基于實驗教學改革的新工科人才培養實踐

李鈺潔 劉永葆 余又紅 馬睿

[摘 要] 新工科對實驗教育教學提出了新的要求，為提高學生綜合能力、創新能力，以適應新工科要求，從培育人才綜合能力素質出發，針對工科課程的學習特點，分別在實驗教學條件、教學內容、教學模式等方面進行了改革實踐。通過建設綜合實驗教學平臺，構建仿真實驗室，建立精準化評價模型，實施互聯網平臺實驗教學與仿真實驗互為補充的教學模式等措施，對專業領域的人才培養進行了探索與實踐，有力地推動了新工科的發展。

[關鍵詞] 實驗教學;新工科;仿真實驗室;教學模式;評價模式

[中圖分類號] TK 427? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0379-04? ? [收稿日期] 2020-03-12

我國經濟的迅猛發展帶動了社會、政治、文化各個領域的快速發展，對教育改革創新提出了新的目標，掀起了新工科教學改革的熱潮[1-3]。新工科對大學生的綜合能力素質提出了更高的要求，尤其在實驗教育教學中，更是體現了對學生創新能力、動手能力、協作能力的要求。

葉輪機械作為一門傳統的工科課程，要求學生綜合運用工程熱力學、流體力學、機械設計等專業基礎理論，對葉輪機械中的能量轉換、氣動特性、工作特性進行深入分析[4]，在掌握葉輪機械專業理論的同時，學會運用基礎理論來分析和解決工程技術問題的基本方法，為今后熟練掌握操縱管理和維護設備機組基本技能，并為提高對設備故障的分析能力打下堅實的專業基礎[5，6]。為加強葉輪機械與工程實際的關聯性，通常通過設置相應的綜合性實驗幫助學生理解和掌握葉輪機械的基本結構形式[7-9]、運行性能與調節控制，通過葉輪機械綜合實驗課程，使學生掌握流體機械性能測試、葉片設計與仿真實驗基本方法，提高動手操作能力、實驗分析能力。但是當前葉輪機械實驗還存在諸多問題。一是實驗條件方面，針對本科教學開展的可運行葉輪機械或者設備單一，或者偏離工程實際，只考慮某一方面而不能實現對葉輪機械綜合性能的全面考慮，不能滿足學生動手實踐需求，缺少在實踐中發現問題、思考問題和解決問題的機會，不能很好地鍛煉分工協作能力;二是教學模式方面，傳統的實驗模式是由教師講解，學生重復實驗操作，導致實驗創新思想的匱乏;三是實驗實施與評價方面，實施過程由老師統一安排，實驗結束后沒有形成有效的評價體系，忽略了對學生綜合能力素質的評價。

針對實驗教學存在的問題以及當前新工科對學生綜合能力素質的新要求，為培養學生扎實的理論基礎并突出綜合能力素質的養成，圍繞葉輪機械綜合實驗課程，從實驗條件、教學模式、評價模型三個方面對葉輪機械實驗教學重點進行了改革與實踐。

一、以綜合實驗教學為牽引，通過科研創新反哺實驗教學

在教學過程中，培養學生掌握基礎知識的同時，更應注重能力素質的培養。在實驗教學中，針對葉輪機械綜合性能實驗教學，建設了多級軸流式壓氣機、跨音速風洞等科研平臺，通過科研創新來反哺實驗教學，將科研優勢轉化為人才培養特色，在工程思維與理念訓練層面進行實驗創新教學與實踐，在實驗條件層面滿足學生動手實踐的需求，力求在實踐中發現問題、思考問題、解決問題。

（一）多級軸流式壓氣機氣動測試實驗

壓氣機作為典型的葉輪機械，為了解壓氣機氣動特性與能量轉換原理，需要開展壓氣機特性實驗。高速旋轉的壓氣機實驗臺可以較好地模擬壓氣機流場的氣動變化情況，因此通過精心設計與優化壓氣機的實驗方案，實驗室建設了壓氣機綜合性實驗平臺。實驗平臺主要由試驗臺架和測量系統兩部分組成，如圖1所示。

其基本工作原理是通過一臺調速直流電機帶動增速齒輪箱轉動，從而驅動壓氣機試驗段的轉子旋轉，氣流經過進氣罩沿軸向吸入通道，經過試驗段的壓氣機增壓后進入排氣段部分，再由排氣蝸殼排入大氣。實驗平臺進氣段中裝有流量測量參數傳感器，用于測量穩態的流量，尾部裝有流量調節節氣門裝置，用于調節壓氣機的流量值。進氣段、排氣段可以與壓氣機試驗段分離，便于快速更換試件和安裝測量裝置。各試驗段采用模塊化設計和聯接，便于開展壓氣機特性和低工況性能改進等綜合性試驗，建成后的實驗臺如圖2所示。

為滿足壓氣機性能試驗平臺使用要求，該壓氣機除基本結構外，還包括進氣畸變、進口導葉可調機構、機匣處理和級間放氣模塊。通過實驗使學生掌握葉輪機械的基本結構形式、運行性能與調節控制，掌握艦船流體機械性能測試、流動測試、設計與仿真實驗的基本方法，提高學生動手操作能力;另一方面，葉輪機械綜合實驗課程要成為本科生對專業儀器、實驗操作、專業軟件操作、數據分析等基本功訓練的綜合主戰場。同時，實驗課程將實驗教學上升到工程思維與理念訓練的高度，作為創新型人才培養的一種不可或缺手段。

