

（3）工程热力学。[4]热力系统与热力学状态；功和热的概念；热力学第一定律；开口和闭口系统能量方程式；气体和蒸汽的比热容、热力学能、焓和熵；气体和蒸汽的基本热力过程；热力学第二定律；卡诺循环与卡诺定理；孤立系统熵增原理；压气机的热力过程；制冷循环；气体动力循环；蒸汽动力装置循环；实际气体性质及热力学表达式。

三、力学课程教学方法探索

1.理解记忆教学法

教学中发现学生学习过程中存在以下两个问题：

（1）部分同学觉得力学课程太难，书上随便哪一页都可以看到公式，一本书学下来接触的公式基本上都在几百个，便放弃了课程学习。

（2）部分同学认为既然力学就是公式的组合，那么平时上课不需要听讲，考试前把公式背一遍就可以了。其实这两种态度都是不可取的，力学课的公式虽多，但大多数公式都是基于一些基本的定理推导来的，只要理解这些定理的实质就能灵活应用，大多数的公式都可以通过简单的推理得来，所以在教学中要特别注意基本定理的讲解。比如工程热力学课程内容基本是建立在热力学第一定律和第二定律的基础上，在进行热力学第一定律讲解时，首先应从能量守恒原理讲起，能量不生不灭，热力系统存储能量的增量等于进入系统能量与离开系统能量的差值，而热力系统又分为开口系统和闭口系统，因此第一定律表达式有两种形式，难点在于开口系统表达式的推导，只要逐次分析进入系统的能量的组成、离开系统的能量组成及系统储存能量组成并用表达式表示，那么开口系统能量表达式就不难理解了。再如，工程力学中讲解如何提高梁抗弯能力的措施时，结合梁弯曲时的正应力强度条件。因此，不难理解如下措施：第一，选用合理的截面：由正应力强度条件可知，梁的抗弯能力还取决于抗弯截面系数。而材料的重量又取决于梁的截面积，因此可把抗弯截面系数除梁截面积作为一个衡量指标，以达到既提高强度，又节省材料的目的。第二，采用变截面梁：从正应力强度条件可以看出，横力弯曲时，梁的弯矩是随截面位置而变化的，位置不同弯矩的大小不同，在某个截面处弯矩最大，若设计成等截面的梁，只有最大弯矩所在截面处正应力达到许用应力值，材料强度得不到充分发挥。为了减少材料消耗、减轻重量，可把梁制成截面随截面位置变化的变截面梁。第三，适当布置载荷和支座位置：从正应力强度条件可以看出，在抗弯截面模量不变的情况下，最大弯矩越小，梁的承载能力越高，应合理地安排梁的支承及加载方式以降低最大弯矩值。

2.工程实践教学法

力学课程主要任务在于：通过对课程的学习，可提高学生力学基础理论水平，培养学生分析和处理问题的抽象能力和逻辑思维能力，为学生从事过程装备本专业的设计工作奠定必备的理论基础，同时可训练学生在实际工程中的理论联系实际的能力。因此在力学课程讲解过程中，要注重将力学知识和工程实例结合起来进行讲解。[5，6]一方面可以加深同学们对课程的认识，训练并提高从事设备设计工作的实践能力；另一方面可激发同学们的学习兴趣，从枯燥的公式推理中解脱出来，提高学习效率。例如，在进行逆向卡诺循环讲解时，逆向卡诺循环又分为制冷循环和热泵循环，通过理解记忆教学法推出制冷系数和供暖系数分别为：

（1）

（2）

这里，q1为工质向高温热源的放热量，q2为工质从低温热源的吸热量，T1为高温热源温度，T2为低温热源温度。这四个参数在理解时往往会混淆，为什么会从低温热源吸热向高温热源放热？为什么在同一个循环下会有制冷和供暖两种效应？为什么制冷系数用从低温热源的吸热量除循环净功而供暖系数却用向高温热源的放热量除循环净功呢？这里就可以引入空调的实例，夏天时把模式调到制冷上，空调就会吹出凉风，冬天时把模式调到供暖时，空调就会吹出暖风。夏天，室外比室内温度高，室外就是高温热源，室内是低温热源，制冷的原因就在于把室内（低温热源）的热量排向室外（高温热源），这就实现了从低温热源吸热向高温热源放热，同时室内制冷效果就在于从室内吸收的热量的多少，因此制冷系数把q2作为分子。冬天，室内比室外的温度高，室外就是低温热源，室内是高温热源，供暖的原因在于把室外（低温热源）的热量排向了室内（低温热源），同样实现了从低温热源吸热向高温热源放热，室内供暖的效果在于从室外吸收的热量的多少，所以供暖系数把q1作为分子。

3.知识串联教学法

过程装备的设计过程中往往需要把所学力学课程的知识进行综合，在一门力学授课课程中不能与其他力学课程独立，要注意将力学课程知识进行衔接，使同学们对力学课程形成一个整体思维，以便在今后能灵活应用并有机结合力学基本原理来解决工程实际问题。

例如，在工程流体力学中讲解流体静压强的方向性时，可将其与工程力学中的空间汇交力系知识进行串联，先分别把作用在微元四面体上的力向三个坐标方向进行投影，写出表面力方程为：

（3）

而微元体上的质量力为：

（4）

再根据空间汇交力系的平衡方程，表面力和质量力的合力在三个坐标方向的投影都为零，从而可得出在三个坐标方向的压强相等，也即流体静压强无方向性的结论。

四、结束语

力学课程在过程装备与控制工程专业建设中要引起足够重视，教学内容优化可避免重复教学，使学生在有限的课堂中能学习更多的专业知识，在教学过程中要不断探索教学方法，提高教学效果，营造良好的教学气氛，全面提高学生的综合素质。

参考文献：

[1]邹广华,刘强.过程装备制造与检测[M].北京:化学工业出版社,

2012.

[2]北京科技大学,东北大学.工程力学[M].北京:高等教育出版社,2010.

[3]张也影.流体力学[M].北京:高等教育出版社,2005.

[4]沈维道,童钧耕.工程热力学[M].北京:高等教育出版社,2010.

[5]聂永芳,张素君,曹军.突破传统教学模式深化工程力学课程改革[J].力学与实践,2010,(32):98-99.

[6]吴吁生,邢改兰.工程热力学课程教学改革[J].化工高等教育,

2007,(5):18-20.

（责任编辑：王意琴）

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