《叶轮机原理与设计》教学改革的探索

【摘要】《叶轮机原理与设计》作为飞行器动力工程专业的专业基础课程，以工程热力学、流体力学为基础，牵涉到航空发动机原理、燃气轮机原理、航空发动机构造等课程内容，是航空发动机原理和设计等课程的前修课程。由于本课程涉及的知识点较多，课堂时间又相对有限，如何在有限的时间里能让学生尽量多的掌握本课程的主要内容，这就需要合理地安排教学内容，灵活地采用先进的教学方法。

【关键词】叶轮机 教学改革 探索

【中图分类号】G42 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）04-0071-02

叶轮机械主要包括燃气轮机、蒸汽轮机、风力机、通风机以及水轮机等，其在国民经济尤其是整个重工业体系中占有十分重要的地位。叶轮机械在工业中的应用非常广，比如蒸汽轮机在发电厂广泛应用，通风机是矿井和隧道的必备设备，其中燃气轮机已广泛用来作为航空、电站、舰船、导弹、坦克、重载机车等高端领域的核心动力以及冶金、勘探、化工、土木等一般工业领域的主要或辅助动力。叶轮机械在我们的日常生活中也随处可见，比如夏天人们常用的电风扇，空调中的压缩机，电脑中的冷却风扇，汽车中的涡轮增压器等，这些都属于叶轮机械。因此如何进行教学改革、提高学生课堂学习效率是当务之急。

一、教材整合、突出重点

《叶轮机原理与设计》这门课程主要讲授轴流压气机和涡轮的工作原理、特性和设计理论基础等，其包括的内容非常丰富，主要有：轴流压气机工作原理和工作过程，压气机基元级的工作原理和工作过程，平面叶栅的概念、流动过程和特性以及设计原理和方法，轴流压气机级和多级的工作特点和设计方法，轴流压气机的特性；涡轮工作原理和工作过程，涡轮基元级的工作原理和工作过程，平面叶栅的概念、流动过程和特性以及设计原理和方法，涡轮级和多级的工作特点和设计方法，涡轮的特性等。由此可见，要在40课时内有效完成这些课程内容，对教与学都是极大的挑战。通过对课程内容和课程特点的深入研究，并结合老教师多年的教学经验，梳理出了本课程内容的“重点”与“一般”，从而明确了课堂讲授内容的侧重点。

本课程学习的两大部分内容分别是轴流压气机和涡轮，虽然压气机和涡轮的工作原理不同，但是分析两者的工作过程和流动特点所采用的基本方法是一致的，相应的知识点也是相通的。从两部分内容的对比来看，涡轮部分的内容相对比较简单，另外压气机部分的内容涉及的内容更广，所以轴流压气机部分的内容是本课程的重点。在轴流压气机部分又包括了以下的内容：基本方程和热力学图示、基元级的工作原理、压气机中的三维流计算概述、径向平衡方程、等环量/等反力度/通用分布规律、级的流动损失、多级轴流压气机的气动设计概要、压气机的特性与调节等等。由于本课程是本科学生的专业基础课，所讲授的内容一定要控制在学生能接受的范围内，所以一些基本的方程和方法必然是讲授的重点，也是考核的重点；而相对复杂的一些内容如三维流计算、多级轴流压气机的气动设计、压气机的特性与调节等方面的内容只需做一定地介绍，让学生有所了解即可。

二、任务驱动、理论联系实际

由于本课程是工科学生的专业课程，工程应用性较强，为了使得学生能很好地掌握所学的知识，并能灵活地运用所学的知识解决工程实际中的问题，就一定要让学生在实践中理解课堂上老师所讲的知识，并掌握运用所学知识解决实际问题的能力。基于以上考虑，作者所在的课程组在讲授本课程时，引入了任务驱动的教学方法，来提高课堂教学的效率。

基于构建主义理论发展的“任务驱动”教学方法[1]是一种理想的实践教学方法，特别适用于注重实践能力培养的工科专业课程。所谓“任务驱动”教学法就是指以学生为中心、以任务为驱动力的教学方式。具体来说就是教师根据当前教学主题设计并提出“任务”，针对提出的任务，采取演示或讲解等方式，给出完成任务的思路、方法、操作提示及结果，然后引导学生边学边练，并完成相应的学习任务[2]。任务驱动教学方法符合探究式教学模式，适用于培养学生的创新能力和独立分析问题、解决问题的能力[3]。任务是课堂教学的导火线，是问题提出的表现。通过创设的问题情境，把所要学习的内容巧妙地隐含在一个个任务主题中，使学生通过完成任务达到掌握所学知识的目的[4]。

