流体力学基本知识范文

导语：如何才能写好一篇流体力学基本知识，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

Measurement in Fluid

Mechanics

2005, 354pp.

HardcoverUSD85.00

ISBN 978-0-521-81518-5

S.塔沃拉里斯 著

本书全面阐述流体力学中的各种测量方法，既有经典的方法，又有最新的技术，内容包括流量、压力、速度、温度和壁的切应力等参数的测量，以及流动可视化。书中涉及大量有关系统响应、测量的不确定性、信号分析、光学、流体力学仪器和实验室实践等基本素材，还有丰富的插图，大量的参考文献和100多个练习，是流体力学研究的有用工具。

全书分为两部分含15章。第一部分一般概念，含第1~7章。第1章流动的性质和基本原理，论述流体力学的基本原理；第2章测量系统，介绍各种测量系统中所用的定义和概念；第3章测量的不确定性，讨论测量的不确定性的定义和估计的方法；第4章信号调节、识别和分析，叙述信号调节、识别和统计处理所需的仪器操作和程序方面的基础知识；第5章光学实验的基础，介绍光学测量所需的概念和基本知识；第6章流体力学的设备，汇集流体力学测量设备的基本元素，供读者在设计时选择参考；第7章走近完美的试验，讨论进行完美的试验所需的一些因素。第二部分测量技术，含第8~15章。第8章流动压力的测量，介绍在流体动力学试验室测量压力所用的相关设备；第9章流量的测量，阐述测量流量所用的一般仪器和技术；第10章流动的可视化技术，简单介绍流动显示技术的通用方法；第11章局部流动速度的测量，讨论流动速度测量的几种方法；第12章温度的测量，阐述一般的温度计和在流体力学研究中使用的其他测量温度方法；第13章成分的测量，叙述混合流体中识别成分和相对比例的方法；第14章壁切应力的测量，简述流体流动时，与流体接触的表面上流体的切向力；第15章展望，指出实验流体力学发展的方向。

本书自成一体，通俗易懂，可作为流体力学测量相关领域的大学生和研究生的教科书，也可供流体力学测量技术的工程师和科学家参考和阅读。

吴永礼，研究员

(中国科学院力学研究所)

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在传热与流体流动问题的数值计算研究中，主要存在两种思路，一种是应用数学家针对空气动力学问题发展的可压缩流动计算方法，以有限差分法为主，国内习惯上称其为计算流体力学（CFD）；另一种是物理学家针对传热问题发展的不可压缩流动计算方法，以有限体积法为主，国内习惯上称为计算传热学（NHT）。通过某种特殊处理，两种思路都试图将方法推广到另一种思路所侧重的问题。流体流动和传热现象十分复杂，其中不少子课题均可并且已经形成独立的学科。数学模型和数值计算方法也名目繁多、千姿百态。想要花费较少的时间历数各类流动和传热现象、各类数学模型和数值方法，几乎是不可能；对于初学者来说也没有这个必要[2]。许多专门讲解计算流体力学的各种书籍，由于需要较多的数学知识，而显得晦涩难懂。针对初学者的教学内容应该是能够突出介绍传热和流体流动数值计算核心算法，而又尽量避免深奥的数学知识，特别是为他们克服最初的入门障碍，以便建立起对CFD和NHT的兴趣和信心，为继续学习更深入的相关知识做好铺垫。教学过程中要力求做到以较简单的数学方程来解释计算流体力学和计算传热学的基本知识。在世界范围内得到广泛认可的作为CFD和NHT入门学习的教材有1980年PatankarS.V.[6]撰写的《Nu-mericalHeatTransferandFluidFlow》（1984年张政[7]译为中文，科学出版社出版），1995年VersyeegH.K.和MalalasekeraW.[8]撰写的《AnIntroductiontoComputationalFluidDynam-ics—theFiniteVolumeMethod》（2005年李人宪[9]撰写的《有限体积法基础》大量参考了此书的有关内容（作者注），国防工业出版社出版），1995年AndersonJ.D.[10]撰写的《Computa-tionalFluidDynamics—theBasicswithApplications》（2007年吴颂平和刘赵淼[2]译为中文版，机械工业出版社出版）。这三本书中，前两本主要介绍有限体积法，数值计算方法主要为压力修正的SIMPLE算法系列；第三本书主要专门介绍有限差分法，对有限体积法只是一带而过。我们知道，当前流体流动和传热问题的数值计算方法有多种，如有限体积法、有限差分法、有限元法、谱分析法、各类格子类方法等。每一种方法都有其特点和使用范围。在应用于传热和流体流动问题数值计算的众多方法中，有限体积法由于其物理意义明确、实施过程简便、数值特性优良而获得了特别广泛的应用，是当前主流通用商品化CFD软件（如：PHOENICS、FLU-ENT、Star-CD、CFX）中最常用的核心算法，也是最为成熟的一种方法。特别是自20世纪80年代以来，由于非结构化网格和自适应网格技术的发展，有限体积法更是得到了长足的进步。值得指出的是，虽然有限体积法表现出优异的程序通用性和对求解域的广泛适应性，但因为这样的原因而只是去了解有限体积法的知识是不够的。原因如下：第一方面，有限差分法是有限体积法的基础，有限体积法是在有限差分法的基础上发展起来的。第二方面，如何分析和判断一个离散格式的有效性和可靠性，即离散格式的数学特性（相容性、收敛性、稳定性、数值耗散与色散）的分析，必须借助于有限差分法才能完成。有限体积法是无法看见离散格式的内在微观特性的。这也是很多初学者学习完计算传热学（有限体积法）后，再去学习计算流体力学（有限差分法）时仍然感到吃力和困难的原因。有限差分法更多地是建立在数学概念上的，需要学习者要有较为厚实的数学功底；有限体积法是从物理概念入手，显然容易理解和接受，但难以透彻理解各物理量的内在联系。第三方面，有限差分法简便易行、格式和离散方案丰富多彩，求解变量设置随意，是初学者练习编写小程序而能深刻理解数值计算精髓很好的方法。第四方面，有限体积法在当前仍然被广泛使用，特别是在航空航天领域更是必不可少。综上所述，对于教授初学传热与流体流动数值计算的学生而言，在安排教学内容时应当涵盖有限体积法和有限差分法两方面的内容。两种方法是否应当有所侧重，得依据修课学生的专业情况来具体舍取。另外，对于初学者要立足基础，突出物理概念和数学模型的循序渐进、由浅入深。因为精确科学的目标就是通过数学而简化自然界的问题，以确定物理上的量。反之，片面追求起点高、内容深，会使大部分学生感到畏惧，敬而远之，从而失去继续深入学习的兴趣。

二、明确本课程的学习方法

鉴于传热与流体流动数值计算课程的重要性，特别是许多学生在接下来的学位论文工作时，都要采用数值计算的手段去研究自己的特定问题。那么如何才能学好CFD或NHT？或者是应该采用什么样的方法来学好这门课程？这是初学者经常爱询问的问题。有效的学习方法能起到事半功倍的效果，对于本门课程学习中需要注意以下几方面的问题：1.要有扎实的流体力学和传热学基本知识。所谓计算流体力学或计算传热学，顾名思义，就是数值计算和流体力学（或传热学）两方面知识的结合。要想学好CFD和NHT，首先要有扎实的数学功底、流体力学和传热学的基本知识。在理解并应用CFD和NHT的所有知识之前，我们必须充分理解流体力学和传热学控制方程，包括它们的数学形式和它们所描述的物理现象。有的同学在学习过程中想要绕过流体力学和传热学的基本知识，特别是粘性流体力学的内容，最终的效果只能是知其然而不知其所以然。2.不要忽视自己动手编写程序。这是一门理论和编程并重的课程，应使理论与编程操作相结合，二者才能相得益彰。因此，想要学好CFD和NHT，应该鼓励自己去编写一些计算简单问题的程序。而且只有通过编写程序来亲手实践，才能了解CFD和NHT究竟是如何一回事。3.要学习使用商品软件。自己编程是一个良好的学习方法，针对某一较简单的问题编程容易实现；而对于复杂问题，自己动手从零开始编写程序将会是一个繁杂的工作。对于作为工程计算而非专门的研究型人员来说，学会使用一个通用的商品软件是有益的，像流行的PHOENICS、FLU-ENT、CFX和Star-CD等商品软件，虽说不是针对性软件，应用于某些专门问题的计算时可能表现出效率低、精度低，但要自己编制一个计算复杂流场的软件，还是要慎重思考。

