基于数据挖掘分析的“过程流体机械”课程教学改革初探

龚 彦

（西南石油大学 机电工程学院，四川 成都 610500）

“过程流体机械”课程作为过程装备与控制工程专业的核心基础课之一，不仅涉及多种基础知识的综合运用，而且理论性和实践性强，学习难度较大。学生在学习了基础课和技术基础课程，具备了工程力学、流体力学、工程热力学、机械设计基础的相关知识后方能进行本课程的学习。本课程的目的在于能够使学生综合运用相关基础课、技术基础课的基本理论，通过本课程的学习，使得学生掌握常见过程流体机械的基本工作原理和结构，熟悉各类流体机械的特点和应用场合，培养学生初步具备从事过程流体机械的选型、使用、管理及研究等能力［1-2］。本课程教学过程中积累了海量的教学数据，比如课程成绩、平时成绩、实验成绩、学习平台等，课程成绩不但可以分析学生的学习习惯、学习效果，还能用于评价教学质量。因此，数据作为数据挖掘的基础，通过挖掘分析找到这些数据背后的价值和关联，了解学生对课程学习的掌握程度，进一步提高“过程流体机械”的教学质量，为优化教学改革提供决策依据和数据支持［3］。

数据挖掘也称数据库中的知识发现，即从大量的历史数据集合中提取有效的、新颖的、潜在有用的、最终可理解的信息和知识的过程，简单来讲，数据挖掘就是用统计的算法从大量数据中找出其中隐含的某些规律和关联性知识的数据检索方法［4］。数据挖掘方法有多种分类或预测型发现、聚类、序列模式发现、关联规则发现、异常和趋势发现等，关联规则挖掘是数据挖掘的一个重要研究分支，其目的是发现大量数据集中的关联或相关联系［5］。

随着“过程流体机械”课程基础数据的不断积累，可利用数据挖掘技术从大量的历史基础教学数据中挖掘影响“过程流体机械”课程成绩的主要因素，发现“过程流体机械”与其他课程之间的关联关系，进而使用系统工程方法进行“过程流体机械”课程教学改革，合理规划“过程流体机械”课程的内容，使“过程流体机械”与其关联课程之间的内容联系更加紧密、衔接更加顺畅，帮助学生从计算机系统整体的角度理解“过程流体机械”课程［6］。

一、“过程流体机械”数据挖掘实验设计

本研究对象是某高校过程装备与控制工程专业2019—2021级3个年级共246人，以围绕“过程流体机械”学习的各环节为研究对象开展实验设计，以本课程最终总成绩作为评价学生对本课程的掌握效果。学习本课程的各环节分为学习前、学习中、学习后。学习本课程前，学生学习“流体力学”“工程力学”“工程热力学”“机械设计基础”等相关前期课程的成绩作为数据展示了学生的相关基础水平；学习本课程中，学生完成平时作业的质量、完成相关课程实验的质量及成绩、互动教学中学生对相关专业问题的理解及分析情况为展示学生学习过程及参与情况；学习本课程后，学生期末考试成绩情况、学生课程设计的情况等为对学生学习本课程后对本课程知识综合应用的能力考查。采用数据挖掘中的关联规则算法，数据采集处理结果如表1所示。

表1 课程信息数据采集处理结果

设计基于关联规则的成绩预警模型，预警规则是形如X→Y的蕴涵式。其中X⊂I，Y⊆W。对∀x∈I，∀y∈W，有（x，y）∈P。该规则可以看作一种预警项集和项顺序关系约束的关联规则。预警规则反映了预警事件和其他事件之间依赖或关联的关系，事件中的项值可以依据与其存在关联的项值进行预测［7］。

给定一个交易集D、项集W和项顺序关系集P，挖掘规则的问题就是产生支持度大于给定的最小支持度（minsupp）、可信度大于给定的最小可信度（minconf）的关联规则X→Y，其中X⊂I，Y⊆W。对∀x∈I，∀y∈W，有（x，y）∈P。统计所有的业务数据，设置最小支持度和频繁项集的最大长度K=8。剪除小于支持度的项集，再进行下一次统计。直到达到FT-tree的最大长度8时算法终止。

从关联规则分析得到重要关联，“理论力学”“流体力学”“热工基础”与“过程流体机械”课程之间有很强的关联性，这些相关课程的成绩和学生平时作业成绩及实验成绩对“过程流体机械”课程成绩影响较大，学生平时作业成绩及实验成绩则揭示的是课程开展过程中的教与学过程。由此可见，“过程流体机械”课程改革的重点是扎实前期“理论力学”“流体力学”“热工基础”等相关基础课程的教学，着重抓课程的教学过程，使学生学会应用前序学习知识分析认知本课程所讲解的内容，从而深入把握本课程所传递的教学内容，最终达到具备相关知识的培养目的。总体上讲，需革新教学模式，夯实基础知识，借用先进的教学手段，更新并丰富教学资源，将抽象的理论知识形象化、具体化、可视化，便于学生理解，给学生带来视觉、听觉及感知的认知冲击，将书本扁平的文字生动化、立体化，加深学生在学习相关知识的印象。

二、“过程流体机械”课程改革实施

基于数据挖掘分析的“过程流体机械”课程改革主要强调基于融合相关基础知识的“教与学”过程的重塑，在“过程流体机械”课程的教学过程中，贯穿于与“过程流体机械”关联度较高的“流体力学”“热工基础”“理论力学”等课程内容，在教学过程中将流体能量与机械能转化形式作为主线，基于不同的转化形式，阐述解释不同类型流体机械的工作原理、工作特性、结构特征、应用场合，使得学生从机理上理解掌握本课程所讲述的各类流体机械，最终达到培养学生具备从事过程流体机械初步设计研究使用的能力，以及具备在实际工程中使用运营，选型、管理过程流体机械扎实理论知识的目的。因此，此次“过程流体机械”课程改革主要围绕以下几方面进行。

