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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;