三、结束语

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关键词：计算流体力学;CFD数值模拟;项目驱动;实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）06-0141-02

计算流体力学CFD是流体力学的一个分支，是能源与动力工程类专业的重要基础课。课程讲授CFD数值模拟的基本思想、基本方法以及常用CFD数值模拟工具的使用，通过教学使学生了解、掌握CFD数值模拟的基本知识，为将来在涉及流体流动问题的研究和设计工作中应用CFD数值模拟打下基础。在计算流体力学教学中，可将仿真技术以项目驱动的方式加入到实践教学环节，以加深对概念、公式以及数值方法的理解，进而激发学生探索性学习能力。如何利用好仿真软件的专业优势，将其引入到计算流体力学实践教学中来，提高教学效果是本文要探讨的主要问题。

一、CFD数值模拟在项目驱动实践教学中的优势

根据课程教学任务及其特点，选择适用的教学方式是提高教学效果的关键。传统的教学模式以教师授课为中心，注重基础理论知识的传授与讲解。在教学过程中，教师往往花费大量的时间和精力介绍计算流体力学的基本原理并进行相关理论公式的推导，学生并不能理解计算流体力学的工程应用背景和意义，学生所接受的理论知识绝大部分来源于授课教师的灌输。

由于计算流体力学课程涉及内容的复杂性，传统的教学方法与手段，使得教师和学生在此课程的讲授和学习中都遇到一定的困难和问题。涉及基本方程和数值方法公式推导的部分，传统的板书教学方式可使学生对推导过程进行逻辑思维，对推导得到的公式和结果也会更加印象深刻。对于比较复杂、抽象的教学内容以及公式的应用，则可借助计算机仿真平台的方式进行辅助教学，让学生直观地了解不同公式的应用过程和数值模拟结果。由于流体力学控制方程一般是非线性的，只有极少数情况下才能得到解析解，与工程相关的复杂流体力学问题几乎不能得到解析解，而实验研究一般是在模拟条件下完成的，几乎所有的地面实验设备都不能完全满足所有参数和相似定理的要求。通过CFD数值模拟技术，可以设计一些虚拟的实验，过程中可选用不同公式模型和数值方法，数值模拟所得的结果直观，弥补了理论教学内容的不足。

项目驱动教学，或称项目驱动下的学习、基于项目的学习，是一种以学生为中心的教育方式。要求学生通过一系列个人或合作完成的任务，借助他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，解决现实中的问题，获取知识和技能[1]。在项目驱动实践教学中，借助CFD数值模拟形象的模型分析与演示，既便于教师对计算流体力学应用于工程问题的知识讲述，又使学生对计算流体力学理论知识有更加深刻的理解。

二、CFD数值模拟在项目驱动实践教学应用中的关键问题

1.根据计算流体力学教材，结合学生的具体学习情况，对某些重点、难点以及不宜课堂讲解的地方，考虑能否应用CFD数值模拟进行辅助教学。在教学过程中，需要根据具体的教学内容选择恰当的项目案例，结合传统教学方法与现代教学方法，使其发挥各自优势才能获得更好的教学效果。

2.在教学过程中，向学生展示CFD数值模拟在计算流体力学领域的前沿应用、经典案例。在课程教学中可以随时调用视频录像或仿真软件，将计算流体力学的一些前处理、流场计算和后处理等复杂问题进行动态仿真演示。这样可以激发学生利用相关数值模拟软件对理论知识进行进一步的学习的积极性和主动性，为后续课程设计、毕业设计乃至展开创新创业项目打下基础。

3.选取若干具体案例为“项目”任务以达到对前一阶段课堂讲授知识、技能传授的总结与升华;项目内容中含有学生从来未遇到的问题，需要具备有一定难度。应用CFD数值模拟软件建立计算流体力学仿真分析实例库，这样老师就可以方便地进行讲解，并给学生提供直观、形象的过程与结论，学生理解起来会更容易。

三、CFD数值模拟在项目驱动实践教学的应用案例

1.概念设计。气力输送过程非常复杂，过去和现在多依靠试验数据、经验数据来解决问题。对一般粉体材料，在经验数据充分时，可以得到比较可靠的结果。传统方式靠人工计算过于费时间，现在可以利用计算机进行数值模拟，能较快地得到计算结果。计算机能在较短的时间内绘出初步的图纸，因此在粉体的气力输送过程中能做更多的方案比较，使设计更加合理。数值模拟可以提供一些实验测量中无法提供的数据。在概念设计阶段，老师和学生进行项目的讨论。教师起初先不必框定具体的设计内容，而是要引导学生根据工程应用的实际情况进行头脑风暴，获得设计的大方向，进而指导学生进一步通过阅读文献和资料收集，确立实施思路和初步的方案，获取可借鉴的工程案例。

2.详细设计。在详细设计阶段，教师需要预先讲授CFD数值模拟工具的使用，以Fluent为例，该软件是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。在这个阶段，学生通过对现场气力输送过程的调研资料和文献资料，结合气力输送设备工艺特点，利用计算流体力学仿真软件Fluent建立可靠的气力输送三维数学模型。对所建立的数值模拟模型进行网格划分，如图1所示，在此过程中，教师可以为学生讲解计算域离散成网格点的过程。在此基础上，利用所建立的气力输送三维数学模型对飞灰的气力输送进行数值模拟，将数值模拟结果和实验测量值进行对比，由此对所建立的数学模型的可靠性和适用性进行验证。

3.发现问题。项目驱动的教学中教师需要着重引导学校在工程应用中发现问题，挖掘导致问题产生的根源，在CFD模拟过程中，要确定边界条件、数学模型和求解方法。气力输送属于大型工业输送物料设备，虽然输送管道几何形状简单，但是总长度较长，并且管道内的输送过程涉及到固相和气相相互作用、物料颗粒湍动粘度以及颗粒间的相互碰撞，过程非常复杂。在此过程中，老师可以为学生讲解各种边界条件的优缺点以及选择依据、数学模型的原理和应用范围、求解格式的选择及相应的计算方法和方程。

4.改进设计。将模型预测结果与实验测量值进行分析和比较，分析边界条件、数学模型和求解方法对结果产生的影响，通过查阅文献了解最新CFD数值模拟技术和方法，并尝试应用到项目驱动实践教学中，提高数值模拟预测结果的准确性。可以利用该数值模拟数据研究气力输送旁管道内压降随着颗粒直径、颗粒密度的变化规律，并通过改变旁通管几何比以及壁面粗糙度的大小，研究管道结构和管道特性对压降的影响。

从“概念设计”、“详细设计”、“发现问题”和“改进设计”这几个项目驱动的实践教学环节可以看到，项目驱动式教学的最主要的特征就是教师引导学生通过寻找完成工作任务的途径与方法，围绕工作项目完成调查研究、网络信息搜集、文献查阅、个人独立思考、讨论答辩、团队合作学习等各项相关的实践与创造活动[2]。

在实施过程中，教师应引导学生查阅资料获取类似项目的技术路线、解决方案与相关专业知识点，对错误明显的方案做适当的引导、纠正，使方案尽量集中在合理的范围之内[3]。需要选择贴近实践的项目案例，将CFD数值模拟软件融入到分组学习和应用指导的整个过程，使学生在项目学习及完成过程中加深对理论知识的理解及实际应用，提升学生分析问题、解决问题的能力。

四、结束语

项目驱动教学在实施的过程中，表现出以项目为本位、以学生为主体的重要特征。教师教授和引导的是项目实施所需的技能、系统知识和应用知识，最终考核的是学生对知识的理解、应用、创新和总结。将CFD数值模拟技术应用到计算流体力学理论教学，可以使教学质量得到明显提高，可以帮助克服客观实际条件对理论教学的制约，加深学生对理论知识的理解，并激发学习和研究的兴趣。

参考文献：

[1]马玲玲.项目驱动教学法培养学生自主学习能力研究[J].山西广播电视大学学报，2010，（3）.

