熱能與動力工程課程融合的開放性實驗平臺探索

徐立

摘 要 在卓越工程師教育培養計劃目標的指引下，根據專業特點，積極探索著眼于課程融合的開放性實驗平臺建設方案，從而改變傳統專業課程實驗內容單一的現狀，以期改進學生解決問題的方法，提高實踐能力和創新能力。

關鍵詞 卓越工程師；課程融合；開放性實驗平臺

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）10-0151-03

Research on Open Experimental Platform based on Curriculum Integration of Thermal Energy & Power Engineering//XU Li

Abstract Under the guidance of excellent engineer training program，

active exploration was carried out for the open experimental platform based on curriculum integration according to the professional characteristics， which can change the status of the present single experimental content of the traditional professional courses， and the method to solve the problem can be enhanced and the practice ability and innovation ability can also be improved consequently.

Key words excellent engineer； curriculum integration； open experi-mental platform

1 前言

近年來，通過對國內一些高校的專業實驗室建設進行調研，發現普遍存在建設投資較大，但利用效率相對較低、應用范圍相對較窄的問題[1]。專業實驗室的建設初衷是為了更好地培養學生的實驗和實踐技能，理應讓專業實驗室充分向本科生開放，然而目前國內大多數高校的實驗室側重服務于科研項目，參與人員基本上是研究生，專有的本科教學實驗設備相對陳舊，一般僅僅按課程教學計劃開展指定的實驗，因而大多數本科生除了教材知識之外，對科研工作并沒有足夠的認識，缺乏新時代所需要的各種實踐能力和創新能力?，F今大學生參與科學研究的積極性很高，眾多本科生都在申請自主創新基金項目、節能減排大賽等科技競賽活動，因此，為提升創新實踐能力，使本科生在將來的科研工作和生產工作中奠定良好基礎，是本科教學實驗改革需要重點關注的方向。

目前主流的實驗教學改革思路是打破傳統專業實驗室相互獨立的局限和過去只在課程內開設有限學時數實驗的機制，在充分保證基礎實驗項目的基礎上，以開設大型綜合性實驗和開放自主創新性實驗為建設目標，通過相關聯專業課程融合、跨實驗室進行實驗，使實驗教學能夠融入多學科理論知識和實驗資源，既能有機結合各門課程的核心理論體現其關聯性，又能讓學生通過實驗更深刻理解專業知識并運用知識。合理引導本科生參與科學實驗工作[2]，充分理解科學研究的內涵，為大學生今后走入社會或融入科研工作起到促進作用，將有利于培養學生在多學科交叉并且快速發展的科學領域中發現問題和尋找解決問題突破口的初步科研能力。

本文結合武漢理工大學熱能工程系實驗教學現狀以及科研項目特色，進行課程融合的開放性實驗平臺探索研究。

2 實驗教學現狀分析

熱能工程系經過“十一五”和“十二五”前幾年的實驗室建設，取得一定成績，但也還存在諸如設備嚴重老化、一些新設計實驗甚至傳統基礎實驗難以開展的問題。

1）動力裝置設計平臺方面：目前在船舶動力裝置教學方面偏重于理論，與造船企業的實際需求有一定偏差。就現狀而言，實驗室購置的軟件中已經包含船舶工藝設計的內容，但由于計算機數量的限制并且實驗目的單一，無法實現在有限學時數內讓本科生得到充分的實踐機會。

2）動力裝置實驗室方面：船舶動力裝置實驗室設備老化較為嚴重，無法開展動力裝置原理與設計、船舶動力裝置課程教學大綱中要求完成的部分實驗環節；同時由于相關基本物理量的測試儀器在動力裝置實驗室和熱工實驗室中大量重復配置，資源存在一定閑置。

3）熱工實驗儀器方面：主要服務于工程熱力學、傳熱學課程，利用率相對較高，但也存在設備臺套數不足、設備老化的問題；制冷實驗設備現在主要用于每年少量的開放性實驗教學，利用率非常低，未能充分應用于本科生創新性科技競賽中。

不僅如此，本科生在完成各實驗室的實驗內容之后，對學科體系的認識依然不足，不知道專業基礎課程工程熱力學、傳熱學的理論如何應用到核心專業課程動力裝置原理與設計的動力系統設計中，因而亟待建立一套服務于相關課程實驗教學的綜合實驗平臺。

