基于虚拟仿真的“制冷压缩机”课程教学与实践训练改革

［摘 要］ 基于“卓越工程师培养计划”的课堂教学要求，结合“制冷压缩机”课程大纲及教学内容，提出了基于虚拟仿真平台的“制冷压缩机”课程教学与实践训练改革。在教学内容方面，通过归纳教学内容，加强学生对于知识内容的掌握，并使教学内容与前沿技术和工程应用紧密联系，拓宽学生的眼界；在教学方法方面，通过引入模拟软件和虚拟实验，丰富授课方法，激发学生的学习兴趣；在实践训练方面，着重强调理论知识的应用，开发多层次、多模块的实验实践训练体系，培养学生的理论知识应用能力、动手能力、解决实际工程问题的能力、创新思维、团队协作能力等综合素质。

［关键词］ 制冷压缩机；虚拟仿真；课程教学；实践训练

［基金项目］ 2021年度重庆大学本科教学教改项目“基于虚拟仿真平台的《制冷压缩机》课程教学与实践训练改革”（2021Y23）；2022年度重庆大学本科教学教改项目“智慧能源背景下《动力工程计算方法》理论与实践教学的深化改革”（2022Y13）

［作者简介］ 孙 皖（1988—），男，山东临沭人，博士，重庆大学能源与动力工程学院副教授，主要从事制冷与低温技术、制冷压缩机研究；刘江岩（1992—），男，湖南湘潭人，博士，重庆大学能源与动力工程学院讲师，主要从事空调制冷研究；徐肖肖（1980—），女，浙江温州人，博士，重庆大学能源与动力工程学院教授，主要从事热泵空调研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）13-0061-04 ［收稿日期］ 2023-10-31

引言

“卓越工程师培养计划”是教育部贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》的重大改革项目，旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措［1-4］。

重庆大学能源与动力工程本科专业入选国家“卓越工程师培养计划”，其中“制冷压缩机”课程是能源与动力工程专业一门重要的专业课程。制冷压缩机是蒸气压缩式制冷空调系统的关键部件，对于制冷空调行业产品的节能、HCFCs制冷剂的替代以及制冷产品在应用领域的拓展有着至关重要的作用。“制冷压缩机”课程以工程热力学、流体力学、传热学等专业知识为基础，以解决工程应用中的具体问题为目标，是从理论转向实践、从专业过渡到技术的纽带和桥梁。因此，该课程的教学过程是造就制冷行业创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才，以及培养卓越工程师基本素质的重要阶段。这就要求教学中不仅要考虑学生对理论知识的理解和掌握，还要注重培养学生分析、解决实际问题的能力。

一、现状分析

（一）教学内容方面

制冷压缩机种类较多，包括往复活塞式、转子式、涡旋式、螺杆式、滑片式以及离心式等，在目前加强基础、淡化专业、拓宽学生知识面的新形势下，多数高校将各类压缩机精炼为一门课程，教学内容多且授课总学时大幅减少，使得该门课程具有概念多、分类多、层次多的主要特点，这就导致学生学习时内容繁复、思路不清晰、知识点庞杂，在介绍各类产品设备型式和分析具体系统结构等内容时，无法形成直观的全方位展示［5］。

（二）教学方法方面

“制冷压缩机”课程大部分内容概念抽象、计算公式多，导致学生较难理解，如涉及介绍回转式压缩机时，与传统的往复活塞式不同，回转式压缩机工作原理是利用工作容积的大小或位置发生周期性的变化来实现气体增压，需要学生具有一定的几何空间想象能力。为了形成一套完整的制冷压缩机知识体系，本课程除了介绍各类压缩机的工作原理、总体结构、主要零部件、辅助设施等记忆理解方面的知识，还涉及了热力性能计算、动力学分析等内容，这对学生数学计算能力具有较高的要求。传统的板书式教学或简单的多媒体教学，仅仅依靠课程中简单的图片和动画，并不能很好地达到使学生深刻理解和熟练应用教学内容的目的。