[2]王福军.计算流体动力学分析――CFD软件原理与应用[M].清华大学出版社，2004.

[3][美]约翰D.安德森（John D. Anderson）.计算流体力学基础及其应用[M].吴颂平，刘赵淼，译.北京：机械工业出版社，2007.

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关键词：土木工程专业；建筑设备工程；课程内容；改革

中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：10052909（2012）06006802一、土木工程专业的培养目标

根据《高等学校土木工程专业本科教育培养目标和培养方案及课程教学大纲》［1］可知，土木工程专业培养掌握土木工程学科的基本理论和基本知识，能在房屋建筑、隧道与地下建筑、公路与城市道路、铁道工程、桥梁、矿山建筑等的设计、施工、管理、咨询、监理、研究、教育、投资和开发部门从事技术或管理工作，具有初步的项目规划和研究开发能力的高级工程技术人才。

二、土木工程专业与建筑设备工程的联系

房屋建筑是土木工程内容之一，而建筑设备工程是房屋建筑中不可缺少的组成部分，必须与建筑、结构相互配合才能发挥建筑物的应用功能。各种建筑设备工程都离不开管道，在建筑物中要安装这些管道，不可避免的要穿越墙体、楼板和基础，土建施工中要预留穿过楼板的孔洞，如果没预留，临时凿洞，既浪费劳动力又影响施工质量，这些说明了土木建筑工程与设备工程之间有着密不可分的关系，土木施工技术人员必须对设备工程知识有一定的掌握和了解。

三、土木工程专业建筑设备工程课程内容在教学中存在的问题

（一）课程内容与土木工程专业联系不大，与专业其他课程有重叠

建筑设备工程是土木工程专业的一门应用性专业技术课程。学生学习的目的在于掌握建筑设备工程技术的基本知识和基本理论，具有综合考虑和合理处理各种建筑设备与建筑主体之间关系的能力，从而能做出适用、经济的建筑设计。该课程并不要求土木专业学生掌握建筑设备工程技术的理论基础和相关各类工程的设计计算。如在课程中，设置了室内给排水管网、室内供热管网，以及通风管道等有关建筑设备工程设计计算的内容，这些内容是建筑环境与设备工程专业的核心内容，而对于土木工程专业，根据专业培养目标，不要求学生具有建筑设备工程设计的能力。

此外，课程中对流体力学、传热学、电工学基本知识的讲述占用了一定篇幅，这三门课是建筑设备工程的专业基础，这些知识的学习有助于学生掌握建筑设备基本知识，而该课程本身内容较多，且在土木工程专业开设的流体力学和电工学课程中已有讲述，课程中这部分内容的设置既占用了学习时间又分散了学习精力［2］。

（二）课程中与土木工程专业有关的内容范围较小

根据专业培养目标，土木工程既包括房屋建筑工程也包括桥梁隧道工程，因而与土木工程有关的设备工程既有房屋建筑内的设备工程，也有与桥梁道路有关的室外设备工程。现有的《建筑设备工程》教材主要包括建筑给排水、供暖工程、通风空调、电气照明等内容。这些内容主要是房屋建筑内的设备工程，只涉及了与土木工程专业有关的部分内容，而对于与房屋建筑外的土木工程有关的设备工程没有讲述。如课程中涉及到供暖工程，只讲述了室内采暖，没有室外采暖管网的布置敷设以及施工安装等内容，而这些内容涉及到管沟的建造以及与室外构筑物、交通线路、各种管道的相互协调等，与土木工程有一定联系，有助于培养学生的专业技能。

12高等建筑教育2012年第21卷第6期

王利霞土木工程专业建筑设备工程课程内容改革研究

（三）课程中关于各种系统工程施工图识读的内容较少

对土木工程专业而言，建筑设备工程课程重点应放在建筑设备与建筑主体结构的关系，以及建筑设备与建筑施工技术的结合上，而建筑设备工程施工图能充分反映这两个方面的内容。在现有的教材中，具有专业针对性的教材很少，各种专业使用的建筑设备工程教材内容基本相同，教材中没有完整的室内外给排水施工图、室内外供热管网施工图、空调和通风系统施工图，以及这些图纸的识读方法，教材中关于各种建筑设备工程施工与土建施工相互配合的内容也较少。土木专业的学生看不懂设备施工图，在施工过程中难以实现设备与结构、建筑外形的相互协调。

四、土木工程专业建筑设备工程课程内容改革建议

（一）删去各个系统水力计算内容，删去课程中流体力学和电工学相关知识

建筑设备工程课程涉及内容繁杂，包括采暖、通风空调、室内给排水、燃气供应以及相应的专业基础知识—热工流体知识。内容几乎涵盖了建筑环境与设备工程专业的所有内容。内容非常多，而建筑设备工程课程对于土木专业来说并非主干课，教学时数较少，因而在较少的时间要学习较多的内容，教师和学生都很吃力，且效果不佳。因此，对于土木工程专业，应删去供热、给排水、通风空调系统的水力计算以及流体电工等专业基本知识和内容。

（二）增加室外管网的布置敷设及施工内容

建筑设备工程包括各种管网，如给排水管网、供热管网、通风空调管网、燃气管网等。建筑设备工程与土木工程的联系主要体现在各种管网布置、敷设及施工与土木工程的相互协调上，这些内容也应该作为建筑设备工程的主要内容之一。教材不仅要讲述室内管网的布置敷设，而且还应增加室外管网布置敷设及施工安装等相关内容。

（三）将各种设备工程的施工方法和施工图的识读作为重点内容

土木工程专业学生学习建筑设备工程主要应强调应用型知识，在教材中，应向学生提供必要的数据、施工方法、常见质量通病及预防措施、验收规范要求等知识，应把施工方法及施工、土建的配合作为重点内容，在教材中应增加各种系统的施工图，强化学生的识图能力。

五、结语

在土木专业中，建筑设备工程是一门应用性的专业技术课，针对该课程内容多、课时少的特点，以及结合土木工程专业要求，对现有教材内容进行适当增减，突出重点内容，编写出专业针对性强的教材，以培养土木专业学生具有协调建筑结构与设备施工的能力。

参考文献：

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1 实验实践教学中的相关问题

从国内相关院校以及上海海洋大学工程学院工程基础实验、实践教材建设情况看，目前理论与实际相联系的内容详实、规范实用的实验、实践教学系列教材十分缺乏[5]。上海海洋大学经过几年的实践教学探索，虽然取得一些成绩，但也存在需要改进与完善的问题：首先，在实验、实践教材建设上没有系列化，正式出版的实践教材很少；其次，实验实践教学内容缺少深度和层次性，缺乏相关课程群组的关联与集成，较常采用传习性、因袭性的教育方法，缺乏对学生探究问题的鼓励；再次，实验实践教学考核模式单一，缺乏考核的层次性和多样性，采用所有学生按部就班地做一样的案例的方式较多，不利于学生综合能力和创新意识的培养[6]。