3 課程融合的開放性實驗平臺建設目的

基于如上分析，搭建一套課程融合的開放性實驗平臺顯得尤為迫切和重要，建設目的包括：

1）通過利用實踐環節反向補充理論教學，拓展傳統熱力循環理論框架，闡明熱能與動力知識體系在工程應用中的基本規律和合理性；

2）按照通用標準和行業標準培養本科生的工程測試能力，能源與動力系統的設計、優化能力以及不斷探索和創新的意識；

3）為本科生船舶動力裝置原理、工程熱力學與傳熱學、工程熱力學、傳熱學、熱能動力機械測試技術、機械振動分析與應用、輪機工程測試技術及船舶管理等課程提供完善的實驗平臺。endprint

4 課程融合的開放性實驗平臺建設意義

早在2010年6月23日，教育部聯合有關部門和行業協會共同在有關高校中組織實施“卓越工程師教育培養計劃”[3-4]。武漢理工大學作為第一批“卓越工程師教育培養計劃”高校之一，清晰的定位也對本校教育培養工作提出更明確的要求。“卓越計劃”具有三個特點：一是行業企業深度參與培養過程；二是學校按通用標準和行業標準培養工程人才；三是強化培養學生的工程能力和創新能力。

本文提出的綜合節能實驗平臺正是在“卓越工程師教育培養計劃”的要求下，結合國際形勢和行業背景，培養卓越工程人才，切實有效地應對航運業面臨的主流問題。

5 編制的依據

在環境保護科學研究廣泛開展的態勢下，嚴格控制溫室氣體排放、保護大氣環境問題已經受到航運界的普遍關注。CO2是最重要的人為溫室氣體。由于目前大多數船舶仍然依賴燃油燃燒獲取的推進力來驅動船舶前進，而該結果必然產生大量CO2排入大氣。為此，國際海事組織的部分成員國（包括歐盟國家、澳大利亞、新西蘭和日本等）全力主張在航運界應不加區分地對所有船舶實行全球一致的溫室氣體排放強制標準。而船舶作為船旗國的浮動領土，能源系統具有一定的獨立性，對能源的依賴性也較強，因而能源系統的合理有效應用及可再生能源的應用顯得非常重要。

目前工業應用較多的能源綜合梯級利用解決方案是冷熱電聯產系統（CCHP，Combined Cooling Heating and Power），其總的能源利用率可以達到75%～90%的程度。該系統一般以燃氣（如天然氣、生物質氣等）作為一次能源，是將發電系統和供熱、供冷系統相結合的一種綜合供能方式，已經廣泛應用于商用辦公樓等處所，在大幅提高能源轉換效率和降低溫室氣體排放方面，相較于常規能源轉換系統具有很大的優勢。在傳統動力船舶上進行節省燃料或提高能效的設計或改造顯得極為迫切，而作為熱能與動力工程專業的本科生畢業后即將走向船舶、航運、能源企業工作，承擔著節能減排這項責無旁貸的重要任務。因此，在本科實驗教學中必須理論聯系實際，進行相關的先進船舶節能系統的實驗環節培養。本實驗平臺正是依據這樣的能源技術進行搭建設計。

6 建設內容

本文所研究的“船舶CCHP綜合節能實驗平臺”按本科專業教學課程的特點，可以構建工程熱物理實驗系統、工程測試技術實驗系統、船舶節能優化實驗系統三個相互關聯的部分，本科生可以通過科技活動指導教師的啟發，也可以結合縱向、橫向科研項目或畢業設計任務書，利用開放性實驗平臺，選擇合理的實驗設計并有效地處理、分析實驗數據。

1）工程熱物理實驗系統。

功能模塊1：吸收式制冷模塊。單效熱水型吸收式制冷機組可以利用98 ℃左右的熱水作為機組的熱源，將冷劑水加熱汽化，然后冷凝成液體去真空度較高的蒸發器中吸熱汽化，對冷媒水進行降溫達到制冷的目的。該設備具有的優點包括：①能利用柴油機的余熱；②具有自動抽空的能力；③具有防止溶液結晶的保護功能；④能實現遠程監控；⑤可以裝在室外，節約實驗室的使用面積。

