“内燃机学”课程教学改革初探

摘要:“内燃机学”是热能与动力工程专业的主干专业课。本文从该课程教育目的出发,结合作者的教学改革与实践,从教学内容、教学过程的组织以及教学实践等方面提出了若干改革的思路和方法,指出该课程教学改革的重点是合理组织教学过程,注重理论与实践相结合。

关键词:内燃机学;教学组织;燃烧理论

作者简介:黄豪中(1976-),男,广西钟山人,广西大学机械工程学院,副教授,工学博士,主要研究方向:内燃机燃烧与排放控制;莫春兰(1975-),女,广西贵港人,广西大学机械工程学院,副教授,工学博士,主要研究方向:内燃机代用燃料燃烧。(广西 南宁 530004)

“内燃机学”课程包括内燃机原理和内燃机设计两部分内容。对于热能与动力工程专业的学生而言,“内燃机学”是一门主干专业课,学生学习以后必须掌握内燃机工作过程的基本理论及内燃机总体及主要零部件设计的原则与方法,因此要求学生具有较强的学习能力和工程实践能力,同时也要求讲授教师具备丰富的内燃机专业知识。

我们在教学过程中发现,尽管“内燃机学”课程已经包含内燃机原理和内燃机设计两部分内容,但是,如果按照传统的教学方法,将这两部分内容分别组织教学,即先讲内燃机原理,后讲内燃机设计,学生不容易理解设计部分的内容,从而不利于激发学生学习的积极性和主动性。因此,传统的“内燃机学”课程教学方法必须进行系统深入的改革。

一、优选教材

教材是实施教学的基本条件之一,教材的优劣在很大程度上影响了教学效果。目前我们选用的教材是由周龙保教授主编的《内燃机学》,该书全面系统地介绍了内燃机的工作指标、工作循环及其数值计算方法、充量更换、混合气的形成与燃烧、代用燃料、燃料供给与调节、污染物的生成与控制、使用特性与匹配以及内燃机动力学及主要零部件概念设计等。[1]另外,对当前内燃机技术的研究热点和未来发展方向也作了简要的介绍。

二、精心组织教学内容

随着“拓宽专业口径,增强学生适应性”的专业改革的深入,专业课的课时在本科教学中所占的比例越来越少,要在有限的时间内取得良好的教学效果,就必须合理制定教学大纲,精心组织教学内容。教学内容应以教材为主要依据,但并不完全依附于教材。“内燃机学”课程教学内容需从专业培养目标出发,应具有代表性和实用性,既要反映内燃机工作过程的基本规律,又要跟得上我国经济社会发展的需要,并可为以后学生的就业奠定良好的基础。

针对“内燃机学”课程教学过程中出现的问题,笔者认为,该课程教学大纲的制定,首先要以内燃机工作过程为主线,详细介绍进气、喷油、混合气形成、着火、燃烧、污染物形成和排气等过程的基本原理,当介绍完一个过程的基本原理时,接着介绍相应主要零部件的设计要点,包括结构设计、材料选取、工艺选择三方面,从而将内燃机工作原理与主要零部件设计的内容有机地结合在一起。教学内容应重点突出内燃机燃油直喷、高效燃烧、排放污染物控制、结构强度评估、结构刚度优化匹配、动态设计等现代内燃机设计的关键内容和技术,同时要力求反映出内燃机行业的最新技术和发展动向,在基本教学内容的基础上,增加一些现代内燃机的最新技术,例如均质充量压燃燃烧技术,以拓宽学生的知识面。

三、合理组织教学过程

随着节能减排法规的日益严格,在内燃机节能和消除有害排放物的重大需求的推动下,内燃机技术取得了长足的进步,内燃机已经由过去一门传统的机械学科发展为机械工程、电子工程、热物理工程、流体工程、化学工程、环境工程等多学科交叉,高度“机”、“电”、“热”一体化的学科。所以“内燃机学”课程的教学,无论是对教师,还是对学生都是一个严峻的考验。[2]由于教学时数的限制,在教学组织上必须把握好教学组织原则,笔者认为在授课教师充分发挥主观特长的基础上,应有意识地注意以下三点:充分利用现代教学媒体,提高学生的学习兴趣;建立问题—讨论的教学模式,调动学生的积极性;立足燃烧理论,讲清内燃机工作每一个过程的原理及主要零部件设计要点。