为了解决上述问题，实现上述目标，就要更好地发挥高校本科实验实践教学的作用。工程力学基础尤其是工程流体力学是海洋类大学的重要基础课程，本文以工程力学基础课程（工程流体力学）为主要研究对象，通过对本课程大纲、环节模块以及相关课程群的梳理，调研分析现行课程实验实践内容、条件以及不足之处，利用模块化层次化的架构，探索实验实践中的管理与运行机制。鉴于上海市教委对大学生创新的鼓励与项目的加大投入，本文提出对基于大学生创新能力培养的实验实践教学优化管理方案的研究，通过本科生创新思路、想法以及项目的综合分析利用，推动实验实践教学体系的优化进程。针对实验实践环节条件与教材完善，学生创新思想引导理论教学与实验实践内容深化，以及实验实践教学多方式灵活考核方法等方面展开探索，对现行工程力学基础课程实验实践教学的优化管理进行研究。

2 基于创新能力培养的教学优化管理方法

针对上述问题，基于大学生创新能力培养，推进工程力学基础课程实验实践教学的优化管理模式，优化工程综合类本科实验实践教学质量的关键领域和薄弱环节，优化本科实验实践教学的管理模块与层次，更好地为学校教学综合管理提升以及本科学生能力培养和素质提高提供服务和参考。

方法实施的主要流程包括：

1）以工程流体力学专业基础课程为对象，分析现有教学大纲，理清各个环节模块关系，研究构建学校、学院其他与之相关的课程群模型，完成与工程流体力学课程内容匹配与互补的体系架构；

2）总结现有实验实践课程开设情况与条件，分析与现有课程群组的关联关系，总结尚缺的环节条件；

3）调研分析现有大学生创新项目，结合工程流体力学理论课程与实验实践课程，完善更新实验实践教学系列教材；

4）以现有大学生创新思想需求及项目为基础，深化扩充现有实验实践教学案例、内容、环节及模块；

5）按照模块化训练模式，主要包括基础训练模块、专业训练模块以及综合训练模块来进行。

3 实施效果及分析

以上海海洋大学大三下学期本科学生为对象，针对开设的工程流体力学理论课程与实验课程、物流系统建模与仿真实践课程，采用上述方法，具体步骤如下。

1）整理大学生创新思想及项目，融入实验实践课程内容中，推进完善教学内容。

2）基于层次化、模块化的递阶式研究方法，分析并构建工程力学基础课程本科实验实践教学的优化管理机制与体系。

3）结合理论教学条件内容，在基础训练模块中，所涉及的实验实践内容主要是操作性实验，此类实验着重培养学生对应用及专业基本知识的理解和掌握，培养学生严肃认真的态度并为后续课程的学习提供基础知识。

4）在专业训练模块所涉及的实验实践内容主要是分析设计性实验，此类实验着重训练学生运用所学知识和获得的基本的实验技能，综合多课程群组的综合知识，在教师指导下对专业知识的全面理解和掌握，培养学生综合运用知识的能力以及创新思维设想。

5）在综合训练模块中所涉及的实验实践内容主要是综合性实验，结合现有和预想的创新思路项目，此类实验着重把理论知识和实际运用结合起来，接近实际工作，并深化学生在前两个模块中掌握的实验方法和操作技能，培养学生的综合分析能力和创新能力。

6）利用实验与问卷调查结合的方法，验证所获得的研究成果的有效性和实用性。

方法通过两届学生课堂实施进行验证，实施过程中的课堂效果与学生表现良好，课堂质量以及互动明显提升。分别对两届4个班的48名学生进行抽样问卷调查，通过结果分析显示：42名学生喜欢基于大学生创新能力培养的实验实践课程改革模式，3名学生选择一般，3名学生选择不喜欢而更习惯于传统教学方式；43名学生认为该方法值得推广到其他相应课程，4名选择一般，1名选择不值得推荐；对于存在的问题，学生反映较多的是除了大学生创新思想引导，还应加入更多的工程案例，因此融入合适的工程案例是继续改进的内容；同时学生通过课程引导，思路源于课程实验与实践，新增获5项大学生创新项目。

4 结束语

本科实验实践教学是培养大学生动手能力、创新能力以及解决分析处理实际问题能力过程中不可缺少的重要环节，而大学生创新精神和创新能力的培养与实验实践教学的管理机制是相辅相成、密不可分的。以工程流体力学实验实践课程为例，本文提出的基于大学生创新能力培养的方法在于改革优化现有的工程力学基础实验实践教学管理体制和运行模式，突破实验实践教学传统的不适应新形势的管理理念，创造新的人才培养模式，多角度全方位为学生实验实践教学管理与质量的提升提供参考。基于大学生创新能力培养，促进本科实验实践教学质量及管理机制的有效运转与提升，在全方位培养学生创新项目与能力的基础上，更好地推动工程力学基础课程本科实验实践教学的完善运转，更好地为学校其他专业课程的实验实践教学管理给予借鉴与参考。

参考文献

[1]孔鹏.高校文科类开放式实验教学的研究[J].高校实验室工作研究，2011（2）：26-28.

[2]王伟，孟祥贵，安寅.“创新人才培养模式”下的实验教学改革探索[J].实验科学与技术，2013，11（2）：144-146.

[3]程瑛琨，孟庆繁，刘成柏，等.高校基础实验教学质量评估体系的研究[J].高教论坛，2006（2）：116-118.

[4]阳国亮，曾冬梅.构建创新教育体系全面提高大学生的创新精神和实践能力[J].实验室研究与探索，2008，27（12）：

4-6.

[5]程永强，苗淑清，张建文，等.地方工科院校加强实践教学的探索与实践[J].实验技术与管理，2013，30（2）：5-9.

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【关键词】矿山安全工程；实践教学；数理力学

一、矿山安全学科分类及属性

矿山安全工程是以矿山生产过程中发生的人身伤害事故为主要研究对象，在总结、分析已经发生的矿山事故经验的基础上，综合运用自然科学、技术科学和管理科学等方面的有关知识，识别和预测矿山生产过程中存在的不安全因素，并采取有效的控制措施防止矿山伤害事故的科学技术知识体系。

矿山安全工程在学科门类上是矿业工程的一个分支，跟采矿工程同属于一级学科矿业工程下面的二级学科。因此，从学科属性和性质上来讲，矿山安全工程专业知识体系的构建也应当遵从矿业工程知识体系构建的学科规律。

现如今，煤矿开采工艺已较为成熟，但是安全性制约了高效性的发挥，主要体现为，随着开采深度的增大，地应力、瓦斯、构造等地质条件恶化，带来了冲击地压、瓦斯突出、热害、水害、火灾等灾害进一步加剧，这对煤矿安全技术提出了新的挑战。如前所述，煤矿生产的新特征对矿山安全工程技术提出了新的要求和挑战。

二、矿山安全教学中存在的问题

当前淡化专业，宽口径、通识教育的导向下，很多属于采矿学科的专业课被一再削减，课程的难度也大大降低。课程太多，学时数不够，艰深课程概论化导致的。在通识教育的倡导下，很多本该扎扎实实细致 讲授的数学物理类、力学类课程只能概论化，甚至完全不讲。而这些较为难懂的课程正是后续课程的基础，更是学生今后向上攀登的基石，缺少了这些硬功夫，学生很难再上一个台阶。

现行矿山安全专业大中专教育中还存在的问题是，学生的数理功底普遍薄弱。在讲授专业课程中发现，学生对课程中的理论公式普遍有一种畏难情绪，也没耐心去认真计算推导，若放在课堂上推导又受到学时的限制，若放在课下学生自学，由于数理功底弱，学生又无法完成自学，这就产生了一个尴尬的局面。大量的文科性质、管理性质的安全管理类课程冲淡了行业专业课程，造成矿山安全工程专业学生底子薄、数理基础弱。

