學生創新實驗能力培養探索

李峰　丁云飛　楊素云

摘要：通過實驗項目教學改革創新實驗設計，結合實驗平臺的建設，以實驗方案的制定、專業背景知識的獲取、實驗裝置的可操作性3個方面為抓手，開展學生創新實驗實踐活動，探索大學生創新實驗能力培養的有效途徑和方法。

關鍵詞：創新實驗設計；實驗平臺；方案制定

中圖分類號：G642.423；TU3-4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）02-0144-03

隨著供熱通風與空氣調節工程專業的深入發展，專業應用環境的不斷變化，近年來暖通空調工程專業進行了一系列的重大改革：專業名稱從最早五六十年代的“供熱與通風”改名為“建筑環境與設備工程專業”，再改為現在的“建筑環境與能源應用工程專業”；人才培養框架也適當做了調整；課程設置和教學內容與要求發生了較大的變化，更符合社會進步、時代變遷和技術發展對專業的新需求。因此，對于人才的能力要求也更高更全面：要求培養的學生基礎扎實、知識面寬、素質高、能力強、有創新意識，不僅要具備從事專業設計、安裝、調試運行的能力，而且還要具有制定建筑自動化系統方案的能力，具有初步應用研究和開發的能力。實驗作為培養學生動手操作能力的重要環節也應隨之與時俱進，不斷完善，不斷調整。

實驗教學是高校實踐育人的載體，是培養創新學生素質的主要手段，在人才培養體系中有重要的作用[1]。實驗教學的理念是以培養學生實踐能力和創新精神為宗旨，講究實驗教學的科學性，即教學觀念科學、教學設計科學、教學方式方法科學和考核方式科學；講究實驗教學的層次性，即從基礎性驗證性實驗到綜合性設計性實驗過渡，以先進的實驗設備為支撐，重視實驗室硬件設備的更新，以確保學生通過實驗環節訓練在綜合應用能力和動手能力等方面得到鍛煉。

因此，在設有建筑環境與能源應用工程專業的工科院校中建設系統綜合性實驗臺，既可以開展專業實驗，又可以在完整的空調系統中考察設備的綜合性能及運行參數，還可在完成本科教學任務的同時開展創新實驗，培養學生的動手能力和創新意識。

空調制冷換熱綜合實驗臺就是基于這一宗旨開發設計而成的，同時遵從實驗教學的科學性及層次性原則，配以實驗教學方式的改革，筆者以獨立實驗課程暖通空調系統及控制實驗中的實驗項目“暖通空調系統控制實驗”為例，就教學改革的經驗及成果作進一步說明。

一、暖通空調系統實驗設計理念

（一） 建立多渠道的專業知識輸入信息源

改革實驗教學方法，培養學生的創新意識和創新能力是實踐教學環節亟待解決的重要任務[2]。實驗的目的就是讓書本知識與實際工程系統接軌，因此，實驗臺在系統工作原理、系統控制、實驗操作上需與常規暖通空調系統保持一致。學生要掌握空調系統及制冷系統中重要部件的工作特性，認識壓縮機、蒸發器、冷凝器、膨脹閥、節流閥、加濕器、表冷器、離心風機，離心水泵等設備的工作原理。要通過建立暖通空調系統及控制實驗課程專業網站，讓學生可以通過網絡學習、了解暖通空調系統實驗知識和相關資料及文獻，展開師生之間的互動交流。這樣不僅可提高學生的學習興趣和專業實驗教學的效率，充分調動“教”與“學”兩方面的積極性，而且能適應網絡教育的需要，使教學向深度和廣度拓展。實驗知識獲取途徑如下圖1。

（二）創新特色實驗的內容設計

根據實驗裝置功能齊全，控制靈活等特點，我們除了開設傳統的教學實驗外，還設計了一些創新型實驗。這些實驗充分展現了新技術在空調設計中的應用，從而能更好地引導學生從基本必修的典型驗證性實驗過渡到綜合性、設計型實驗，見表2。

以下是該試驗臺能做的必修專業基礎實驗，目的是使學生通過實驗環節訓練掌握必須的專業實驗技能。

（1）掌握制冷系統循環工作的原理和組成；（2）學習測定制冷壓縮機性能的方法，測定制冷量，性能系數，分析制冷系統的高效運行影響因素；（3）模擬冬夏季室外天氣，測定空調系統的冷量、風量和風壓，調節運行參數，多工況比較分析空調系統耗能的主要因素；（4）掌握空調系統的空氣處理過程，熟悉空氣參數的調節方法；（5）進行熱工測量及計算訓練。

二、 暖通空調系統控制實驗

學生實驗前需掌握實驗的專業背景知識，見圖1，分實驗小組進行實驗，通過小組討論制定實驗設計方案， 得到實驗教師的審批后才能進行實驗。實驗裝置與目前空調系統的結構大致相似，主體部分有離心風機、風管、以及壓縮機、表冷器、蒸發器、四通換向閥、兩用水箱。實驗裝置如圖2所示。

