流体输配管网课程模块化教学中的思考与探索

【摘要】流体输配管网是建筑环境与能源应用工程专业非常重要的一门专业基础课程，在多年的教学过程中加强认识实习对理论教学的引导作用、注意课程教学内容的调整与轻重取舍、指导学生学会设计规范与手册的使用、注重与实际工程结合增强课程趣味性等，并取得了较好的教学效果；同时探讨了推进综合实验平台建设、择优进行拓展性教学训练等烦人必要性，以进一步改善教学手段、提高教学效果。

【关键词】建筑环境与能源应用工程；流体输配管网；模块化教学

【基金项目】“河南工业大学高等教育研究资助项目”（項目批准号：2016GJYJTJ13）。

【中图分类号】G642.4 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2017）15-0262-02

流体输配管网课程是建筑环境与能源应用工程专业的一门专业基础课程，是在专业调整、整合过程中从近20门相互交叉、相互重叠的专业课中凝练出来的专业核心课程，主要是把空调调节、供热工程、通风工程、建筑给水排水、锅炉及锅炉房设备、建筑消防工程、燃气输配、工厂动力工程等课程中的管网系统水力计算的基本原理与方法炼出来，并与流体力学泵与风机中泵与风机部分进行整合、充实而形成的一门专业基础课程[1]，其目的是让学生通过不同管网水力计算的学习，比较、提炼出流体输配管网水力计算的共性，同时兼顾供暖、通风、给排水、消防、燃气等管网水力计算的特性，进而形成初步的工程实践能力。

我校建筑环境与能源应用专业创建于2004年，培养了10届毕业生，开设的流体输配管网课程一直采用专业指导委员会规划推荐教材——重庆大学付祥钊、肖益民主编的《流体输配管网》。本人于2014年对课程提出模块化教学[2]并实施，这里结合十余年的教学经历，从理论教学、实践教学和如何调动学生的积极性与主动性、在有限的课时中更有效的掌握管网知识等方面，对建筑环境与能源应用工程专业流体输配管网课程在理论教学过程中的几点做法进行探讨。

一、理论教学

1.加强认识实习对理论教学的引导作用

流体输配管网课程的第一模块是流体输配管网形式介绍，主要是介绍管网的基本形式与主要功能。本校本专业的认识实习安排在大三第一学期的前两周，也就是流体输配管网课程开课的前两周，这有利于弥补学生对实际管网感性认识的不足，有利于课堂教学调动学生的学习积极性。校内能为认识实习提供足够的场地，如4号教学楼的风机盘管+地源热泵空调系统、图书馆的空气源热泵空调系统、师生周转房的采暖系统、各个教学楼的给排水系统、学生公寓的防排烟系统、锅炉房的燃气系统、洗浴中心的太阳能系统等。校内实习的优势是既能请一线操作人员给学生讲解系统运行方式和日常调控方法，又能调出设计图纸供学生进一步研讨系统原理，既提高了理论知识的学习，也加强了理论与工程实际的紧密结合。当然，实习老师也组织学生外出参观实习。郑州经开区的“双零楼”是中原首家建设部绿色建筑示范楼，其利用太阳能采暖、制冷、供应热水，利用墙面和屋顶楼面太阳能幕墙发电、风口风力发电，利用生活废水生产沼气，利用地下16℃恒温水，利用建筑设计的自然通风、采光、保暖隔热节能，利用光导纤维照明节能，利用自动化控制节能等，实现了常规能源“零”消耗，污水物“零”排放，学生在这里能看到太阳能、风能、生物质能、地热能等多种可再生能源先进技术与建筑为一体。此外，郑州水产大世界的金杯冷库的制冷系统、郑州植物园热带植物展览温室的温度调节系统、郑州第四棉纺厂的工业通风与生活区的换热站等，都是学生认识实习的定点单位。认识实习阶段，要求学生绘制1～3个不同的流体输配管网的轴测图，并结合《建筑环境与能源应用工程概论》课程学习的知识和《流体输配管网》教材的第一章，根据自己所观察的实际工程的流体输配管网，回答相关问题。通过这个作业，使学生对流体输配管网的组成、功能有初步的认识，并引发学生对管网的一些共性进行思考，为流体输配管网课程第一模块的学习奠定了良好的基础。