此外，理论教育与实践脱节也是许多学校矿山安全工程教学的疏漏，众多学校着眼于基础理论方面的学习，学生只能从书本中想象具体的操作情况，这显然与该专业的专业需求不匹配。

三、矿山安全教学新思路建议

1.加强数理力学基础，构建合理知识体系

只有采用严密定量化的力学理论才能精确计算，为工程实际提供理论和技术指导，这就需要在知识体系中重点加强数理力学知识。因而矿山安全教育应该构建合理的数理和专业知识结构，如理论力学、材料力学、连续介质力学、传热学、固体力学、流体力学、弹性力学、岩石力学、渗流力学、损伤力学、断裂力学、散体力学、渗流力学等力学知识应该给予充足的学时予以讲授。在强大的数理力学基础上，学生应掌握采矿学、矿山地质学、通风学、工程流体力学、矿山压力岩层控制等专业基础课程。在此基础上可适当学习安全学的一些基本课理论教学与实践结合矿山安全工程包括矿山灾害所有的防治技术，是保障矿山安全的最主要的技术手段。

2.理论教学与实践教学相结合

理论教学以课堂讲课为主，课堂专题讲座和讨论、影音教学和案例教学为辅。在课程讲授过程中，必须使学生全面掌握矿山安全基础知识，构建学生终身受益的知识体系。将“矿山安全工程”知识内容分为九部分内容： 矿山安全现状与管理、伤亡事故发生与预防原理、矿山机电伤害事故预防技术、矿井瓦斯灾害防治、矿山防火防爆、矿尘防治、矿井水害防治、矿山爆破安全、矿山救护等。在课程教学中，不局限于基本知识和基本技能的掌握，更应立足于全面提高学生素质，坚持“以提高矿山安全的综合素质与能力”的课程教学理念，在讲解基本理论、基本技术的基础上，引用大量的案例对不同防治技术进行分析，增强学生的感性认识，促进学生积极思考，提高学生分析问题的能力。

实践教学主要结合理论教学，开展实验室实验、课程设计、现场实习等教学环节。为学生开设相关实验，并鼓励学生开展设计性的综合实验，如矿井瓦斯抽放系统实验设计、矿井火灾灾变时期风流变化实验等。为提高学生应用知识解决实际问题的能力，该课程采用课程设计与现场实习来提高学生的实践能力。针对课程的教学内容，开设了不同内容、不同规模的课程设计。有的设计内容需要设计图纸，如矿井瓦斯抽放系统设计；有的是对某矿山事故进行分析，如利用事故树分析矿山外因火灾的原因。通过课程设计，有力提高了学生应用知识的能力。综合性实验注重对学生实践能力的培养，结合矿山现场的研究项目，选择一些与实践紧密联系、并具有一定难度的实验项目，将实验目的、实验要求以及主要任务交给学生，学生通过自己预习理论知识，查阅资料，进行讨论，掌握实验原理、方法和步骤，组织实验方案的实施，最后完成实验任务。

3.改革传统的考核方式

一是主要对实验课程基本概念和常识等基础知识的考核，采用包括内容、平时的表现、课堂表现、出勤率、回答问题等，占总分的30%。二是采用实验报告占总成绩50%考核；另一项是设计创新性实验形式，它是根据课程的特点而设置的，学生可以根据自身的优势和特长选择其中的实验方法或内容，实验、实践教学过程中提出问题、分析问题和解决问题的能力等等，占总成绩的20%。通过这样的实验教学改革，达到实验教学改革的目的。

四、结语

矿山安全专业大专教育的数理力学基础和知识结构对学生个人职业发展和对矿山企业的服务质量至关重要，此外应该重点加强学生的实践能力教育，引导学生构建匹配合理的知识结构。才能使人才具备更强的竞争力，未来才能在矿业涌现出领军人物。

【参考文献】

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关键词 非均相分离；启发式教学；工程意识；实践教学

中图分类号：G642.4 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2013）09-0099-02

Discussion on Course of Heterogeneous Separation Technology and Equipment//Sun Zhiqian， Wang Jianjun， Wang Zhenbo， Jin Youhai

Abstract Course arrangement and content of heterogeneous separation technology and equipment is introduced， and the aspects of stimulating students’ learning interests， combination of various teaching methods， cultivating students’ engineering consciousness and improving students’ practice ability are discussed to enhance teaching effect.

Key words heterogeneous separation； heuristic teaching； engineering consciousness； practice teaching

非均相分离技术及设备是中国石油大学（华东）过程装备与控制工程专业的专业技术限选课。它涉及化学工程领域中的单元操作技术，主要培养学生运用粉体工程学、流体力学及相关学科的理论知识来解决化学工程领域非均相分离单元操作实际问题。笔者结合教学之中形成的对于非均相分离技术及设备课程教学方法的一些体会和感悟进行探讨。

1 课程基本要求

非均相分离技术及设备的前置课程是粉体工程学和流体力学。粉体工程学亦称颗粒学，主要介绍颗粒学的基本知识及颗粒物性的分析方法与测量技术，使学生具备将颗粒学及其理论应用于流态化、粉体输送和粉体制备技术等工程领域的综合能力；流体力学则主要介绍流体力学的基本概念和原理，使学生具备分析非均相分离过程所涉及的单相与多相流动特性的能力。

非均相分离技术及设备的授课目标是使学生熟悉气态非均相物系和液态非均相物系分离的基本理论知识，掌握重力及惯性分离、旋风分离器、过滤除尘器、电除尘器、水力旋流器、静电聚结器、液固过滤等设备的分离机理及设计计算基本方法，了解湿法捕集、悬浮液的预处理与增浓的基本方法和途径以及离心沉降分离设备的原理，培养学生的工程意识及创新意识，为学生从事化学工程领域内非均相物系分离技术及设备的研究打下扎实的基础。

2 教学方法探讨

笔者根据非均相分离技术及设备的课程特点，结合授课经验与体会，对非均相分离技术及设备课程的教学方法进行探讨。

2.1 采用启发式教学法，激发学生学习兴趣

兴趣是最好的老师。非均相分离技术及设备课程是一门专业性、理论性较强的课程，学生在学习过程中，容易出现提不起兴致、注意力不集中等问题，严重影响授课和学习效果。鉴于此，在授课过程中，采用启发式教学方法，通过列举生活中的实例，讲述其中蕴含的非均相分离原理，激发学生的好奇心和求知欲，取得较好的效果。

例如，在课程的绪论部分，从学生感兴趣的核电工业入手，介绍其工艺及应用，并指出分离设备在整个工艺流程中的作用；而后逐渐深入介绍发电、采油、钻井、西气东输、炼厂相关工艺及设备，并指出日常生活中的吸尘器、滚筒式洗衣机、鱼缸净化器等都是非均相分离技术的应用，激发学生的学习兴趣，为后续课程的深入介绍奠定基础。

又如“重力沉降分离设备”一节中，在阐明“增大沉降面积可以提高分离性能”的观点时，列举两个生活中的实例：

【实例一】国家大剧院的壳体表面积高达3.5万平方米，灰尘易沉降在壳体表面，形成“高性能的露天重力沉降器”。

【实例二】黄河发源于青藏高原，延绵5000多公里，途径9个省份，最终在东营垦利汇入渤海。黄河中上游河流流道窄，流速快，夹带大量泥沙汇至下游，在入海口汇入渤海后沉降面积急剧增大，流速趋缓，河流中泥沙得以沉降，而黄河入海口的内陆面积也因为泥沙沉积而不断增加。