根据实际讲授的内容和知识点，本课程采用了两种层次的任务来驱动学生的学习过程，分别是针对单一知识点的简单任务和将多个知识点糅合在一起的综合任务。

所谓简单任务，即为完成一定数量的课后作业，以及查阅相关的文献资料等。因为这门课程的内容非常丰富，但是课堂时间又是有限的，教师不可能把每个知识点都讲得非常清楚，因此，可以在每堂课后让学生完成一定量的简单任务，帮助学生迅速地理解相应的知识点，并掌握利用这些知识点解决具体问题的方法，从而达到提高学生实践能力的目的。

另一方面，因为本课程的知识点较多，学生即使把每个知识点都掌握了，也未必能在实际情况中灵活地运用所学的知识，这该怎么办呢？所谓“实践出真知”就给我们指明了方向，只有让学生在实践中运用所学的知识，他们才会真正地掌握这些知识。为此本课程组的老师为学生设计了一个综合任务，该任务主要内容是在保证某台九级压气机相应性能参数不变的情况下，在其前面增加“零级”压气机（见图1），达到提高发动机性能的目的。该任务比较接近工程实际，看似简单，实则其包含的内容很丰富，几乎囊括了压气机部分的所有知识点，如相似准则、多级压气机的压比和效率的计算方法、速度三角形以及压气机设计流程与方法等。在讲授完压气机部分的内容后，让学生完成这样一个比较接近工程实际的综合任务，可以使得将之前所学的各个看似独立的知识点串起来，形成一条完整的知识链，从而真正地掌握所学的知识，并能在今后的工程实际中灵活地运用这些知识，解决更为复杂的工程问题。

另外，由于该综合任务涉及的知识点较多，难度相对较大，所以允许3～4个学生组成一个小组共同完成这个任务。所以通过该综合任务的实施，不仅可以让学生尽快熟悉和掌握相应的知识点，还可以提高学生团队协作的能力，真正体现了培养学生综合素质的教学宗旨。

三、实验演示、加深理解

由于本课程工程应用背景较强，只通过课堂上抽象地讲解，很难让学生真正了解所学对象的特点，也很难体会学习中的重点和难点。因此，本课程的教学过程要引入实验教学环节。

该教学实验的内容是低速轴流压气机性能测试。实验在南京航空航天大学能源与动力学院的双级低速轴流压气机试验台（图2）上开展。该双级低速压气机的外径为900mm，设计转速为1500rpm，压气机由一台200KW的直流电机带动，压气机的进口流量调节可以通过调节压气机下游管道中的电动蝶形阀门实现。

在实验开始前，要让学生做好充分地预习工作，明确实验的目的和任务，了解实验的基本过程，教师还应向学生详细介绍试验台的组成、各部件的功能和作用，并介绍实验过程中所需测量的参数以及这些参数的基本测量方法，让学生对整个实验过程有一个清晰地认识。实验过程中通过调整阀门开度，缓慢调节压气机进口流量，在每个流量状态下，测量并记录压气机的进口的壁面静压、进出口总压、以及压气机的转速和扭矩等参数。指导学生通过这些参数计算出压气机的流量、压比和效率，从而获得压气机性能曲线。同时，在实验过程监测压气机进出口的动态压力信号，当进口流量减小到某个状态时，压气机会进入失速状态，此时，压气机进出口的动态压力信号会表现出明显的波动性，压气机的噪声也会和正常工作时明显不同。通过让学生观察动态压力信号和噪声的变化，可以让学生压气机的失稳过程有更直观的认识。

通过该教学实验的开展，可以在较短的时间内，使学生对压气机的工作过程有更直观、更全面的认识，对压气机的性能测量方法和过程以及压气机的失稳过程有更加深刻的认识，从而达到预期的教学效果。

四、结束语

专业课程教学过程中，完善的教学内容固然重要，但合理优化的教学方法更加重要。工科教学工作必须将理论教学、学术研究和应用实践相结合。在教学过程中，教师必须深入剖析教书育人规律，扎扎实实地研究教学方法，并在实践中借鉴、消化并创新，不断摸索教学规律，才能不断提高讲学水平，提高课堂学生的课堂学习效率。

参考文献：

[1]何克抗. 建构主义革新传统教学的理论基础（上）[J]. 电化教育研究， 1997， （2）：3-9.

[2]严春风. 任务驱动法在JSP教学中的探讨[J]. 教育论丛， 2010， 141.

[3]吴蜀红， 周群. 任务驱动法在信息检索课中的运用[J]. 农业图书情报学刊， 2009， 21（6）：115-117.

[4]张昌年， 刘晓刚， 李卫红. 论高职高专的课堂教学改革[J]. 教育与职业， 2006（23）.

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