2.注意课程教学内容的调整与轻重取舍

流体力学是流体输配管网的理论基础，而流体输配管网又是后续空气调节、供热工程、燃气输配、工业通风、建筑给水排水等专业技术课程的核心基础。由于传统教学模式的惯性效应，各课程之间强调追求自身体系的完整性和独立性，现有教材为保持自身系统的完整性，专业内部不同课程之间内容重复的现象非常突出。所以授课内容应注意与前后课程的衔接，避免重复。本课程的第二模块是管网水力特征和水力计算，主要讲授各类流体输配管网（气体管网、液体管网、多相流管网）的形式、基本理论和水力计算方法，其中涉及的各种工程管网水力特征和水力计算与后续专业课相关内容重复尤为突出。因此，更需要教研室全体老师对各门课程授课内容及学时进行集体研讨，针对内容重复部分进行合理分配，以更充分利用有限的课时提高授课效率。如授课内容“气体输配管网水力计算”中的通风除尘例题与孙一坚主编的《工业通风》第六章第三节中的例题几乎一样，由于流体输配管网课程该部分刚详细讲解完气体管网水力计算方法，学生学完抽象的理论后急需工程例题加以消化，而这种方法只是工业通风管网水力计算的基础，在工业通风更应重点学习通风除尘系统运行特性的计算分析，所以经集体商议后通风管道水力计算安排在流体输配管网课程中进行讲解；同样，均匀送风管道设计是流体输配管网课程讲解静压复得法的经典案例，所以经商议后也安排在流体输配管网课程中进行讲解。又如第三章的授课内容“重力循环双管系统管路水力计算步骤”中的例题与供热工程相关内容重复，由于这道题系统复杂，学生没有过多的供热知识，驾驭难度大，所以经集体商议后流体输配管网课程只分析解题步骤和需注意的关键问题，例题的详解放在供热工程课程中。同样，经集体商议后，室外热水供水管网、室内低/高压蒸汽供暖管网、室外蒸汽管网的水力计算在流体输配管网课程只分析解题步骤和需注意的关键问题，并对比分析各自特点，具体过程不再细细讲解，鼓励学生自学。

3.指导学生学会设计规范与手册的使用

流体输配管网是工程实践性很强的一门课程，本课程第二模块的管网水力特征和水力计算与设计规范和设计手册联系紧密。比如在通风除尘管网的计算例题中，各种管件的局部阻力系数 仅从课本附录提供的局部阻力系数表示不能完全查到的，而这个时期的学生又有着强烈的探索知识的意愿，所以课堂上会要求学生课后去图书馆借阅《工业通风》、《工业防尘手册》等相关资料帮助寻求答案，强调局部阻力系数 是在实验条件下测得、不同局部阻力构件影响其局部阻力系数 的几何参数不完全一样、在查 值时一定要注意表格参数，利用插入法选择合理的 值。在中、低壓燃气管网水力计算时，教材引用了《城镇燃气设计规范（GB50028-2006）》中多个不同流态不同管材摩擦阻力系数 的计算公式，学生面对这些公式难免觉得会有难度，讲授过程中重点强调 的计算要先判别流态和管材选择正确公式或对应计算图表、这些公式不用记忆、课本上只是摘抄引用了一部分、更全面的燃气管网局部阻力系数 在《城镇燃气设计规范》、可以自行上网阅读学习。在学习重力循环液体管网的水力特征时，提到对于水在管路中沿程冷却所产生的作用动力在工程中的简化方法是增加一个附加作用力，其数值可以从采暖手册查取。讲授过程中如果仅仅给学生一句带过，印象肯定不深，所以在制作多媒体课件时把采暖手册中的表格截取部分展示给学生，以加深他们的印象。在建筑给水管网水力计算时，教材上引用了旧版《建筑给水排水设计规范》关于设计秒流量的两种计算方法，但随着专业规范的修订，现行《建筑给水排水设计规范（GB50015-2003）》（2009年版）对于设计秒流量规定了概率法、当量法和同时给水百分数法，要求住宅类建筑的设计秒流量采用概率法进行计算。教材内容与最新规范要求不符，讲授过程中注意对这部分内容的修正。可见，第二模块与设计规范和设计手册的联系相当紧密，在讲授过程中要不断渗透，让学生熟悉与专业相关的设计规范与设计手册，学会利用它们查取相关参数帮助完成水力计算。

