“流体输配管网”课程设计和实验优化

张宇坤，毕海洋，蒋 爽，秦海杰，李姗姗，王 振

(大连民族大学 土木工程学院，辽宁 大连 116605)

建筑环境与能源应用工程(简称建环)专业是将土木工程与建筑设备相结合的复合型专业，建环的学生不仅要具备土木工程的相关知识，还要掌握建筑环境与设备相关的设计、计算和施工的基本知识。“流体输配管网”课程是建环专业指导委员规定的关键专业基础知识单元课程[1]。它是研究流体输送与分配规律的一门学科，是流体力学、传热学、工程热力学课程的延伸，又是学习通风工程、供热工程、建筑给水排水工程的基础。通过该课程的学习，使学生掌握管网水力计算的基本原理与方法、泵与风机的基本原理以及选用方法，为下一步学习工程设计打好基础。

“流体输配管网”课程的内容繁多，课时相对紧张，既有课程实验，又有大量的管网水力计算，想要获得良好的教学效果需要解决以下问题：(1)教师在少课时的情况下容易重理论讲授、轻实践教学，学生对于实验、管网设计往往存在敷衍的心理，课程设计和实验内容吸引力不强，教学内容有待优化；(2)传统的教学方式主要是教师课堂讲授,学生课堂学习，教师了解学生学情的方式主要包括：批改学生实验报告、课堂提问等，途径较少，学生参与度较低，这会造成学生学习兴趣下降，学习效果差，教学方法有待丰富；(3)传统的考核方式主要是批改实验报告和作业，学生为了应付而突击学习，教学与考核脱节；部分学生存在抄袭、混大组的情况，这种考核方式忽略了过程管理，没有体现成果导向，学生即使拿到高分也没有获得感，考核方式有待改进。因此为提升“流体输配管网”课程的教学效果，提高学生参与度，笔者建议对课程设计和实验内容、教学方法和考核方式进行改革。

1 课程设计和实验内容的优化

在设置培养方案时，考虑了知识体系的前后关系，将流体力学课程设置在流体输配管网课程前，在第5学期学习流体输配管网。教材方面选择了付祥钊、肖益民主编“流体输配管网”(第4版)[2]，在这一版教材中强化了水力计算的案例与分析，这样的设置有利于学生强化水力计算，提高学生在后续课程(通风工程、供热工程、建筑给水排水工程)中课程设计中的表现。

(1)枝状管网水力计算案例与分析知识单元是管网设计的重点也是难点，教师很难讲透，学生很难学懂。容易出现学生考试考高分，课程(毕业)设计水力计算不会算的情况，体现了学生应用知识解决实际工程问题能力的不足。因此在枝状管网水力计算案例与分析知识单元设置课程设计很有必要，用4个学时完成某住宅的重力循环式热水供水管网水力计算的课程设计，强化学生的设计计算能力，也为后续课程设计打好基础。

以重力循环式热水供水管网水力计算为例对课程设计内容为例。设计对象为某3层住宅楼，已知各散热器的热负荷如图1。图中立管Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各散热器的热负荷与Ⅱ立管相同。试确定该重力循环热水系统供暖管网的直径。

此设计题目由于已知总资用压力和干管长度，主要考察水力计算方法——压损平均法的理解运用。先选取最不利环路(1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-1)，在这里涉及到双管系统循环作用压力的差异，高层循环作用压力较大，因此本系统最不利环路为通过最远立管底层散热器的循环管路。确定最不利环路后，通过总资用压力和最不利环路管长计算得到最不利环路的平均比摩阻，这是压损平均法的核心控制参数。热负荷可推出管段流量，管段流量和平均比摩阻可查出d、R、v[3]，进而求出管道阻力。这一部分的讲授应为集中授课，重点是讲设计思路和计算的前后逻辑关系。并联管路阻力平衡是压损平均法水力计算学习的重点和难点。阻力的平衡与否影响流量的分配，继而影响流体供给与需求的匹配度，这是建筑环境与能源应用工程专业的学习重点。本例中还应考虑双管系统不同楼层的重力作用力，I管路二楼重力作用力应高于一楼。通过控制资用压力和管路阻力的不平衡率实现并联管路的阻力平衡。出现不平衡后如何调整设计参数也是学习的重点，通过阀门调整会增大能源的无效损耗。应进行管径调整，重新计算管路损失和不平衡率。也可以调整系统形式，如异程变同程，这样可以很大程度减小不平衡率。

在进行课程设计模块时，应注意将课上统一讲解和单独辅导结合起来；可考虑提供相似例题的慕课讲解视频，发挥线上学习、复习的作用。同时严格控制学生的学习进度，做到及时发布任务、辅导讲解，集中学习。切忌发了任务后放任学生自行设计计算，这会降低学生学习课程设计的效率。

(2)课程实验可以加深学生对理论部分的理解，传统方式是理论部分在课堂讲授。如果能改为教师边操作、边讲授，可以大幅度提高学生的学习热情。而学生通过动手实践，可以在做实验的过程中完成学习任务。本课程设置了热网水力工况模型实验和离心泵特性曲线测定实验，下面以两个实验为例对课程实验进行介绍。

