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摘要：通过分析现阶段“锅炉原理”课程的教学特点发现，在教学中除了需要依靠教材、参考书以及课堂课件外，还应将复杂结构、非常见实物以及模型引入教学过程。教学实践发现，不同阶段引入不同的模型、实物，可以有效地提高教学效率，加深对相关知识点的印象，明显改善教学效果，弥补现阶段实习环节的不足之处。实践表明，将实物/模型与引入教学相结合的方法，简单易行，效果显著。
关键词：教学改革；实物/模型化教学；锅炉原理
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0060-02
一、“锅炉原理”课程的特点
按照我国的能源结构，未来几十年内火力发电依然是我国各类发电的主力军。锅炉是火力发电的三大主机之一，对火力发电的安全、经济运行起着至关重要的作用，同时锅炉也是应用很广泛的一种能源转换设备，是能源与动力工程及其相关专业学生毕业后从事运行、调试、改进设计、实验研究的主要对象。
“锅炉原理”是能源与动力工程专业的主要专业课程之一，[1]通过本课程的学习，学生将掌握锅炉工作的基本原理，并具有锅炉安全、经济运行的一般知识，同时获得分析工程问题以及设计、计算和实验的初步能力。“锅炉原理”课程体系包括认识实习、课内讲授、教学实验、课程设计以及毕业实习等环节。现行的教学模式课内讲授前2周认识实习，课内教学60学时，教学实验4学时，课程设计2周，毕业实习2周。
“锅炉原理”课程涉及基本原理、设备结构以及理论计算等，其突出特点是结构复杂、点多、面广，早期的教学计划课内学时数曾经达120学时，分两个学期开设，学时较为充裕。近几年培养计划的调整要求体现“宽口径、厚基础、强能力、高素质”的人才培养模式，“锅炉原理”课程总学时数压缩到64学时，内容繁多与学时紧张的矛盾日显突出。尤其是以“抽象”“论述”为主教材编写模式，使得大部分学生由于无法看到实物而难以引起学生的注意力和兴趣，这已成为“锅炉原理”课程教学中的难点。
二、实物/模型的教学实践
大学教学论包括：教学在学校教育中的地位和作用、教学的目的任务、教学过程、教学原则、教学内容、教学方法手段、教学组织形式和教学效果的检查与评价。[2]因此对教学内容、教学方法以及组织形式的研究是大学教学论的重要内容。
从心理学的角度，学习是一种相当复杂的活动过程。[3]学习者、学习过程和学习情景是学习活动中的三要素。现阶段高校的学习主要属于知识的学习，即对知识的感知、理解、保持和应用。从人的认识发展角度来看，“实物化”教学遵循“理性认识→感性认识→感性实践→理性认识”的过程，符合人的识记规律。谈华军[4]将模型制作引入船舶零件的教学环节，收到了较好的效果。鉴于上述原因，“锅炉原理”教学过程中应贯彻实物/模型化教学的指导思想。
1.锅炉的整体结构
锅炉设备由锅炉本体和辅助设备构成，前者包括炉膛、汽包、过热器、省煤器、空气预热器、炉墙和构架等，后者包括送风机、引风机、给水泵和煤粉制备设备等。其中，省煤器、汽包、下降管、水冷壁、过热器等设备组成锅炉的汽水系统，而燃烧器、炉膛、烟道及空气预热器等设备组成锅炉的燃烧系统。由此可见，锅炉设备体积庞大、系统复杂、工作条件各异，运行时涉及高温蒸汽、高温火焰、高温烟气、高温空氣以及固体煤粉等的流动，在生产现场很难整体把握。
对于这种复杂的系统，在教学实践中引入三维立体锅炉模型，学生可以仔细观察锅炉模型的结构特征，清晰地建立锅炉汽水系统、各个受热面的相对位置、燃烧器的布置和烟风系统等概念，全面把握锅炉的整体结构。
2.锅炉受热面的结构