4.注重与实际工程结合增强课程趣味性

学习的最终目标是学以致用，对于流体输配管网这门实践性很强的课程更是不例外。为了将学生培养成合格的工程技术人员，学生在学习阶段要更多地将理论知识与实践紧密结合，教师在授课过程中也应该重视这一点。在讲授本课程第一模块时，可补充空调系统、通风系统、压缩空气管网、二氧化碳管网、余压回收管网、凝结水输配管网、多相流灭火输配管网、消防给水输配管网等工程实例。在讲解本课程第二模块气体管流水力特征时，补充自然通风在会“呼吸”的建筑幕墙、仓储自然通风中的应用，启发学生思考穿堂风、拔风井等气流组织特征，帮助学生进一步理解气体管流水力特征。同时，在教学过程中可适当穿插工程案例的讲解[3]。如在讲解本课程第二模块机械循环室内水系统管路的水力计算方法时，可提前给学生展示本校某5层学生宿舍采暖系统的设计图纸，虽然学生还没学《供热工程》，但该系统与他们生活紧密相连，可尝试让学生通过观察读懂各层平面图的布置，再结合平面图的布置自己绘制出系统图，找出最不利环路；然后再在课堂上系统讲解管路的布置、系统的构成、最不利环路的选择、水力计算的步骤、水力平衡的方法等。在讲解本课程第四模块泵、风机与管网系统匹配时，可以提供师生周转房给水原理图和机房设计图纸，结合图纸讲解管网水力计算的方法和步骤，进而讲解水泵的选型；辅以泵房运行时的调控方案，让学生更清楚地认识到泵串并联对管网系统的影响。

二、实践教学

1.流体输配管网课程在我校的教学学时共48学时，其中有4个学时的实验。目前，“流量检测与自动控制”和“离心泵串并联”实验是实验教学环节给学生开设的实验。目前这些实验以实验教师讲解实验原理、方法、步骤，解释实验现象和结果为主，使用的实验台功能较为单一，且主要以演示性、验证性实验为主，综合性、设计性实验功能差，学生多处于被动学习状态，没有思考和发挥的空间，对实验缺乏兴趣，积极主动性不高。在这种实验教学模式下，学生发现问题、分析问题和解决问题的能力难以提高，已不能满足当今形势对人才培养的要求。而加强综合性、设计性、创新性实验教学是现代教育改革和发展的必然要求，也是“宽口径、厚基础、高素质、强能力”人才培养目标的一项重要举措。近年，一些学校在实验教学中的创新与突破值得我们借鉴，如中国矿业大学的流体输配管网综合实验台[4]、上海工程技术大学的生活给排水可拆装综合实验系统[5]等。下一步，我们要抓紧时间充分利用实验室现有设备和空间，因地制宜地研发出符合学校特色的课程综合实验平台，以进一步改善教学手段、提高教学效果。

2.进行拓展教学训练。目前，计算流体力学（简称CFD）受到普遍重视及广泛应用，鼓励有余力感兴趣的本科生可以在老师及研究生的指导和帮助下应用CFD进行相关问题的应用模拟。如可模拟散流器顶送或侧送的气流组织特征并分析存在问题，可模拟普通住宅自然通风并分析对居住环境产生的影响等。当然更鼓励学生对自己看到或想到的问题进行模拟分析，刺激学生的学习积极性和兴趣。

三、结语

流体输配管网是建筑环境与能源应用工程专业非常重要的一门专业基础课程，理论教学过程中应加强认识实习对理论教学的引导作用，注意课程教学内容的调整与轻重取舍，指导学生学会设计规范与手册的使用，注重与实际工程结合增强课程趣味性；实践教学过程中应加强综合实验平台的建设，选择性进行拓展教学训练，以进一步改善教学手段、提高教学效果。

参考文献

[1]肖益民，付祥钊.流体输配管网课程建设与教学方法[J].高等建筑教育，2013，22（1）：98-101.

[2]赵晴，郝绍菊，刘起霞.流体输配管网课程教学方法探析[J].中国冶金教育，2014（3）：15-17.

[3]陈伟娇.《流体输配管网》课程教学关键问题研究[J].教育教学论坛，2017（8）：175-176.

[4]张东海，黄炜，张建功，孟燕.流体输配管网课程实验创新探讨[J].高等建筑教育，2009，18（3）：124-127.

[5]刘伟军，胡伟平，吴杰.流体输配管网课程实验教学的创新尝试[J].中国现代教育装备，2013，23（12）：73-15

作者简介：赵晴（1979-），女，湖南新晃人，河南工业大学土木建筑学院，讲师。