1.强化前序基础知识的巩固，加深学生对基础知识的掌握及在本课程中的灵活应用，使得前序基础知识在本课程中起到“穿针引线”的作用，夯实学生知识基础，形成课程学习的整体性和连贯性。本课程讲授的原理主线一直围绕流体能量与机械能的相互转化开展，能量的转化是在不同力作用下的结果，涉及核心的流动方程即为能量方程和动量方程。不同形式的流体机械正是基于不同形式的流体能量与机械能相互转化的结果而分类的，这需要理解和掌握流体运动的能量方程，而动量方程则从力学本质上指出了不同类型流体机械的工作原理差异，以上两大方程对于可压缩流体涉及热力学基本定律的相关知识。要理解和掌握本课程的主线，就需要对“流体力学”“理论力学”“热工基础”等相关课程的知识熟练运用，以理解本课程所讲的知识。在本课程教学活动开展前期，指导学生对前序知识的核心内容进行疏导，形成知识储备；在课程教学中，课程内容进行到相应章节时，应及时引出相关基础知识，帮助学生复习前述知识，同时引导学生将所引出的知识用于分析、理解本课程对应所讲的知识点；在本课程教学的末期，通过比较法展示不同流体机械的运行现象，指导学生分析其背后的原理和力学本质，加深学生对所学知识的理解和掌握。

2.更新教学手段，优化课堂组织方式，引导学生主动思考，使得被动接受式学习变为主动探索式学习。

改变传统讲授说教式的、被动接受式的教学方式，注重应用引导式、启发式、互动式的教学组织方式，将枯燥的“填鸭式”教学方式生动化，提高学生的学习兴趣。本课程本身与工程实际应用紧密联系，课程学习的目的之一就为更好地服务实际工程，应通过展示实际工程案例，设置现场应用的问题，引出所讲述的知识点，引导学生基于工程问题积极思考，将本课程所讲知识与工程实际相结合，使原本空洞抽象的知识点找到工程案例的落脚点。将书本知识融入工程实际问题中，起到加深学生学习印象的作用，学生通过主动思考问题，加深了对知识的理解和掌握。

3.引入行业先进技术手段，丰富教学资源，使得枯燥复杂的理论知识变得直观化、可视化、易学化。流体机械的内流多看不见，摸不着，诸如流道中流体的速度场分布规律，压力场分布规律，流动分离现象，空化现象，以及流道壁面的各种物理量分布等，这些物理量在不同类型的流体机械内部存在较大的区别，使得不同类型流体机械的外特性也存在着较大的区别，学生只能基于对理论知识理解和消化，形成抽象的认识和映像，这种方式很容易造成学生在学习时混淆知识，造成理解的“黑箱”。现代计算机辅助教学技术和数据处理技术，使得将以上物理量可视化，直观化的表达成为可能。在本课程的教学中，应借用CFD仿真技术，结合数字孪生技术，虚拟仿真与增强现实技术，将原本看不见、摸不着的流体机械内流场可视化地呈现出，通过彩色云图、三维流线、动画等生动形象地描述流体在流体机械中的流动过程和能量转变过程，使得学生能更为直观的认识流体和流体机械的相互作用过程，理解本课程所讲授的知识点，达到提高学生学习效果和学习效率的作用。

4.强化课程的实验内容，改变传统的实验教学方法，增加学生动手环节，加强学生对所学知识的综合应用。课程实验对学生理解、掌握课程所述知识具有重要作用，实验课程是将抽象的理论知识具体化展示的一种直接方式，能使得学生印象深刻。为了在学习过程中，加深学生对相关知识直观形象的理解，应丰富实验手段和实验内容。如将结构剖析实验、原理展示实验采用虚实结合的方式展现，一方面使得学生能全方面掌握相关流体机械（特别是大型设备）的结构原理，另一方面能直接面对工程实际流体机械，有更为直观的印象。在外特性实验、内流实验等实验中，可采用故意试错法，在实验过程中故意设置相关故障和错误，将在实际工程中不允许出现而又可能出现的工况搬到实验教学中，促使学生在实验中发现问题、思考问题，增加其动手环节，培养其分析问题、解决问题的能力，最终达到使学生具备知识应用能力的目的。

结语

通过数据挖掘中的关联规则得到影响“过程流体机械”课程成绩的因素，了解学生对“过程流体机械”课程知识的掌握程度，“理论力学”“流体力学”“热工基础”相关的前序课程和本课程的教学开展过程有着重要的关系，从而分析进行“过程流体机械”课程改革的必然性和可行性。改革从系统观出发，强调在本课程开展的各环节中注重融入前序“理论力学”“流体力学”“热工基础”等相关课程的基础知识，更新教学手段，优化课堂组织形式，借鉴线上线下深度融合的课堂教学方式，引进先进的信息化教学手段，丰富课程教学资源，将教学资源挂载到云端，实时更新教学资源，利用教学信息化手段将抽象的内容可视化、直观化；在实验环节注重采用虚实结合和故障设置的方式，增加学生动手环节，提高学生动手能力，提高就业质量。通过对本课程的改革，使得学生在学习完本课程后具备扎实的理论基础知识，熟练地掌握流体机械专业基础知识，并构建起对流体机械的宏观认识，为其进入相关行业从事流体机械的设计研究、运营、维护等打下扎实的基础。随着融合大数据特征的新工科迅猛发展，工科核心课程教学改革大势所趋，课程改革及课程教学应使得培养出的学生所具备的知识能满足行业及社会对相关人才的要求。