功能模塊2：換熱器性能綜合測試模塊。換熱器性能綜合測試試驗臺的控制系統由工業控制臺和工業過程控制軟件組成。工業過程控制軟件由專用的組態軟件組成，能夠進行數據采集、顯示、信號處理及過程自動控制等功能。除此之外，還要求軟件具有很強的數據處理功能，包括對數據值的記錄、整理、保存和打印。數據整理結果可記錄于數據表內，并可對數據進一步處理，如計算對數誤差、傳熱系數或換熱量等，并可根據這些數據和傳熱理論形成趨勢曲線，擬合得出努謝爾特數（Nu）的實驗關系式。

2）工程測試技術實驗系統。

功能模塊1：基本物理量測試模塊。本系統主要檢測的功能有：①天然氣發動機主要性能參數的測試；②天然氣發動機缸套水的流量、進出口溫度測試；③冷媒水的流量、進出口溫度測試；④電加熱器的進出口溫度、熱水流量測

試；⑤制冷空調房間的溫度、濕度測試；⑥天然氣發動機實驗房間的可燃氣體檢測與報警功能。

功能模塊2：振動噪聲測試模塊。本系統主要檢測的功能有：①實驗區域噪聲監測；②柴油機振動烈度測試分析實驗。

功能模塊3：DW電渦流測功測試模塊。DW系列測功器具有寬廣的測試范圍，容許轉速高，轉動慣量小，測量控制精度高，對突變負荷響應快，不受冷卻水進水壓力變化的影響，且對外圍輔助設施要求低，尤其適合于各種自動化的試驗臺架，與具有自動化控制功能的電控系統配套，能實現遠距離操縱及數顯測量。相對水力測功器而言，電渦流測功器在低速、小功率加載以及配套實現電控方面具有無可比擬的優越之處。

功能模塊4：綜合集成虛擬儀器模塊。上述功能模塊1～3需要對基本物理量、振動噪聲和DW電渦流等物理量進行監測，可以對監測數據進行綜合集成顯示，建立虛擬儀器模塊。虛擬儀表模塊由傳感器、數據采集卡、主控計算機和相關的虛擬儀器軟件平臺等組成。數據采集卡從傳感器和其他待測設備等模擬和數字被測單元中自動采非電量或者電量信號，送到主控計算機中進行分析、處理?；贚abVIEW開發相應的虛擬儀器軟件平臺，以動態曲線、虛擬儀表等形式實時地顯示測試數據，并自動記錄實驗測試結果。此模塊便于教師引導大學生開展相關實驗，加強大學生的感性認識，有助于提高大學生的實際操作能力。

3）船舶節能優化實驗系統。

功能模塊1：船舶節能系統虛擬設計模塊。該系統可以實現的主要功能：①船舶CCHP綜合節能系統發電單元設計和改造模擬；②船舶CCHP綜合節能系統制冷單元設計和改造模擬；③船舶CCHP綜合節能系統熱利用單元設計和改造模擬。

功能模塊2：船舶節能系統優化模塊。該系統結合相關測試數據對節能效能進行評價，并進行重新調整，優化CCHP零部件及系統，實現較為滿意的節能效果。

7 結語

在國家實施“卓越工程師教育培養計劃”的大背景下，為有效提升本科生的工程實踐能力和科研素養，結合當前船舶行業節能減排的嚴峻形勢，本文進行了將相關專業課程實驗內容以整體形式有機融合的開放性實驗平臺建設的探索，從而尋求一種能有效提供本科生完成課程實驗、參加學科競賽、進行畢業設計等的基礎平臺，最終提高本科生創新實踐能力，努力培養優秀的畢業生，使其為今后的科研工作和生產工作中奠定良好的基礎。

參考文獻

[1]劉燕，李曉波.開放的教學實驗平臺建設與創新性人才培養[J].實驗室研究與探索，2014，33（3）：211-214.

[2]姜麗偉.教學實驗設備使用與管理的優化[J].實驗技術與管理，2011，28（10）：206-208.

[3]魏萍，周海霞，劉大雙，等.基于卓越工程師培養的海洋工程與技術專業實踐教學體系改革與探索[J].中國教育技術裝備，2014（22）：153-154.

[4]石勇，馬修真.能源動力類卓越工程師培養模式探索[J].中國電力教育，2014（17）：44-45，57.endprint