生活处处有物理，留心观察皆学问。通过生活实例，启发学生运用非均相分离原理给出合理解释，激发学生的学习兴趣，使他们主动参与到课堂讨论与学习之中。

2.2 采用板书、PPT课件、视频教学相结合的教学方式

随着计算机技术的普及，高校普遍采用PPT课件进行课堂教学。虽然PPT课件具有信息量大、方便快捷等优点，但是知识点讲解速度较快，尤其在讲解理论推导内容时，绝大多数学生只能被动接受，远远跟不上教师的授课思路，听课效果较差。因此，对于课程中理论推导内容，应辅以板书教学。对于非均相分离设备的内部结构以及多相流动与分离过程的教学，如油气水三相分离器以及卧螺离心机的分离过程等，则可以采用视频教学法。

例如，在讲授“旋风分离器”一节时，对于旋风分离器的分离原理、主要结构形式、分离器内部流场和浓度场分布规律、旋风分离器分离性能的影响因素、旋风分离器的设计方法，以及旋风分离器的磨损及防磨措施等知识点，采用PPT课件进行讲解；对于旋风分离器的相似准数、分离理论、阻力系数、压降计算等知识点采用板书进行授课；对于旋风分离器内部气固两相流动形态、旋风分离器的工业应用等内容通过视频进行教学。板书、PPT、视频相结合的教学方法，可以合理安排教学进度，深入讲解各部分知识点，取得良好效果。

2.3 紧密联系工程实际及科研项目，培养学生工程意识

非均相分离技术及设备主讲教师均为中国石油大学（华东）多相流分离课题成员，长期从事多相流分离技术及装备的研究，先后承担或参与了多项与分离过程和装备有关的技术研发和项目设计，并已取得多项成果，积累了丰富的实践经验。在教学过程中，不仅要教授各类分离设备的分离原理、分离过程、设计方法以及设备分离性能的影响因素，更要紧密联系工程实际，结合科研项目研究内容以及最新科研进展，培养学生的工程意识。例如，在讲授“旋风分离器”一节时，给学生讲述课题组研发PDC、PSC型旋风分离器的过程；在讲授“水力旋流器”一节时，结合课题组在新疆风城油田进行的工业实验进行讲解。通过相关工程项目的介绍，培养了学生的工程意识和创新意识，深化了教学效果。

2.4 增设实践教学环节，锻炼学生动手能力

中国石油大学（华东）多相流分离实验室现有实验室面积约1200平方米，拥有完备的实验分析仪器，如LS230激光粒度测试仪、PH50系列数字显微成像系统、TU-1901双光束紫外可见分光光度计、PIP6.1颗粒图像分析仪、MT1000多功能粉体物性分析仪、多功能原油含水自动测量仪、DE-100L型实验室高剪切分散乳化机、QBZY-1型全自动表面界面张力仪等与非均相分离技术相关的测试仪器。

实验室拥有旋风分离器流场及性能测试实验装置、直流式低速风洞、旋液分离综合试验研究装置、旋液分离热态高温试验研究装置、气液旋流分离试验研究装置、重力聚结分离装置等多套实验装置。非均相分离技术及设备课程设有4学时的实践学时，学生通过参观实验室的仪器设备、观摩实验过程，可以加深对于所学非均相分离知识的理解。此外，实验室内部分实验仪器和实验装置向学生开放，学生可以参与到实验中来，锻炼了动手能力，切实做到学以致用，强化了学习效果。

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上海交通大学

力学学科形成了各具特色、实力雄厚的四个二级学科：流体力学、固体力学、一般力学与力学基础和工程力学。此外，生物力学是力学与生物、医学相结合的交叉学科，其中研究与人类心血管疾病成因及诊治相关的血流动力学是发展较快的领域之一，该方向属于当前国际前沿。

材料科学与工程是上海交大的传统优势学科，前身是冶金系，下设3个二级学科，其中材料学、材料加工工程被评为国家重点学科。

机械工程学科培养了数以万计的专业技术人才，拥有机械制造及其自动化和机械设计及理论2个国家重点学科，整个学科的实力都非常强大。

控制科学与工程学科以其科研覆盖面宽、综合实力强、人才梯队结构合理、培养高层次人才数量多、质量高而列居国内同类学科前茅。控制理论与控制工程、模式识别与智能系统2个学科从1987年开始就一直是国家重点学科。

创立于1943年的船舶与海洋工程学科，已形成了一批在全国乃至世界领先的优势学科，造就了一批以院士为核心的著名学科带头人，成为了我国学科门类齐全、综合研究实力雄厚、独具特色的船舶与海洋工程科研和教学基地，享有很高的学术声誉。

西安交通大学

机械工程学院是西安交通大学历史最悠久、实力最雄厚的学院之一，优势专业主要有机械制造及其自动化、机械设计及理论、机械电子工程等学科。

电气工程学院是我国高校同类学科中创建最早、学科设置最全的学院之一，历届毕业生中有近30人成为院士，应届毕业生一次性就业率非常高，学生知识能力强，颇受企业青睐。

能源与动力工程学院是西安交通大学的“品牌”学院，其能源动力学科实力强大，在全国都是数一数二的，拥有热能工程、流体机械及工程、动力机械及工程、制冷及低温工程4个优势专业，基本覆盖了所有能源类专业方向。该学院的学生毕业后一般都进入电力、能源等企事业单位工作，收入高。

管理学院在全国同领域非常知名，工业工程专业具备了工科的扎实基础和管理学的思维方式，颇受企业好评，出国率是同类高校中最高的。

电子与信息工程学院是涵盖电子信息领域几乎所有新兴工程学科在内的一个学院，通信工程、自动化、计算机科学等专业每年都备受Google等知名跨国企业的青睐。

北京交通大学

北京交通大学原本属于铁道部，现划归教育部，运输在全国排第一，源于和铁路的渊源，交大可以说是目前全国仅有的和铁路联系密切的学校，全校各专业几乎都和铁路相关，所以一些原铁道部企业最认可交大，交大每年有相当数量的毕业生会去这些企业。

交大的特色还在于和铁路的相关专业，比如电信学院的通信、信号，土建学院的桥梁、隧道，机电学院的车辆工程，运输学院的运输、交规、物流，经管学院的企管、会计等。

电信、经管很知名，每年报名人数很多。理学院也有很不错的学科。

西南交通大学

交通运输学院拥有交通运输工程国家重点学科，在地铁、物流配送、人机和环境工程、智能交通技术等方面拥有不可代替的地位。上海磁悬浮列车、长江三角洲之间的子弹头列车，这些先进的交通工具代表着未来铁路交通发展的方向，而西南交大正是在这方面有着优势。

电气工程学院主要从事电气工程学科和电子信息学科的科学研究和人才培养工作，电力系统及其自动化是国家级重点学科，地铁主要是依靠电力能源运行，因此许多电气学院的学生被聘请到各地铁运营大市。电气学院的磁悬浮列车与悬浮技术研究所等重点研究所和实验室可是几块金字招牌，磁悬浮列车的研究国内第一，世界领先。

西南交通大学的前身是我国高校最早成立土木工程系的，现在的西南交大土木工程学院有国家重点学科桥梁与隧道工程学，国家级特色学科土木工程等优势专业，结合西南地形复杂的特点正在发挥着不可替代的作用。

北京航空航天大学

航空科学与工程学院是北航最有名的学院，下设飞机系、人机与环境系、流体力学研究所、固体力学研究所4个系所，支撑起了北航的学术高峰。

材料科学与工程学院的学生主要是和飞机、航天材料打交道，拥有大量省部委材料学重点实验室，如民航安全技术重点实验室等。材料科学与工程专业还是国家一级重点学科。材料不仅应用在航空航天领域，还可以广泛应用于建筑等民用行业，就业范围非常广阔。

能源与动力工程学院原名动力系，拥有一批获得国内同行业公认的高级学术带头人作为学院的师资主体。

宇航学院堪称航天人才的摇篮，有飞行器设计与工程、飞行器动力工程和探测制导与控制技术三个本科专业，课程设置的特点都是以“平台课方向课”的模式构建，大大拓宽了学生的知识面，提高了学生的适应能力和专业能力。