1.充分利用现代教学媒体,提高学生的学习兴趣

现代教学媒体能够将知识加工并且形象地展现在学生面前,较之以往单调的黑板和课本教学丰富了很多。因此,教师必须能够认识、维护和灵活运用现代教学媒体,充分利用现代教学手段,将实物或口述无法完全讲解清楚的内容用计算机仿真手段展示出来,比如“进气涡流”部分,学生往往因为看不到实物,很难想象和理解气缸里面的空气运动情况和进气涡流的发展历程。通过计算机仿真手段,将螺旋气道、切向气道和带导气屏的进气门对进气涡流的影响历程模拟出来,以动画形式形象直观地呈现给学生,就可以解决很大一部分学生想象力差而导致的教学内容难以掌握的问题。采用多媒体动画的模仿效应,使学生不但具备了内燃机中复杂零件的空间构型能力,同时还掌握了零件与零件之间的连接关系以及内燃机内部机构的运动机理,深刻理解了内燃机的工作过程和工作原理。另外,多媒体课件的感官效果极大调动了学生学习的积极性,增强了趣味性,教师可适时鼓励和引导学生从不同的角度进行思维,从而有效地开拓了学生构型能力和创新思维能力。[3]此外,教师要有意识地将课题组的科研成果在相应章节介绍给学生,提高学生的学习兴趣,培养学生投身科学研究的愿望。

2.建立问题—探究的教学模式,调动学生的积极性

问题是思维的起点,探究过程是思维的载体,自主发现、提出问题是思维的升华。问题—探究的教学模式注重营造合作探究的氛围,学生参与知识的形成过程,培养独立思考的能力,提高创新意识与实践能力。作为教师,必须在吃透教材的前提下,首先对所授课程的内容作深入的思考和分析,然后从中选出一些典型问题,建立问题—探究的教学模式,引导学生进行深入思考:科学问题是如何提出来的,又是如何运用已有的知识来解决的。在这个过程中,将授课的重点从过去的讲述知识变为讲述问题的发现和解决的思路,让学生从这些讲述中不断增强并学习到“科学问题的发现与解决”的创新思维能力。例如在讲述“氮氧化物排放的问题”时,首先让学生了解发动机气缸内氮氧化物的生成条件,即高温、富氧和有一定的反应时间,然后,提问“在柴油机和汽油机中,氮氧化物排放与哪些因素有关”,给学生思考的时间,然后给出答案。最后让学生总结出“控制柴油机和汽油机氮氧化物排放的措施”,总结不全时,老师给予补充。采取这种教学方法,学生不仅理解了内燃机氮氧化物的生成机理,而且掌握了控制柴油机和汽油机氮氧化物排放的具体措施。另外,还活跃了课堂气氛,培养了学生的科学思维能力。通过这样的提问与探究,可以把学生的注意力完全集中在教师所讲述的内容上,充分调动起学生学习的积极性。

3.立足燃烧理论,讲清内燃机工作每一个过程的原理及主要零部件设计要点

燃烧理论是“内燃机学“课程的基本理论,内燃机的进气、喷油和混合气组织都是围绕如何实现高效清洁燃烧这个核心问题来进行的,燃烧过程直接影响发动机的动力性、经济性和排放特性。因此,在讲授内燃机工作过程的基本原理及主要零部件设计要点时,必须紧密结合燃烧理论。例如,在讲授柴油机的燃烧和燃烧室的结构设计要点时,首先要讲清楚柴油机的着火和燃烧特点及其影响因素,由于燃烧室设计与燃烧有密切关系,从而引出燃烧室的结构设计问题。在介绍燃烧室典型结构设计时,结合燃烧理论,阐述燃烧室凹坑尺寸与油束射程及涡流强度配合对混合气形成和燃烧过程的影响,掌握燃烧室结构设计要点。最后根据燃烧室工作过程中所处的工作条件(高压、高温、高速、强摩擦、高度润滑不良),再进一步介绍燃烧室制造所用的材料和表面处理工艺。这样一来,柴油机的燃烧、燃烧室的受热特点、结构形状、设计注意要素等一系列相关知识要点浑然一体,既条理清晰又环环相扣,于无形中完全讲清了柴油机的燃烧特点与燃烧室设计两方面的知识要点。

四、重视实践性教学

热能与动力工程是实践性很强的专业,所以教学活动必须加强实践环节才能取得良好的教学效果,在组织好课堂教学的同时需要安排一些实验教学。学生通过实验不仅能够巩固所学的理论知识,而且能够掌握正确的实验方法和操作技能。例如,做柴油机外特性实验时,首先让学生根据已经学过的理论知识,自己设计需要测试哪些参数和实验步骤,然后在发动机台架上,按照规范来操作发动机及其所用的各种实验仪器和设备,进行实际测量,记录实验数据,最后整理实验数据,通过分析实验结果,进一步加深了对所学理论的认识。

五、结语

我们对“内燃机学”课程改革的主要目的就是要提高教学效果,充分调动学生学习内燃机学的主动性和积极性,使他们在有限的学习时间中掌握内燃机工作过程的基本理论及内燃机总体及主要零部件设计的原则与方法,使他们更能适应我国汽车工业和内燃机工业快速发展的需要。

参考文献:

[1]周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]张保成.内燃机课程教学改革思路[J].中北大学学报(社会科学版),2005,21(4):84-85.

[3]王晓云,罗丹.内燃机课程教学的改革探索[J].中国电力教育,

2008,(127):45-46.

(责任编辑:刘辉)

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