實驗室面向畢業設計開放

韓東太，宋正昶，陳 寧，晁 陽

(中國礦業大學 電力學院，江蘇 徐州221116)

0 引 言

畢業設計是提高學生實踐應用能力和創新能力的重要教學環節，它不僅能夠反映個體的全面素質，而且在總體上也能夠折射出學校的辦學水平實驗室和教學質量［1］。畢業設計對學生培養所起的作用，從智力因素上講，可以幫助實現三個轉變:從“學會”到“會學”的轉變，從“會學”到“會用”轉變，從“會用”到“會創”的轉變，畢業設計是它們之間轉化的平臺和接口［2］;從非智力因素上講，畢業設計有助于品質和素養的養成，比如持之以恒的鉆研精神，謙虛謹慎的工作作風和嚴謹求實的科學態度，協同合作的團隊精神。

1 當前畢業設計存在的突出問題

1.1 選題與實踐脫節，缺乏創新

近幾年來，由于高校擴招，學生人數急劇增加，每名教師平均指導十幾名學生，很難做到1 人1 題，選題題目陳舊，重復性高［3］;新進的青年教師學歷層次較高，但由于缺乏工程實踐背景和教學經驗，一般選題避實就虛，或沿以往的研究課題和興趣來選題，忽略了學生自身的理論知識技能，學生選題之后不知道自己的畢業設計內容該做什么，無所適從。

1.2 指導教師、學生雙方精力投入不夠

根據教學計劃，畢業設計一般在大學四年級最后一個學期［4］，在此期間，有的學生四處求職應聘，有的學生埋頭考研或公務員考試，有的簽約單位還要求提前上崗實習，多方因素致使學生無暇全身心投入畢業設計，另一方面，指導教師集中指導10 多名學生畢業設計的同時還要承擔其他的教學科研任務，精力有限。繁重的教學科研任務、就業形勢的沖擊、考研壓力造成教師和學生雙方都無法全身心地投入畢業設計。

1.3 缺少真實的工程環境、真實課題

高校擴招，教育資源并未按相應的比例增加，畢業設計缺乏應有的環境條件，包括場地緊張、設備陳舊、經費投入不足、實習單位困乏等因素［5］。畢業設計選題雖然有真實工程背景，但無法經實踐檢驗，只能將設計內容虛擬化、模擬化，學生只需參照或直接照搬設計手冊中的案例，套用其中的公式和圖表，就可以完成畢業設計任務［6］，更有甚者，有的干脆對往屆畢業生的設計論文和圖紙略作改動，由參考變為“參抄”，造成畢業設計質量下滑嚴重。

2 畢業設計與實驗室建設相結合的必要性

高校實驗教學和畢業設計一樣，是培養學生創新能力的重要環節。實驗室開放建設的目標是改變演示性實驗、驗證性實驗為主的傳統實驗教學模式，構建由設計性與綜合性創新實驗組成的實踐教學新體系，與畢業設計的最終培養目標向一致［7-9］。傳統的實驗課以演示性、驗證型為主，實驗手段落后，綜合設計性開放實驗開出率低，很難激發學生興趣低，學生獨立分析，自主設計實驗方案的主觀能動性沒有得到充分挖掘，并且缺乏高水平教師的指導，以及有效的監督考核評價體系［10-11］。實驗室向畢業設計開放，畢業設計與實驗室建設相結合，既可以提供理論聯系實際的工程環境，讓學生在開放的環境中進行學習和創新訓練，培養學生創新能力和實踐能力，提高畢業設計質量，又可以促進實驗室開放建設，提高專業實驗教學質量。

3 實驗室面向畢業設計開放的實踐

課題組以電力學院熱能動力工程專業為試點，結合電力學院下屬能源與動力工程實驗中心的現狀，從2009 年起，由專業課教師和實驗室技術人員組成課題組，探索畢業設計與實驗室相結合的新模式。經過3年的實踐，效果顯著。課題組指導的畢業設計論文連續3 年都獲得了省級和校級“優秀畢業設計論文”，畢業設計有3 項作品在全國大學生節能大賽獲獎，1 項獲得全國大學生“挑戰杯”競賽二等獎，公開發表11篇學術論文，其中有2 篇被EI 全文檢索，6 名同學先后免試推薦為研究生;實驗室新開發了16 個自主設計型創新實驗，包括“傳熱學”和“熱工儀表”課程虛擬實驗。研制完成了6 臺自制實驗設備，其中毛細管換熱試驗臺獲得了中國礦業大學自制實驗設備二等獎，另外兩臺獲得了三等獎。

3.1 選題提前到大三第1 學期

課題組將選題提前到大學三年級第一學期，學生的公共基礎課已經完成，進入專業課學習階段，對所學的專業具有濃厚的興趣，課程任務并不重，自由支配時間較多［12］。畢業設計選題與實驗室教學改革相結合、與自制實驗設備相結合、與開發創新實驗相結合，由國家修購專項、實驗室開放基金、教改項目提供經費保證，能源與動力工程實驗中心成立大學生創新實驗室，提供基本實驗條件。課題組按照學生自愿報名、任課教師推薦、指導教師擇優挑選的原則，安排選題。首先由課題組在學院網頁上公布實驗研究課題目錄及指導教師名單，學生根據研究課題目錄，在網上選擇自己感興趣的題目，也可自行擬訂題目，實驗室根據選題情況進行分組，落實指導教師，并通知學生，學生在教師指導下擬定實驗計劃［13］。選題階段的關鍵是實驗計劃，內容包括:實驗的研究意義、實驗原理、實驗目的，并附主要參考文獻及出處、實驗目標、擬采取的實驗方法、技術路線、實驗方案及可行性分析等內容。