计算机学院是一个特别鼓励学生发挥自己的创新能力，展现自己才华的地方，其计算机科学与技术专业也是国家一级重点学科。

南京航空航天大学

飞行器设计是南京航天大学最著名的专业，也是历年学校招聘会上最受瞩目的热门专业，建有我国直升机技术研究方向唯一的国家级(国防)重点实验室，建有国内唯一专门从事航空智能材料与结构研究的航空重点实验室以及CAD中心、结构振动两个部门开放实验室。

飞行员专业是这个学校最牛的专业，学校与多家航空公司联合，对学生实行订单式培养方式，共有“31”和“22”两种招生模式，采取国内国外两部教学，如“31”就是学员前三年在国内校本部进行飞行专业基础理论知识学习和基本技能训练，第四学年派送到国外飞行学校进行为期一年的飞行训练，并取得中国民航总局认可的符合多发仪表等级要求的国外商业飞行员驾驶执照。

电气工程及其自动化专业虽然起步较晚，但发展十分迅速，且前景很好，拥有航空电源航空科技重点实验室，建立了中航一集团和中航二集团技术工程中心，相关研究领域在国内也具有重要影响力。

中国海洋大学

海洋环境学院是中国海洋大学最具海洋特色的学院，包括国家级重点学科海洋科学和环境科学，其中海洋学本科专业是“国家理科基础科学研究和教学人才培养基地”首批15个基地之一。

生物科学专业属国家级特色专业。生物系是山东省重点学科和国家生物学一级学科的重要组成部分。联合国教科文组织中国海洋生物工程中心也设在本系。

军事海洋学是海洋学与军事学相结合的新兴学科。它以军事作战需求为牵引，以海洋学的基本知识和研究方法为基础，研究如何利用海洋要素的变化规律为军事作战服务。

此外，中国海洋大学的水产、水产品加工及贮藏工程专业也是非常具有优势的专业，是国家级重点学科；水产养殖学、海洋技术、港口航道与海岸工程、会计学等专业属国家级特色专业。

大连海事大学

大连海事大学的航海技术专业可谓久负盛名，实力非凡，1983年联合国开发计划署和国际海事组织在学校设立了亚太地区国际海事培训中心，1985年设立世界海事大学大连分校。

如果说航海学的是开船，那么轮机学习的就是如何修船了。轮机管理（轮机工程）专业现设有轮机管理和船机修造两个专业方向，属于国家级重点学科。由于这个专业自身的特点――工程部件精确度要求较高，所以对所招收学生的要求也是格外高。

法学院是辽宁省人大常委会立法顾问单位，其中海商法专业在国内同类法律高校中是首屈一指的，也是大连海事大学进校要求分数最高的专业。它培养的学生不仅要求具有扎实的英语和法学基础，而且还要求熟悉海运及相关业务，精通海商、海事法律，能够将所学的知识运用于实践中。

海事管理学科主要培养的是负责水上安全运输监督管理的专业人才，学生毕业后一般进入海事局、海上监察、港口监察等单位工作，是海上运输的第一道防线。

海上物流专业是解决港口运输、海洋运输的各种问题的学科，备受欢迎。

长安大学

公路学院是长安大学最好的学院，是我国公路交通建设行业学科最齐全、专业配套规模最大的公路交通学院。公路学院公路建设学科与技术学科均列入国家“211工程”重点建设行列，学院还是全国交通系统监理工程师、造价工程师、检测工程师和公路交通高新技术培训基地。

汽车学院也是长安大学很牛的学院，载运工具运用工程是国内为数不多的几个权威学科点之一，只有西南交通大学、北京交通大学可与之一争高下。学院有自己唯一的汽车高速实验环道和综合测试场，给学生们提供了很多实验机会，让学生在赏车、鉴车、试车的乐趣中发现和学习。

资源学院、建筑学院、工程机械学院等都是在公路交通这一大学科的基础上不断细化而建立起来的，从地质勘探到建筑开发，与公路交通相关的各个方面都可以在这里找到强势专业学科作支持。

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[关键词]机械结构；设计方法；设计原理；智能化

中图分类号：TH111 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0175-01

一、引言

从18世纪以来，机器逐步代替人力劳动，用于做功或转换能量。做功的机器不仅大大提高了劳动生产率，而且很好地保证和提高了产品的质量。由于机器实现的能量转换，人们发明了多种多样的工作机械，提高了人类的生产水平，改善了自己的生活条件。机器的设计是由具体的机构物化为实体的产品，以提供用户所要求的使用功能。因此，机械的结构设计是产品设计的重要一环，在机械设计课程中，机械结构设计也是非常重要的教学内容。在机械结构的设计中，应“勤于学习、善于思考、勇于探索、敏于创新”，以伟大的接纳之胸怀学习前人成果，并以开拓的精神实现伟大的创造。机械结构的设计不是具体案例的机械堆砌，而是有其内在的知识基础、设计的方法和物理原理。本文拟从机械结构的设计方法和设计原理两个方面，讨论机械结构设计的内在知识和结构创新的基本途径，但本文不讨论机械制造工艺性对机械结构的要求。

二、机械结构设计的方法

1.经验设计。从现代科学诞生以来，机械科学与技术已有300年的历史。机械的连接结构、传动结构和支撑结构等已经积淀有汗牛充栋的实践案例，但如何掌握这些案例的基本原理和设计方法，而不是记忆这些案例的具体结构设计，这是经验设计中的关键。具体的产品设计，例如车床，其结构设计可以参考前人的设计图纸，这对于提高设计效率，汲取前人经验、避免犯前人的错误具有实际意义。通过借鉴前人的经验，可以吸收他人的结构创新方法，同时也拓宽了自己的设计思路。随着机械结构数据库的出现和搜索方式的更新，对他人的相关结构设计的学习将更加方便。经验知识是结构设计的宝贵财富，也是公司的知识资产。通过对国内外同类型专利知识的学习，也是一条提升自己结构设计能力的途径。另一方面，要注意避免侵犯他人的知识产权。“古人传下来的学问，就是装在船里的货物。现在的新潮流、新趋势，就是行船的风。”在学习他人的结构设计创新点的基础上，设计者应有自己的革新与发明、自己的创造。

2.理论设计。机械结构设计的理论方法，讨论的是机械结构设计的理性方法，具体的有：模块化和组合化设计、复合化设计、分级结构设计、载荷均布性设计和变结构设计。随着结构优化、结构可靠性和概率设计等方面的发展和具体应用，机械结构的理性设计方法也在不断的推陈出新。

模块化和组合化设计。一台机器总体是由提供不同功能的结构单元有机的组合而成，因此模块化的以及模块之间的组合化就是早期的方法之一。在复杂的机电系统和设备中，模块化和组合化的设计理念是有效的结构设计方法，同时也是机械制造的方法之一。例如，组合航空母舰的设计概念；我国的组合化机床的设计在上世纪70年代就已经取得了很大的成功。模块化和组合化，一般是按功能单元、结构单元来划分模块，然后组合起来成为一台机器。

复合化设计。复合化的基本特点就是将两个或两个以上的功能零件组合成一个部件或构件来设计，其功能可以是运动功能、承载功能等。例如，组合凸轮结构的设计就是将两个凸轮设计成一个零件；一根连杆在组合结构中同时作为两个或两个以上机构的结构件。复合化方法可以降低机械的制造成本、减轻机器的重量、缩小机器的尺寸和降低产品的成本。

