融入思政元素的水轮机课程教学内容设计研究

融入思政元素的水轮机课程教学内容设计研究

——以水轮机空化与空蚀为例

任岩 侯力滋

（华北水利水电大学 电力学院，河南 郑州，450045）

摘要：课程思政建设是现今人才培养的重要任务，水轮机课程思政建设的推进需充分结合能源与动力工程专业（水动方向），将思政元素融入水轮机课程教学内容设计中，对激发学生科技报国的家国情怀和使命担当有非常重要的作用。首先，深入梳理水轮机教学内容，挖掘课程思政元素，寻找思政元素融入水轮机课程教学的途径；然后，从教材分析、知识与要求、教学目标、教学重点难点四个方面对水轮机课程思政教学内容进行设计；最后，以水轮机空化与空蚀为例，进行案例分析。融入思政元素的水轮机课程教学内容设计是将课程思政融入教学实践的第一步，为将课程思政融入课堂教学建设提供了基础。

关键词：课程思政；水轮机；教学设计

基金项目：2019 年度河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目（2019GGJS097）；2020 年度河南省高等学校精品在线开放课程（92）；华北水利水电大学2019年度精品在线开放课程（13）；华北水利水电大学电力学院 2019 年度教育教学研究与改革项目重点项目（2019DLZD04A）

课程思政是新时期立德树人的根本遵循^[1，2]。教高〔2020〕3号《高等学校课程思政建设指导纲要》中指出，全面推进课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措，课程思政建设是全面提高人才培养质量的重要任务，推进课程思政建设要充分结合专业特点。《水轮机》课程是能源与动力工程专业（水动方向）的核心课程^[3-5]，作为本课程核心内容的水轮机是水电站的心脏，目前，我国的白鹤滩水电站是世界在建最大水电站，是“十三五”国家能源规划标志性工程，而作为水电站心脏的水轮机单机容量100万千瓦是世界最大。在本课程中融入课程思政，强化学生工程伦理教育，对培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当有非常重要的作用。

1 思政元素融入水轮机课程教学的途径

《水轮机》课程主要内容包括：水轮机工作原理、水轮机相似理论、水轮机空化与空蚀、水轮机模型试验、各种型式水轮机的结构特点及设计计算、水轮机特性曲线与水轮机选型设计方法，水力计算等。将思政元素融入课程内容，深入梳理教学内容，深入挖掘课程思政元素，培养学生爱岗敬业、精益求精的精神，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。

思政元素融入水轮机课程教学的途径包括以下几个方面^[6]：

（1）教师将白鹤滩百万千瓦机组制造及投运动态与研究人员最新研究成果引入课堂，并将我国水电事业发展取得的巨大成就与水轮机相联系，在国家发展、技术发展的基础上讲授专业课程知识，激发学生的爱国精神。

（2）水轮机对水电站的安全、稳定、效率影响最大，水轮机的问题也最复杂，教师应引导学生辩证地分析问题并自主解决，正确对待人生中的挫折、逆境，培养积极乐观的人生态度。

（3）在水轮机课程设计过程中，选型、设计、计算、绘图等工作量较大，可以培养学生精益求精、严谨务实的精神。同时引入错误的内业计算造成工程建设严重损失的事故案例，进一步培养学生的岗位责任感。

（4）水轮机课程的特点是理论性和实践性都很强，并且有很强的严谨性和深奥性，老师强调在学生学习的过程中，概念必须正确， 计算必须精确，简单的现象却隐含深奥的理论等，培养学生踏实严谨的学生态度和工作作风。

（5）教师将最新的水电站和水轮机案例引入课堂，引起学生的兴趣和关注，了解行业最新动态，提高学生的职业担当意识和民族自豪感。

2 水轮机课程思政教学内容设计

2.1教材分析

本课程教材选自中国水利水电出版社的《水轮机》。在掌握工程流体力学、理论力学、材料力学、机械制图、金属工艺学、机械设计基础、水能利用等相关知识的基础上，进一步展开水轮机相关知识的学习。教材具有系统性、先进性、实用性，在保证内容的系统性与条理性的基础上，大量吸收新知识、新理论、新技术在专业领域的应用，充分反映专业与学科前沿的发展趋势，并紧密结合了教学实践与需要。