受热面是工质吸收热量转变为蒸汽或热空气的主要途径，包括水冷壁、过热器、再热器、省煤器和空气预热器。这些受热面由于其作用和布置位置不同，在结构上有很大的差异。
水冷壁的作用是将未饱和水加热到饱和汽水混合物。为了增强炉膛的气密性、增加辐射受热面积以防止管壁超温、降低金属耗量等，通常采用膜式水冷壁。图2表示内螺纹管水冷壁的结构，采用这种水冷壁是为了强化工质在管内的扰动、推迟膜态沸腾以避免管壁超温。在实际教学中发现，将这些模型引入课堂教学后，学生不仅直观认识了膜式水冷壁和内螺纹管水冷壁的结构，而且直观理解了膜式水冷壁中弯管、开孔的作用。
省煤器的作用是加热给水以减小汽包的热应力。为了适应燃用劣质燃料的要求，具有结构紧凑、金属耗量低等特点的扩展受热面省煤器在新机组锅炉制造或旧锅炉改造中逐渐应用。图3为螺旋鳍片省煤器的结构示意图，这种省煤器增加了传热面积和传热系数，提高了结构的紧凑性。但是绕制过程在内圆弧会形成等距的波纹皱褶。当气流沿鳍片流动时，螺旋角引导气流改变方向，这样在省煤器管子根部烟气局部烟速剧增，且气流冲刷后在波纹皱褶突出位置磨损加剧，形成坑点甚至泄露。可以设想，如果没有这种省煤器的实物结构，学生很难理解由于烟气流动方向改变所引起的烟气流动方向的改变、磨损等问题。
空气预热器的作用则是加热空气以强化燃料着火和燃烧。回转式空气预热器由于结构紧凑、受热面布置简化、腐蚀的危险性小等特点在大型锅炉中得到了广泛应用。但是，由于其结构复杂，在讲授这种空气预热器工作原理时遇到很多问题，比如烟气的走向、空气的流程等。在教学过程中，通过空气预热器的实物结构），充分展示回转式空气预热器的换热过程，使得学生对该受热面两种介质之间的相对位置、相互关系一目了然。
3.锅炉炉膛的结渣
燃料是锅炉输入能量的载体，输入锅炉的燃料形态包括气、液、固态等。现在的学生仅有煤种的抽象概念，几乎没有烟煤、无烟煤、褐煤以及劣质燃料煤矸石的直观认识。另外，对于在炉膛内燃烧的高温状态下，工况异常时熔融或半熔融状态的灰分会在管子表面结渣的现象无法想象。对于“自恶化”的结渣会造成表面温度升高、结渣层增厚，甚至形成很大的焦块，进而对锅炉安全和经济运行的影响更无法理解。 为了解决在教学中遇到的问题，在教学中引入从现场收集的烟煤、无烟煤、褐煤以及煤矸石等实物样品，飞灰、灰渣以及燃烧异常时的结焦块、结渣块，图5为煤粉炉和循环流化床锅炉结焦的实物。通过直接观察，学生对难以用语言描述的锅炉炉膛的结渣产生了直观、深刻的印象。同时，通过该环节还可以形象地告诉学生，在从事锅炉运行工作的过程中避免锅炉结渣的必要性和重要性。
4.高温腐蚀
高温腐蚀是发生在高温受热面烟气侧金属管壁的腐蚀现象，会使受热面管壁变薄，强度降低，寿命缩短，严重时将造成爆管事故，甚至被迫停炉。在教学过程中，通过实物展示高温腐蚀对管壁造成的危害（见图6），一方面可以对高温腐蚀后果产生直接的感受，另一方面可以强化学生安全运行的意识。
三、实物/模型的教学效果
因为人类认识事物，直接的观察对象是最快速的一种方式，通过符号图形描述认识事物的过程就比较复杂，而借助于文字则效率最低。实物、模型等辅助教学手段多用于中学阶段的教学过程，如姜宇[5]在生物教学中引入直观教具，帮助学生很好地完成从形象到抽象的过程；乔萌[6]则在立体几何的教学中引入实物教具有力地培养了学生的空间想象能力，解决了空间思维上的学习障碍。