（三）实践训练方面

实践环节是学生在理论学习的基础上所进行的最为直观、最能检验理论教学效果的有效方式，也是面向工程应用培养创新人才的重要环节。但目前该课程的教授主要以理论教学为主，实验课程课时相对较少，即使开设了相关实验课程，但由于受实验设备和资源的限制，大部分高校还是以传统活塞压缩机的拆装大实验为主，一方面这种集体性实验不能保证每名学生得到充分的实践训练，另一方面对于学生学习制冷压缩机的新机型、新技术未有相应的实践训练课，同时简单的拆装实验报告并不是检验理论知识应用于工程问题的有效方式。

针对本课程存在的教学内容多且部分内容滞后、传统教学方法效果有限、实践训练与工程应用欠缺等问题，本论文提出以培养高质量工程技术人才为中心思想，基于虚拟仿真平台对课程的教学内容、教学方法、实践训练进行探索与改革。

二、课程改革内容

（一）归纳教学内容，紧密联系前沿

在理论教学内容方面，首先应梳理课程内容，避免简单地按目录教学，应对具有相同特点的教学内容进行总结归纳教学，比如对于容积式压缩机中的《往复活塞式》《滚动转子式》《涡旋式》《螺杆式》等章节，其均介绍了压缩机的工作原理、热力计算、振动与噪声、密封等内容，应多进行对比教学，使学生能够全方位立体地了解各类压缩机的工作原理与特点；其次，可以以实际工程中的前沿技术和热点问题为指引，引入新型制冷剂压缩机、跨临界CO2制冷压缩机、铁路汽车交通运输空调制冷压缩机、热泵空调压缩机等内容，归纳教学内容，使之与前沿技术和工程应用紧密联系。课程还应强调工程实践中的伦理和可持续性考虑，使学生了解在选择制冷剂和系统配置时，需要考虑环境影响和能源效率，以满足现代工程实践的要求。

（二）丰富授课方法，激发学生学习兴趣

在教学方法方面，引入模拟软件和虚拟实验。制冷系统的实验室设备可能不易获得或操作成本较高，因此，引入计算模拟软件和虚拟实验可以弥补这一缺陷。通过制冷压缩机3D部件和装配图、工作原理动画、系统回路等资源库，使学生可以以更为直观、便捷、感兴趣的方式学习压缩机结构、工作原理、抽象概念、热力计算、动力分析等内容。另外，学生可以使用这些工具模拟制冷系统的运行，了解不同参数对性能的影响。这不仅为学生提供了更便捷的学习方式，还有助于他们深入理解制冷系统的运行机制。教学中可以引入实际工程案例，以展示制冷压缩机在不同应用中的重要性。学生可以分析这些案例，了解制冷系统的设计、故障排除和维护方面的实际挑战。通过这种方式，他们将更好地理解制冷压缩机的实际应用，以及在工程实践中如何应对各种问题。鼓励学生参与小组讨论和项目，以激发合作和互动。学生可以一起探讨制冷系统的设计、性能优化或环境考虑等话题，这有助于培养学生的团队合作和问题解决能力，并激发他们的兴趣。

（三）注重实践训练，培养创新思维

在实践工程训练方面，着重强调理论知识的应用。基于虚拟仿真平台，开发基础运用实验、综合设计实验、创新研究实验的多层次、多模块的实验实践训练体系，培养学生的理论知识应用能力、动手能力、解决实际工程问题的能力、创新思维、团队协作能力等综合素质。为学生提供实习机会，使他们有机会在实际工程项目中应用所学的知识。这将加强他们的实际技能，了解行业的需求和挑战。鼓励学生参加制冷和能源效率方面的竞赛，以提高他们的创新思维和问题解决能力。这些竞赛为学生提供了锻炼创新技能的机会。

三、实践训练实例

本文以《滚动转子式制冷压缩机的工作容积与气体压力》章节内容为例，具体说明了课程教学与实践训练改革在学生基础知识掌握、教学方法改进、实践训练等方面的体现。该章节内容主要包括了滚动转子式压缩机的气缸容积与工作压力随转角变化的规律、结构参数偏心距对于吸气容积的影响、吸气孔口前边缘角及排气孔口后边缘角对于工作过程的影响分析。本文基于Matlab构建了滚动转子式制冷压缩机的计算软件，如图1所示。