2.2 知识与要求

要求学生掌握水轮机的类型与基本工作参数，了解水轮机的基本工作原理，掌握水轮机相似原理与相似换算，了解水轮机空化的概念及防治方法，掌握水轮机特性，正确进行选型设计，能运用水轮机工作原理基本知识分析水力机组运行中的问题，了解水轮机的基本结构及动作原理。使学生通过本课程的学习，掌握水轮机的结构、工作原理、综合特性曲线等方面的必要知识，掌握水轮机模型实验、运转综合特性曲线绘制，掌握水轮机选型方法及其计算方法，为今后从事本专业技术工作打下良好的基础。

2.3教学目标

（1）知识目标：掌握水轮机的类型与基本工作参数，了解水轮机的基本工作原理，掌握水轮机相似原理与相似换算，了解水轮机空化的概念及防治方法，掌握水轮机特性，正确进行选型设计，能运用水轮机工作原理基本知识分析水力机组运行中的问题，了解水轮机的基本结构及动作原理。。

（2）能力目标：使学生通过本课程的学习，掌握水轮机的结构、工作原理、综合特性曲线等方面的必要知识，掌握水轮机模型实验、运转综合特性曲线绘制，掌握水轮机选型方法及其计算方法，为今后从事本专业技术工作打下良好的基础。

（3）价值观：在运用水轮机基础知识和方法分析解决问题的过程中，认识水轮机的价值；养成乐于思考、勇于质疑、言必有据等良好品质；在水轮机学习过程中，体验获得知识的乐趣，锻炼克服困难的意志，建立自信心；愿意了解国家发展中与水电站水轮机相关的信息，主动参与水轮机学习活动^[7]。

2.4教学重点、难点

（1）教学重点：水轮机相似理论、水轮机空化与空蚀、水轮机特性曲线。

（2）教学难点：从相似理论引入水轮机的相似条件与相似定律，进而分析水轮机的效率换算和单位参数修正；从空化的概念建立水轮机空化的条件与空化产生的数学模型，进行分析水轮机空化与空蚀机理；由水轮机特性理解水轮机特性曲线，进而绘制水轮机运转特性曲线。

3 案例分析——以水轮机空化与空蚀为例

3.1 引言

首先，介绍水轮机的空化与空蚀。“水轮机的空化与空蚀是水轮机运行中一种常见的现象,它对水轮机的运行质量有很大影响,同时严重影响水轮机的安全与寿命。有人称空化与空蚀是水轮机的“癌症”，因此，了解空化与空蚀的机理，防止空化和空蚀的发生，减轻空化的危害有重要的意义。”通过“水轮机癌症”的比喻，直击空化与空蚀对水轮机性能影响的重要程度！

同时，在PPT上播放两张照片，如图1所示，为水轮机叶片空化与空蚀前后对比图，一方面很直观地让学生看到水轮机发生空化与空蚀对叶片造成的破坏，另一方面通过图（a）没有空化与空蚀的叶片的做工精良，引导学生对水轮机制造工艺的认识，感叹大国工匠的成果。由此引出水轮机空化与空蚀的机理。