随着大学教学方式的改变，人们往往忽略了高等教育中实物/模型化教学手段的作用。笔者在“锅炉原理”教学过程中认识到，尽管现在多媒体教学是一种重要的手段，但是实物和模型的作用仍是不可替代的。首先，对于预定的学习目标需要考虑是否需要使用实物和模型，使用哪种或哪几种实物和模型。其次，不同实物/模型储存信息的直观程度不同。作为教师，应该在了解各种实物/模型的特征和作用的前提下，决定使用哪些实物和模型，并注意实物和模型的互补优势，不能用现代化教学媒体完全取代传统实物和模型。例如在讲授锅炉结构时，通常先展示各个部件的实物，使得学生具有具体和真实的印象，然后采用放大的立体模型演示其结构布局，让学生全面把握锅炉的整体结构。通过将实物/模型引入到“锅炉原理”课程教学，将融知识性和趣味性于一体，对于学生视觉的刺激要强烈得多。学生们看见实物后印象较深，能丰富学生的感性知识，而通过模型的观察，可以有效地培养学生的空间想象力、观察能力和思维能力，对大型设备的整体把握比较完整，比文字、图片以及视频的效果都要好。这种教学方式激发了学生学习专业知识的热情，巩固和加深了对“锅炉原理”知识的理解。对太原理工大学已经毕业的热能与动力工程专业2008级和2009级学生进行追踪调查发现，“锅炉原理”采用的实物/模型化教学为他们快速适应工作岗位奠定了良好的基础。热能与动力工程专业即将毕业的2010级学生有的继续攻读硕士学位，有的将奔赴自已的工作岗位。调查分析发现，无论是研究生复试还是就业面试，学生由于得益于实物/模型教学方法，对锅炉相关知识的考题从容自如，安之若素。
四、结束语
“锅炉原理”作為热能与动力工程专业的传统专业课，在新的条件下，除了要赋予新的内容外，还有必要在教学方式上进行改进，只有这样学生才能更好地掌握课程规定的内容，并很快转化到生产实践中。实践证明，在“锅炉原理”教学过程中将实物/模型与引入教学相结合的方法，简单易行，效果显著。
参考文献：
[1]丁立新.电厂锅炉原理[M].北京：中国电力出版社，2012.
[2]王殿璋.大学教学论[M].北京：北京师范大学出版社，1991.
[3]吴育桂.心理科学概论[M].北京：北京师范大学出版社，1991.
[4]谈华军.浅谈模型制作在实践教学中的作用[J].广东科技，
2011，（22）：27.
[5]姜宇.浅谈直观教具在生物教学中的使用[J].职业教育，2011，
（11）：132.
[6]乔萌.实物教具在立体几何教学中的作用[J].现代教育，2012，
（16）：62-63.
（责任编辑：孙晴）
关键词：教学改革；实物/模型化教学；锅炉原理
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0060-02
一、“锅炉原理”课程的特点
按照我国的能源结构，未来几十年内火力发电依然是我国各类发电的主力军。锅炉是火力发电的三大主机之一，对火力发电的安全、经济运行起着至关重要的作用，同时锅炉也是应用很广泛的一种能源转换设备，是能源与动力工程及其相关专业学生毕业后从事运行、调试、改进设计、实验研究的主要对象。
“锅炉原理”是能源与动力工程专业的主要专业课程之一，[1]通过本课程的学习，学生将掌握锅炉工作的基本原理，并具有锅炉安全、经济运行的一般知识，同时获得分析工程问题以及设计、计算和实验的初步能力。“锅炉原理”课程体系包括认识实习、课内讲授、教学实验、课程设计以及毕业实习等环节。现行的教学模式课内讲授前2周认识实习，课内教学60学时，教学实验4学时，课程设计2周，毕业实习2周。
“锅炉原理”课程涉及基本原理、设备结构以及理论计算等，其突出特点是结构复杂、点多、面广，早期的教学计划课内学时数曾经达120学时，分两个学期开设，学时较为充裕。近几年培养计划的调整要求体现“宽口径、厚基础、强能力、高素质”的人才培养模式，“锅炉原理”课程总学时数压缩到64学时，内容繁多与学时紧张的矛盾日显突出。尤其是以“抽象”“论述”为主教材编写模式，使得大部分学生由于无法看到实物而难以引起学生的注意力和兴趣，这已成为“锅炉原理”课程教学中的难点。
二、实物/模型的教学实践