選題時不能簡單地套用依托的項目名稱，因為科研項目受客觀條件的限制，其目標主要定位在項目任務的完成，與本科設計的培養初衷有一定分歧［14］。其次，就項目本身而言，一般都是學科交叉，涉及知識面寬，有一定的深度，靠學生獨立完成顯然不現實［15］。課題組需要對課題進行篩選甄別，從教學角度出發，對研究內容作適當改動，或從項目可執行力考慮，將一個項目分解成若干個畢業設計題目，由團隊分工協作，共同完成。選題既有利于培養學生的科研實踐能力，降低了難度和風險，又有利于完成科研任務。學生真題真作，會具有高度的責任感和成就感，極大發揮主觀能動性和潛能，全身心融入到科研實踐當中去。

3.2 指導教師督、導并重，鼓勵大膽創新

指導教師在整個畢業設計過程，充當一個監督和向導的角色，為保證畢業設計的順利進行和畢業設計(論文)質量，課題組組織指導教師在論文開題、中期檢查、論文評閱、預答辯、答辯等幾個重要環節共同參與會商，嚴格把關。在設計過程中讓學生唱主角，充分發揮學生的主觀能動性，給學生以自由發揮的空間［16］。開題時，教師重點對技術路線和實驗計劃進行評估，提出質疑，幫助學生優化設計方案，保證其正確性和可行性。實驗過程中有時會出現一些前期未曾考慮的因素和意外的實驗結果，指導教師要及時發現問題，鼓勵學生大膽思考，拓寬思路，及時對技術路線提出調整和修改意見，解決問題。實驗結束時，指導教師應幫助學生對實驗數據進行分析和整理，并對論文的規范進行必要的指導。

3.3 組建畢業設計團隊，發揮協同效應

組建畢業設計團隊目的是成員分工合作，共同開展實際項目研發，在實踐中培養學生的團協作意識和能力。學生在完成個人子課題同時，與其他同學進行交流，分享他人的經驗和成果，全面了解項目涉及的各個領域，可以達到事半功倍的效果。依托能源與動力工程實驗中心現有的實驗條件，以大學生科研訓練計劃、實驗室開放建設教學改革項目為支撐，課題組組建了2011 屆熱動專業綜合實驗畢業設計創新團隊。設計分為基于理論和實踐相結合的強化換熱實驗和基于“傳熱學”、“動力測試技術及儀表”兩大專業主干課程的虛擬實驗室建設兩大方向。題目分別為:“非對稱肋管強制對流傳熱實驗和數值模擬”、“管內插入物對流傳熱強化實驗研究及分析”、“傳熱學虛擬實驗設計”以及“動力測試技術及儀表虛擬實驗設計”四個子課題。前兩個課題需要設計搭建兩個創新實驗臺—“非對稱肋管強制對流換熱實驗”和“管內插入物對流傳熱強化實驗臺”，兩者有很多共同點，比如水箱的設計、球閥的連接等等。在虛擬化設計時，需要采集前面兩個課題的實際試驗數據作為設計參數，使軟件運行結果真實可靠，達到虛擬現實的目的。同時強化傳熱實驗需要借助于后者的數值模擬軟件，借助于數值模擬，真實的模擬出實驗臺強制對流傳熱的流場，從理論上驗證了實驗的結果。整個團隊成員既有分工又有協作，最終交上一份令人滿意的答案，每個人都很好地完成了各自負責的子課題，并且都順利通過了申優答辯，被推薦為2011 年“省級優秀畢業設計創新團隊”。團隊的物化成果如圖1 ～4 所示。

圖1 非對稱肋管強制對流傳熱實驗臺

圖2 管內插入物對流傳熱強化實驗臺

圖3 《傳熱學》課程虛擬實驗設計

圖4 動力測試技術及儀表虛擬實驗設計

3.4 結合實驗教學改革，促進實驗室開放

課題組通過對已有的實驗進行更新改造、自制實驗臺、學生自擬題目為切入點開展畢業設計，開發完成了20 個綜合設計性實驗，每學年增加了6 000 實驗人時數。傳統的壓力表校核實驗、流量測量實驗都是機械式測量，誤差較大，通過畢業設計，引入傳感器等現代測量技術，完成對實驗的現代化改造;學生通過在離心風機性能實驗臺的風道里設計加裝了各種節流元件，不僅可以進行常規的風機性能實驗，還可以進行流場阻力性能實驗。電廠仿真實驗室以往只能按照操作規程進行電廠機組啟動和停止操作，課題組指導學生通過畢業設計開發出機組各種故障和事故診斷及對策模擬實驗。依靠教師縱向項目開發的斯特林發動機實驗臺、對旋風機振動實驗臺、新型太陽能集熱器也已對低年級學生進行開發。學生自擬題目自主設計的通風管道在線測量機器人現場演示獲得成功，被推薦為“江蘇省優秀畢業設計”。

4 結 語

實踐證明，實驗室向畢業設計開放是一條真題真作，是培養實踐創新人才，提高畢業設計質量的有效途徑之一。反過來，畢業設計進入實驗室，也加快了實驗室建設的步伐。同時也迫使指導教師、實驗技術人員不斷提高自身科研能力和教學水平，實現新的跨越。

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