输入参数设置主要包括滚动转子式压缩机的气缸半径、转子半径、偏心距离、转子长度、吸气开始角、排气开始角及压缩多变指数；输入结构参数后，点击“运行”按钮，可以获得气缸工作容积、相对偏心距e/r（r为转子半径）及e/R（R为气缸半径）、吸气容积与压缩容积随着转角的变化曲线以及基于容积内压力随转角的变化曲线，如图1所示。基于此虚拟仿真可开展的教学设计有以下方面：（1）气缸工作容积与结构参数（气缸半径、转子半径、偏心距离及转子长度等参数）的关系，可以反映出气缸容积的有效利用率。（2）相对偏心距对于吸气容积及压缩容积的影响规律。随着相对偏心距的增大吸气容积也随之增大。（3）吸气孔口前边缘角与排气孔口后边缘角的位置选择依据。由吸气容积与压缩容积随转角的变化曲线可以看出，转角在0°～30°及330°～360°范围内，吸气容积与压缩容积随转角的变化极小，因此滚动转子式压缩机的余隙容积很小，另外由于吸气孔口前边缘角的存在造成的回流对于吸气过程的影响也很小。（4）结构参数及热力参数（包括排气开始角及压缩多变指数）对于基于容积内压力随转角变化曲线的影响。

结语

“制冷压缩机”课程教学与实践训练改革要结合教学内容、教学方法及实践训练，从归纳教学内容、紧密联系前沿，丰富授课方法、激发学生学习兴趣，注重实践训练、培养创新思维三方面入手，以解决工程应用中具体问题为目标，在教学中考虑学生对理论知识的理解和掌握，以多媒体、互动式教学、案例分析及小组讨论等多种授课方法，注重培养学生分析、解决实际问题的能力，造就制冷行业创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才，并培养卓越工程师基本素质。

参考文献

［1］杨文焕，李卫平，于玲红，等.基于给排水卓越工程师培养的课程实践教学方法改革［J］.教育教学论坛，2014（24）：52-53.

［2］吴江，任建兴，潘耀芳，等.基于培养模式改革的卓越工程师计划探索与实践［J］.中国电力教育，2013（32）：30-31.

［3］韩建海，杜辉，仝克勤，等.校企协同育人构建卓越人才培养新模式［J］.教育教学论坛，2015（13）：30-31.

［4］刘焕卫，高兴奎，周秋淑.基于“卓越计划”的制冷压缩机教学改革［J］.科技视界，2015（25）：79.

［5］何永宁，张业强，邢林芬，等.以容积效率为主线的制冷压缩机课程教学改革与实践［J］.教育教学论坛，2020（32）：175-176.

Reform of Teaching and Practical Training for the Refrigeration Compressor Course Based on Virtual Simulation： A Case Study of Teaching Scroll Compressor

SUN Wana，b， LIU Jiang-yana，b， XU Xiao-xiaoa，b

（a. Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems， b. School of Energy and Power Engineering， Ministry of Education， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： In accordance with the requirements of the “Excellent Engineer Training Program”， this paper proposes a reform for the teaching and practical training of the Refrigeration Compressor course based on a virtual simulation platform. Aligning with the course outline and content， the reform aims to enhance students’ mastery of knowledge by summarizing teaching content， connecting it closely with cutting-edge technologies and engineering applications to broaden students’ perspectives. In terms of teaching methods， the introduction of simulation software and virtual experiments is advocated to diversify teaching approaches and stimulate student interest. Regarding practical training， emphasis is placed on the application of theoretical knowledge. The development of a multi-level， multi-module experimental training system is suggested to cultivate students’ comprehensive abilities， including the application of theoretical knowledge， practical skills， problem-solving abilities in actual engineering scenarios， innovative thinking， and teamwork collaboration skills.

Key words： Refrigeration Compressor; virtual simulation; course teaching; practical training