热网水力工况是学生反馈学习难度比较大的知识单元，如能结合课程实验教学，学生在理解很多概念时能更快的接受，如在介绍定压水箱时，如图2。定水压线即为定压水箱自由液面线，定水压线直接影响了整个水压图的压力水头；动水压线也是直观可见(供回水的测压管水头)，用水节点的供回水动水压差即为资用压力，这比课本学习或仿真模拟视频更容易理解，降低了学生的学习难度。

离心泵是建筑环境与能源应用工程重要设备，其性能参数多(流量、扬程、轴功率、效率等)，在选取水泵时经常参考性能曲线。但课本讲授较为枯燥，离心泵特性曲线测定实验可以做较好的补充。在测定特性曲线时，如图3，可以发现扬程随流量的增大而减小，离心泵特点是扬程大、流量小，而轴流泵的流量大、扬程小，两者适用工作场景不同；轴功率随流量的增大而快速上升，这会导致原动机超载而损坏；效率随流量的增大呈现先增大后减小，这意味着在选择水泵时，应挑选工况点在水泵高效段内，提高水泵在工作时的效率。

2 教学方法的丰富

采用传统方式讲授流体输配管网水力计算方法和实验时，以教师课堂传授知识为主。由于学生学习基础的差异，部分学生理解困难、学习动力不足；而水力计算内容较多、学生不预习，容易产生老师卖力讲，学生跟不上的情况。教师授课时大段时间用来讲授，用于接收学生反馈、对学生进行辅导、答疑的时间较少，教师讲的累，学生听不懂；另外课后学生自学资料也较少。为此，在教学方法上增加了如下措施。

(1)注重课前准备。在课程设计和实验环节向学生提供慕课视频和仿真模拟视频，如水力计算案例、水压图绘制等内容。慕课内容以知识讲授、例题讲解为主。在课前发布预习任务，引导学生预习慕课视频。

(2)提高课堂中学生学习参与度。首先通过实物介绍来引导学生在思想上进入课堂，主动思考本堂课要解决的问题。通过提问抓住学生的注意力也是一个很好的方法，比如：如何实现热网不同用户的均匀供热需求，课堂中的教学手段包括：提问、设置讨论题、设置分组任务等，并规定在一定时间内完成上交，记录答得好的同学，在考核环节加分。讨论题的内容一般是开放性的问题，如：膨胀水箱的作用和设置位置，通过这些方法可有效提高学生的课堂参与度。

(3)在课后鼓励学生复习慕课，应用慕课所学知识点解决实际工程问题。这样一方面提高了学生自主学习的积极性，另一方面也为学生提供了自主学习的学习资料，丰富了与学生的互动反馈。线上可考虑采用聊天工具(钉钉、QQ、微信等)对学生提出的问题进行解答；线下可以设置答疑课，针对共性问题，集中答疑。课程设计应考虑线下进行，让学生在集中时间、集中地点完成流体输配管网的设计计算。一方面教师方便管理，可以对共性问题做解释说明；另一方面，学生可以互相讨论、借鉴，大大提升了学习效率。

(4)强化线上学习、线下复习在课程学习的作用。传统的教学方式是单一的讲授，对于学生学习状态难以把控；由于知识点多，课时紧张，也没有多余时间来与学生互动。慕课视频的提供减少了老师在知识传授部分所花精力。慕课方式学习较好的利用了学生的碎片化时间，符合当前学生学习特点。

3 考核方式的改进

传统的考核方式一般包括闭卷期末考试、考勤等，学生多以死记硬背的方式应对考试。而注重考勤仅能将学生固定到课堂上，学生学习反馈无法体现。课程实验和课程设计均属于实践环节，应注重过程控制，学生的实践表现和成果(实验报告、课程设计计算书)均比较好记录和批改，更能体现学生的学习成效差异。同时教师对学生的指导和考核也会促进学生的学习。因此在本课程的考核方式上，减少了期末考试成绩所占比重，增加课程实验、课程设计考核环节。课程的考核成绩由实验成绩10%、平时成绩10%、课程设计成绩20%和期末考试成绩60%四部分构成。实验成绩和平时成绩主要记录学生的课堂表现情况；课程设计环节注重的是学生实践能力的提高，也就是将所学知识应用于具体案例，当学生可以独立完成一个管网系统的水力计算，也就达到了课程目标。期末考试以综合性考核为主。

考核方式的变化是以学生学习产出为导向，体现了以学生为本。比如在实验成绩方面，去掉了考勤，变为实验表现和实验报告。对学生在实验过程表现和实验报告进行评价，强化了过程考核管理，学生只有充分参与才能获得较高的平时成绩，考核的目的不是把学生固定在课堂，而是让学生获得一定的理解分析能力和表达能力。课程设计任务一般是一个综合性的工程问题，增加这个考核环节，目的是让学生在完成课程设计的同时，提高学生解决工程设计实际问题的能力，增强学生的获得感。即以成果导向来评价学生，而非简单的考勤点名。通过过程管理来提升课堂参与度、通过成果导向提升学生获得感、通过期末考试对学生进行综合评价，这样的考核评价方式改变了一考定终身的方式，提升了教学效果。

4 结 语

以课程中出现的具体问题为例，通过优化“流体输配管网”课程设计和实验内容、丰富教学方法和转变考核方式，提升了学生的课堂参与度，提高了课程的教学效果。在今后的教学中，要以学生为中心，以能力达成为目的，结合实际进一步完善流体输配管网课程的教学，培养出高素质人才。