3.2 水流空化的机理

3.2.1 水流发生空化的原因

水流发生空化的原因：内因+外因。其中，内因：水中含有导致空化发生的空化核；外因：流体局部压力的降低。

流感发生的原因：内因+外因。其中，内因：流感病毒的存在；外因：外部环境的作用：气候不正常。

对于流感，只有流感病毒的存在，而外界环境正常，不会发生感冒；另一方面，如果外界环境不正常，但没有流感病毒，也不会发生感冒。

通过利用流感的类比，解释水流发生空化的原因。就很容易理解水流空化的机理。

3.2.2 空化发生的过程

空化发生的过程分为四个阶段：空化核—>空化空泡初生—>空泡发育—>空泡溃灭，如图2所示。我把它称为“空泡的一生”。

空化核阶段：气泡半径很小，水中保持稳定，不析出，不溶解。

空化空泡初生阶段：压力降到临界值，空泡尺寸达到临界值。

空泡发育阶段：泡内压力保持一定值，空泡直径不断增大，直至最大。

空泡溃灭阶段：进入高压区，空泡受压缩尺寸迅速减小，直至完全溃灭。

图2 空化发生的过程

“空泡的一生”在不同的阶段，在不同的外界环境和自身条件下，会呈现出不同的状态，产生不同的效果，那么同学们，我们的一生该怎么度过呢？我们该怎么把握自己的一生呢？我们如何才能在人生的不同阶段绽放出炫彩的光芒呢？

通过空泡的一生，引起学生对自身的思考，鼓励学生认真学习，不虚度此生，树立正确的人生观、价值观。

3.2.3水轮机空化与空蚀

黄河上水电站水轮机空蚀后照片如图3所示，通过触目惊心的空蚀现象，引入水轮机空化与空蚀的机理与防止，更能引起学生的兴趣和注意力，抓住学生的想要了解清楚相关知识的心里，激发学生的学习渴望，起到事半功倍的作用。

3.3 空化夜话

说是空话，实是气话，-----空化的实质是液体低压状态的汽化。

全因为那气人的孩子。-----空化发生的内因是水中有空化核子。

长期受气，疲劳成疾，-----水轮机长期遭受气蚀，发生疲劳破坏。

钢筋铁骨也会被活活气死。--坚硬的钢铁部件也会被气蚀破坏。

本来处境艰难，--------------水轮机工作在高负荷低压的残酷环境，

又遭沙暴袭击，--------------又常受到泥沙磨蚀的侵害，

为了生存要防护自己。-----为了保护水轮机必须采取表面防护措施。

站得高了太危险，-----------水轮机装的抬高以发生空化，

还是在低处安全。-----------把水轮机安装低些比较安全。

通过空化夜话的形式，深入浅出地分析了水轮机空化与空蚀的机理、现象、防止等核心知识，让学生在愉快的课程中完成本内容的学习，达到了寓教于乐的效果。

4 结论

以水轮机空化与空蚀为例开展的教学设计中，融入了许多思政元素，结合《水轮机》的相关知识点，围绕教材分析、知识与要求、教学目标、教学重点难点四个方面完成水轮机课程思政教学内容设计。以水轮机空化与空蚀的具体内容进行思政教育，例如空化的机理、空泡的一生、空化夜话等。

完成教学设计只是第一步，如何在保证教学质量的前提下将课程思政融入教学实践中，贯穿于课堂授课、教学研讨、实验实训、作业论文各环节，是课程思政融入课堂教学建设的又一重要内容。

参考文献

[1]张大良.课程思政：新时期立德树人的根本遵循[J].中国高教研究,2021(01):5-9.

[2] 李滨,李兵,张志维.课程思政建设的育人价值与实践研究[J].职业技术,2021,20(02):77-81.

[3]毛秀丽,李挺,陈帝伊.混合式教学在“水轮机”课程中的探索与应用[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2020(09):40-41.

[4]王彤. 体感交互技术在水轮机教学中的应用研究[D].华中科技大学,2019.

[5]赵迪,张建梅.基于雨课堂的全过程本科实验教学与考核模式——以水电站混流式水轮机模型能量实验为例[J].科学咨询(科技·管理),2020(03):57-58.

[6]周威.“工程测量”课程思政教学改革探究[J].科教文汇(上旬刊),2021(01):59-60.

[7]张彬.“课程思政”视域下高中数学教学设计研究[D].天津师范大学,2020.