大学教学论包括：教学在学校教育中的地位和作用、教学的目的任务、教学过程、教学原则、教学内容、教学方法手段、教学组织形式和教学效果的检查与评价。[2]因此对教学内容、教学方法以及组织形式的研究是大学教学论的重要内容。
从心理学的角度，学习是一种相当复杂的活动过程。[3]学习者、学习过程和学习情景是学习活动中的三要素。现阶段高校的学习主要属于知识的学习，即对知识的感知、理解、保持和应用。从人的认识发展角度来看，“实物化”教学遵循“理性认识→感性认识→感性实践→理性认识”的过程，符合人的识记规律。谈华军[4]将模型制作引入船舶零件的教学环节，收到了较好的效果。鉴于上述原因，“锅炉原理”教学过程中应贯彻实物/模型化教学的指导思想。
1.锅炉的整体结构
锅炉设备由锅炉本体和辅助设备构成，前者包括炉膛、汽包、过热器、省煤器、空气预热器、炉墙和构架等，后者包括送风机、引风机、给水泵和煤粉制备设备等。其中，省煤器、汽包、下降管、水冷壁、过热器等设备组成锅炉的汽水系统，而燃烧器、炉膛、烟道及空气预热器等设备组成锅炉的燃烧系统。由此可见，锅炉设备体积庞大、系统复杂、工作条件各异，运行时涉及高温蒸汽、高温火焰、高温烟气、高温空氣以及固体煤粉等的流动，在生产现场很难整体把握。
对于这种复杂的系统，在教学实践中引入三维立体锅炉模型，学生可以仔细观察锅炉模型的结构特征，清晰地建立锅炉汽水系统、各个受热面的相对位置、燃烧器的布置和烟风系统等概念，全面把握锅炉的整体结构。
2.锅炉受热面的结构
受热面是工质吸收热量转变为蒸汽或热空气的主要途径，包括水冷壁、过热器、再热器、省煤器和空气预热器。这些受热面由于其作用和布置位置不同，在结构上有很大的差异。
水冷壁的作用是将未饱和水加热到饱和汽水混合物。为了增强炉膛的气密性、增加辐射受热面积以防止管壁超温、降低金属耗量等，通常采用膜式水冷壁。图2表示内螺纹管水冷壁的结构，采用这种水冷壁是为了强化工质在管内的扰动、推迟膜态沸腾以避免管壁超温。在实际教学中发现，将这些模型引入课堂教学后，学生不仅直观认识了膜式水冷壁和内螺纹管水冷壁的结构，而且直观理解了膜式水冷壁中弯管、开孔的作用。
省煤器的作用是加热给水以减小汽包的热应力。为了适应燃用劣质燃料的要求，具有结构紧凑、金属耗量低等特点的扩展受热面省煤器在新机组锅炉制造或旧锅炉改造中逐渐应用。图3为螺旋鳍片省煤器的结构示意图，这种省煤器增加了传热面积和传热系数，提高了结构的紧凑性。但是绕制过程在内圆弧会形成等距的波纹皱褶。当气流沿鳍片流动时，螺旋角引导气流改变方向，这样在省煤器管子根部烟气局部烟速剧增，且气流冲刷后在波纹皱褶突出位置磨损加剧，形成坑点甚至泄露。可以设想，如果没有这种省煤器的实物结构，学生很难理解由于烟气流动方向改变所引起的烟气流动方向的改变、磨损等问题。
空气预热器的作用则是加热空气以强化燃料着火和燃烧。回转式空气预热器由于结构紧凑、受热面布置简化、腐蚀的危险性小等特点在大型锅炉中得到了广泛应用。但是，由于其结构复杂，在讲授这种空气预热器工作原理时遇到很多问题，比如烟气的走向、空气的流程等。在教学过程中，通过空气预热器的实物结构），充分展示回转式空气预热器的换热过程，使得学生对该受热面两种介质之间的相对位置、相互关系一目了然。
3.锅炉炉膛的结渣
燃料是锅炉输入能量的载体，输入锅炉的燃料形态包括气、液、固态等。现在的学生仅有煤种的抽象概念，几乎没有烟煤、无烟煤、褐煤以及劣质燃料煤矸石的直观认识。另外，对于在炉膛内燃烧的高温状态下，工况异常时熔融或半熔融状态的灰分会在管子表面结渣的现象无法想象。对于“自恶化”的结渣会造成表面温度升高、结渣层增厚，甚至形成很大的焦块，进而对锅炉安全和经济运行的影响更无法理解。 为了解决在教学中遇到的问题，在教学中引入从现场收集的烟煤、无烟煤、褐煤以及煤矸石等实物样品，飞灰、灰渣以及燃烧异常时的结焦块、结渣块，图5为煤粉炉和循环流化床锅炉结焦的实物。通过直接观察，学生对难以用语言描述的锅炉炉膛的结渣产生了直观、深刻的印象。同时，通过该环节还可以形象地告诉学生，在从事锅炉运行工作的过程中避免锅炉结渣的必要性和重要性。