1.風機支架； 2.風機 ；3.風量調節； 4.比托管測風量管段 ；5.笛形管； 6.溫濕度測試窗 ；7.電空氣加熱器； 8.溫濕度測試窗 ；9.靜壓測試接嘴； 10.風洞內制冷壓縮機表冷器（管內氟利昂）； 11.溫濕度測試窗； 12.空氣加熱器（表冷器管內水）；13.處理前空氣溫濕度測試窗；14.空氣整流柵；15.空氣吸入管段、集氣口流量計；16.加熱器控制板；17.空氣加濕噴管；18.壓縮機壓力表、高低壓控制開關；19.20.外側為水加熱器，內側為水蒸氣發生器；21.壓縮機風洞外表冷器；22.儲液罐。23工況調節轉換閥及節流閥；24.制冷壓縮機；25.四通轉換閥；26.循環水泵；27.轉子流量計；28.兩用水箱；29.參數測量儀表盤 。

（一）實驗設計指導

實驗技能涉及控制調節系統設備的運行，相關參數的測試，控制調節壓縮機、風機、水泵的運行。通過測量系統參數，可得到風側的風量、風速、壓力，溫度、濕度，以及水側的流量。

可控部分主要有四通換向閥、水蒸氣發生器。在實驗中不僅需要調節四通換向閥，而且需要調節制冷劑側閥門，使制冷劑在水箱、室外側表冷器、室內側表冷器之間正常切換。

學生通過可控部分模擬出：a.冬季工況的外界空氣狀態以及空氣處理過程；b.夏季工況的外界空氣狀態以及空氣處理過程；c.水作載冷劑時的空氣調節方法。

通過系統測試可以得到各階段空氣的溫濕度、壓力，了解每個部件對空氣的作用以及空氣在系統中的變化過程。

風量的測量可采用畢托管（應用儀表4）和集氣口流量計（應用儀表15）兩種測量手段，對比風量的測試結果，分析風量測量誤差。

（二）夏季和冬季工況的外界空氣及空氣處理過程模擬實驗

夏季，外界空氣炎熱而潮濕，對空氣的處理通常為降溫、降低濕度，工作原理是使空氣通過蒸發器降溫同時降低濕度，此時室外機則將空氣升溫模擬夏季空氣，同時可用蒸汽發生器提高空氣濕度；冬季工況的模擬要求外界空氣寒冷而干燥，對空氣的處理主要為升溫加濕，加熱的方法可用電加熱以及熱泵，該實驗采用熱泵加熱空氣的原理展開實驗，利用蒸發器的吸熱使空氣降溫，模擬干燥寒冷的冬季室外狀態，同時利用冷凝器加熱空氣。

三、 實驗總結

該實驗的創新之處在于：學生通過實驗網站學習相關實驗項目的專業理論，掌握實驗方法，經過小組討論制定實驗方案，通過教師的點評審核，修正實驗方案；實驗臺提供了空調制冷通風各系統實驗操作運行的工程現場模擬條件，從而可體會空調系統在冷負荷變化時是如何調節送風量以達到控制室溫又節能的效果。此外，還可以多參數測量溫度、濕度，風量和阻力，觀察不同參數的控制效果，熟悉控制試驗臺冷源壓縮機、風機、水泵的運行調節對空調系統的影響，追求合理的最優控制方案。學生在實驗之前，通過網站內容進行預習，對實驗內容有大概的印象和直觀的認識，從而提高了學習效率，有利于深刻理解和記憶相關的實驗理論。教師不需要過多地講解背景知識，可以把時間和注意力放在討論上，鼓勵學生更多地思考、分析和解決問題。學生通過實驗加深了對建筑環境與能源應用工程相關課程中重要概念、原理、公式的理解，掌握了實驗技能和測試儀器儀表的使用方法。自實驗臺使用以來，已有5屆約350人在該實驗裝置上進行了課程教學實驗和專業實驗課程訓練。通過此類實驗課程的實踐及訓練，學生參加全國性學科競賽及空調制冷大賽多次獲獎。近三年來，在該專業最具影響力的全國“人環獎”（本專業學科領域唯一的國家級獎學金）獲一等獎1次（全國排名第3）、二等獎1次、三等獎1次；在全國工程設計領域有較高影響的MDV中央空調設計應用大賽中獲一等獎1項、二等獎3項、三等獎5項；中國制冷空調行業協會舉辦的大學生科技競賽中獲三等獎3項；在全國“亞龍杯”大學生智能建筑工程實踐技能大賽中獲二等獎1項、三等獎2項。

四、結語

實驗教學模式的改革主要是進行實驗課程體系、教學內容和教學方法的改革與創新，通過優化實驗教學環節，提高實驗教學效果[3]。基于建筑環境與能源應用工程專業的空調制冷換熱綜合實驗臺和實驗課程專業網站建設，滿足了專業指導委員會提出的要求，在此基礎上進行的實驗教學方法改革嘗試，經3屆學生的實踐反饋收到了良好的效果，學生的主觀能動性有所增強，教學效果良好。

通過此實驗項目的教學訓練，促使學生更加重視實驗環節，培養了學生的動手能力，發現問題、分析問題和解決問題等綜合能力，進而提高了實驗課程的教學質量。

參考文獻：

[1]呂念玲.王文錦.殷瑞祥.對當前高校實驗教學的觀察與思考[J].實驗技術與管理，2014，31（6）：179-182.

[2]黃方，李曉恩，周恒國.環境工程專業實驗教學與創新人才培養[J].實驗技術與管理，2014，31（8）：174-176.

[3]戴克林.高校實驗室建設與創新人才培養研究[J].實驗技術與管理，2014，31（7）：32-35.

（編輯 梁遠華）