分级结构设计（层次化设计）。复杂的制造设备是由分级的机械结构组成，大功能层次的结构是由若干个分功能结构组成。层次化不仅是功能树结构的要求，而且也是制造工艺对结构设计的要求。例如，床头箱由多个轮系组成，而每个轮系又由次一层次的系统组成。复杂机电产品的设计，例如组合挖掘机的设计，集推土机和挖掘机的功能在一起，而共用一个动力系统，在执行系统处分开。层次化结构设计方法在构想分级结构阶段，能够帮助设计者厘清思路，从而找出结构设计的关键点，集中解决结构设计中的难点问题。

载荷均布性设计。由于机械结构设计的特点，希望载荷分布均匀，充分发挥材料的机械力学性能或者取得降低最大载荷的目的。例如，修形齿轮的设计、对数滚子的设计，为了取得接触应力的均布，从而修形零件，实现结构的优化设计。行星齿轮减速器的设计也体现了载荷均布性的设计理念，从机构运动学来看只需一只行星齿轮；然而从受力平衡、承载能力和提高齿面的抗磨损来说，三只行星齿轮的结构设计更好。

变结构设计。机械结构的创新常常采用变结构的方法，变结构可以改变机械结构的功能，例如，非圆连接形式的成形连接、曲柄滑块结构设计变为转动导杆结构设计。变结构可以改变实现功能的形式，例如径向柱塞泵和轴向柱塞泵的设计。变结构也可以降低机器的设计成本，例如利用死点的桌面支承设计。

3. 模型试验设计。相似模型试验设计。基于机器物理模型的相似，运用相似科学理论，对于大型的机器设备进行模型试验设计。通过模型结构设计和试验分析，获取机械结构的可靠性、并预测机器的工作性能。模型相似的设计方法已在工程领域有广泛的运用，例如大型水轮机组的结构设计。通过制造大型水轮机组的模型，测试试验模型的工作性能以及其可靠性等指标，优化水轮机组的结构设计和工作能力。机械结构的设计方法不是一成不变的，而是随着人们的发明和新的科学原理的发现，在日新月异地发展，不断出现新的机械结构设计方法，同时对前人的机械结构设计进行革新。

三、机械结构设计的原理

机械结构的设计必然要依据技术科学的原理，例如：理论力学原理、材料力学原理、弹性力学原理、疲劳力学原理、流体力学原理、热力学原理、摩擦学原理、声学原理、智能原理和一切可能的新物理原理。这里讨论以上各种原理在机械结构设计中的应用，以期总结机械结构设计的常用原理，讨论机械结构设计的原理在今后结构创新设计中的可能性。

理论力学原理。理论力学是机构设计的基础理论，对于机器的运动学和动力学分析，得到的结构必然反映到机械结构的设计中来。例如，轴承转子系统动力学的设计，其动力学及其稳定性的设计，要求修改轴承的设计和轴的钢度设计。

材料力学原理。机械零件的强度和钢度设计是基于材料力学理论的，强度或钢度不足时，就需要修改零件的结构设计。例如，齿轮轮齿接触强度和齿根弯曲疲劳强度的设计，当齿面接触强度不足时就要求增大小齿轮的分度圆直径；当齿根弯曲强度不够时就要求增大齿轮的模数。

弹性力学原理。弹性力学分析是零件应力应变计算的基础，例如滚动轴承中滚子修形的设计，基于弹性力学的接触分析，确定滚子的修形曲线和修形量。在机械零件的结构优化设计中，常常用到弹性力学理论。

本文从机械结构的设计方法和设计原理出发，分析了机械结构设计的基本知识和设计准则。毋庸置疑，机械结构的制造工艺性对机械结构设计有重要的决定性。笔者认为，今后的机械结构创新中仿生设计和智能化是发展的重要方向。

参考文献

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【关键词】机械基础课程；教学策略；实践与探索

我国古代道家学派创始人老子有一句名言：“授之以鱼，不如授之以渔。”教师想要帮助学生获取更多的知识，不也是应该“授之以渔”而非仅仅是“授之以鱼”吗？单靠传统教师给予知识的传授，学生得到的知识是有限的，我们还需要通过在职业学校各类课程教学中实施研究性学习的方式“授之以渔”，充分发挥学生的主体地位，在培养学生的动手能力、科学探究能力、观察实验能力、获取信息、传递信息、处理信息的能力、分析和判断的能力及团结协作的能力的同时，也能充分培养学生的自主学习和创新意识，使学生成为真正意义上的学习的主人。

一、 培养学生的学习兴趣

产生兴趣是学好本课程的关键。只有在兴趣的驱动下，才能充分发挥学生的自觉性、主动性。为培养学生的兴趣，可结合日常生活中的具体实例来讲解相关知识。如从学生熟悉的缝纫机、汽车前窗刮雨器、公交车门的启闭、拖拉机自动卸料等入手来讲授平面四杆机构；从电影放映机的卷片机构引入槽轮机构这一间歇运动机构；结合自行车、汽车的变速系统来介绍链传动、齿轮传动等有关内容。这些实用性很强的实例对学生有很大的吸引力，使学生既想学、又能学；既激发了其学习兴趣，又调动了其积极性和主动性。巴尔扎克说：“打开一切科学殿堂的钥匙毫无疑问是问号。”有效的提问不仅能激发学生的学习兴趣，同时还能启发思维，激励学生积极思考。课堂教学是师生情感交流的场所，教师要充分给予学生参与的权利和机会，充分体现教师的主导地位和学生的主体地位。教育家叶圣陶先生说：“所谓教师之主导作用，盖在善于引导启迪，俾使学生自奋其力，自致其知，非谓教师滔滔讲说，学生默默取受。” 实践证明，教师滔滔讲说，呕心沥血，方法不当，事倍功半。尤其机械基础这门枯燥、繁杂且不系统的课程，若照本宣科，不进行教学信息的双向交流，学生必学之无味，学之困难。

二、采用多种手段，加强直观教学

本课程涉及到许多常用机构的运动过程和机械的内部结构，为了能清晰地讲解有关知识，使学生能真正了解其本质，在教学中大量应用实物、教具、录像及多媒体技术等多种手段，增强直观性教学，从而便于有关原理、理论知识的讲解。例如，我们在讲解有关铰链杆机构等内容时，借助可变模型，演示杆长的变化、机架的改变与机构类型的变化规律及杆长的变化及机架的变化与机构类型间的内在联系。我们在讲授液压传动中的换向阀工作原理、液压基本回路工作原理等内容时，借助自己制作的多媒体课件辅助教学，利用课件的图文可变、生动活泼的特点，清楚的反映了换向阀工作时各油路的通断情况。而介绍液压回路的课件能清楚反映油液的流动方向、各控制元件的动作顺序及执行元件的工作情况，清晰、生动、直观的讲解，教学效果明显，学生真正弄懂了许多问题，学到了有用的知识。

三、贯彻够用原则，突出重点

《机械基础》这门课程由三部分内容组成：（一）常用机构，（二）常用零件，（三）液压传动。各个内容既有自身的特点和知识体系，但他们之间也有一定的内在联系，特别是（一）（二）部分的知识相互渗透。但学生在学习这门课时总感到内容多而复杂、知识比较散乱的感觉。怎样使学生在学习中能抓住重点和难点，这是我们在教学中经常思考的一个问题。在这门课程的理论教学过程中，我们坚决贯彻“必需、够用”的原则。对于理论偏深、偏多的推导、证明等内容大量删减，而实用性较强、与生产实践结合紧密的内容加强和多讲，突出教学重点。在具体讲授过程中，打破原有的编排顺序，将常用的机构和常用零件的有关内容结合起来讲授，加强知识的连贯性，有利于学生的理解、接受和记忆。加强有关零件的结构设计、维修、安装、调试等内容的讲解。在介绍液压传动的有关内容时，除了介绍液压传动的必备基本知识外，重点介绍液压元件作用、安装和维护及基本回路的作用、检修和故障诊断等内容。这些内容正是生产第一线技术人员经常碰到、需要解决的问题。

四、加强实践性教学环节，提高基本技能