4.高温腐蚀
高温腐蚀是发生在高温受热面烟气侧金属管壁的腐蚀现象，会使受热面管壁变薄，强度降低，寿命缩短，严重时将造成爆管事故，甚至被迫停炉。在教学过程中，通过实物展示高温腐蚀对管壁造成的危害（见图6），一方面可以对高温腐蚀后果产生直接的感受，另一方面可以强化学生安全运行的意识。
三、实物/模型的教学效果
因为人类认识事物，直接的观察对象是最快速的一种方式，通过符号图形描述认识事物的过程就比较复杂，而借助于文字则效率最低。实物、模型等辅助教学手段多用于中学阶段的教学过程，如姜宇[5]在生物教学中引入直观教具，帮助学生很好地完成从形象到抽象的过程；乔萌[6]则在立体几何的教学中引入实物教具有力地培养了学生的空间想象能力，解决了空间思维上的学习障碍。
随着大学教学方式的改变，人们往往忽略了高等教育中实物/模型化教学手段的作用。笔者在“锅炉原理”教学过程中认识到，尽管现在多媒体教学是一种重要的手段，但是实物和模型的作用仍是不可替代的。首先，对于预定的学习目标需要考虑是否需要使用实物和模型，使用哪种或哪几种实物和模型。其次，不同实物/模型储存信息的直观程度不同。作为教师，应该在了解各种实物/模型的特征和作用的前提下，决定使用哪些实物和模型，并注意实物和模型的互补优势，不能用现代化教学媒体完全取代传统实物和模型。例如在讲授锅炉结构时，通常先展示各个部件的实物，使得学生具有具体和真实的印象，然后采用放大的立体模型演示其结构布局，让学生全面把握锅炉的整体结构。通过将实物/模型引入到“锅炉原理”课程教学，将融知识性和趣味性于一体，对于学生视觉的刺激要强烈得多。学生们看见实物后印象较深，能丰富学生的感性知识，而通过模型的观察，可以有效地培养学生的空间想象力、观察能力和思维能力，对大型设备的整体把握比较完整，比文字、图片以及视频的效果都要好。这种教学方式激发了学生学习专业知识的热情，巩固和加深了对“锅炉原理”知识的理解。对太原理工大学已经毕业的热能与动力工程专业2008级和2009级学生进行追踪调查发现，“锅炉原理”采用的实物/模型化教学为他们快速适应工作岗位奠定了良好的基础。热能与动力工程专业即将毕业的2010级学生有的继续攻读硕士学位，有的将奔赴自已的工作岗位。调查分析发现，无论是研究生复试还是就业面试，学生由于得益于实物/模型教学方法，对锅炉相关知识的考题从容自如，安之若素。
四、结束语
“锅炉原理”作為热能与动力工程专业的传统专业课，在新的条件下，除了要赋予新的内容外，还有必要在教学方式上进行改进，只有这样学生才能更好地掌握课程规定的内容，并很快转化到生产实践中。实践证明，在“锅炉原理”教学过程中将实物/模型与引入教学相结合的方法，简单易行，效果显著。
参考文献：
[1]丁立新.电厂锅炉原理[M].北京：中国电力出版社，2012.
[2]王殿璋.大学教学论[M].北京：北京师范大学出版社，1991.
[3]吴育桂.心理科学概论[M].北京：北京师范大学出版社，1991.
[4]谈华军.浅谈模型制作在实践教学中的作用[J].广东科技，
2011，（22）：27.
[5]姜宇.浅谈直观教具在生物教学中的使用[J].职业教育，2011，
（11）：132.
[6]乔萌.实物教具在立体几何教学中的作用[J].现代教育，2012，
（16）：62-63.
（责任编辑：孙晴）