（二）內流風洞跨音速實驗

跨音速風洞試驗平臺主要針對旋轉機械的氣動熱力性能展開。當前典型葉輪機械包括熱力旋轉機械，為深入理解熱力旋轉機械的做功機理，提高做功效率，利用跨音速風洞試驗平臺，結合氣動熱力學基礎理論，進行熱力旋轉機械的實驗教學。跨音速風洞試驗平臺主要包括氣源系統、跨音速風洞系統、氣動熱力學參數測量系統、風洞控制系統等，如圖3所示。

實驗系統涵蓋了跨音速燃氣輪機氣動熱力性能的各項試驗內容，可進行微觀內流場的測試和重構、外流場模化試驗，形成跨音速燃氣輪機氣動熱力學性能、氣動穩定性性能、“結構—流場—性能—控制”等多學科多物理場的試驗能力，為高氣動性能和長壽命燃氣輪機的設計優化、性能分析、壽命預測打下技術基礎，通過實驗對科研進行創新，以創新成果為指引，實現對教學的反哺，提升教學質量與層次。

二、優化實驗教學模式，充實實驗教學內容

當前的實驗教學主要立足于在規定的課堂時間內，由教師進行實驗原理講解，學生按照規定的實驗內容進行實驗操作，進而對實驗數據進行分析完成實驗報告。這種實驗教學模式的優點在于學生可以在成熟的理論指導下，通過實驗操作對理論形成更加牢固的認識，但是學生的創新思維與創新實踐并沒有得到很好的鍛煉。

（一）構建開放式實驗課堂

為適應當前對工科人才的新要求，實驗室在實驗教學方面建設開放式實驗室，充分利用教學資源來培養學生的實踐能力和創新意識。教師把葉輪機械當前研究熱點、最新科研成果引入實驗課堂，帶領學生去體驗科研創新，實現研究型實驗與教學型實驗的互動交流。在科研成果促進實驗教學的同時，綜合采用啟發式、討論式、開放式等教學方法，使實驗教學活動真正建立在學生主動探索的基礎上，通過查閱資料、分工思考、自主探究等方式獲得實驗的最佳方案

（二）創建仿真實驗室

葉輪機械知識點概念抽象，流場結構復雜，看不見摸不著;因此在教學過程，針對這些問題，在壓氣機綜合實驗平臺的基礎上構建仿真實驗室，開展虛擬教學實驗與真實實驗相輔助的教學模式。一方面將壓氣機防喘措施，如中間級放氣、可轉導葉、機匣處理等，通過真實實驗的形式獲取防喘效果;另一方面，在教師的指導下，建立壓氣機實驗平臺的有限元數值計算模型，結合數值仿真計算的方法，分析三種防喘措施的作用細節，增加實驗形式的多樣性。壓氣機實驗平臺數值仿真結合實驗教學的模式如圖4所示。

學生分組后，一方面充分利用壓氣機性能試驗平臺，分別進行壓氣機可轉導葉、級間放氣、機匣處理的低工況性能試驗，通過監測通流部分流量、壓力、溫度的變化，以實驗數據為依據，得到不同防喘措施對壓氣機工作特性的影響特點，通過對實驗數據的計算分析，量化三種防喘措施對喘振裕度的具體影響程度;另一方面引導學生自行設計并仿真驗證，對不同的防喘措施進行虛擬氣動測試。通過計算機模擬計算得到壓氣機內部流場流動細節，制作壓氣機的二次流動動畫，將抽象的概念原理與葉輪機械內復雜的流動過程形象地表達出來，在鍛煉學生計算分析能力的同時，使學生對概念原理和實驗流程的理解更清晰透徹。通過這種虛實結合的方式，降低在真實實驗中的操作帶來的風險，促進了知識的轉化與拓展，同時也彌補了實驗設備容量與學生人數不匹配的問題。

（三）促進網絡先導學習

葉輪機械研究領域發展十分迅速，為及時更新本領域科技成果以及交叉學科的最新成果，利用互聯網深度開放實驗室，吸收葉輪機械領域最新的理論，開設精品資源網站。一方面針對現有課程要么只是講述理論，要么只是單純的CFD軟件培訓，將基本理論、先進技術及數值實踐結合起來，形成一體化的課程，讓學生在本課程完成后，不僅具備較為完備的理論知識，也同時能夠具有創新素養和動手實踐能力;另一方面，除了講述基本理論之外，還設置研討、答疑和在線互動等教學方法。同時，針對學生對知識點的把握、問題的統計分析，在基本課程體系建設之外，及時補充相關信息資源，并做好教學資料的更新和補充，特別是針對專業基礎教學的先進性即創新需求，及時將最新研究成果補充到網絡課程中，學生可以通過電腦或手機快速接收信息、預約實驗，簡化流程，節約時間。基于網絡先導的實驗模式案例如圖5所示。

壓氣機實驗平臺的機匣處理模塊目的是延遲葉片的失速，擴大壓氣機的喘振裕度。閉環實驗模式的主要形式是利用互聯網信息優勢，教師與學生形成線上互動，在實驗相關的各方面形成信息的及時交流，對實驗安排、實驗流程、操作規范、實驗設計形成規范后，首先通過實驗測試獲取機匣處理的防喘效果，針對機匣內壁的環形空腔進行數值仿真并分析作用機理，然后通過軟件計算改善內壁設計，利用增材制造等手段，實現內壁新型設計形成實物，更換新的內壁機匣（如圖6所示），最后通過實驗驗證新設計的機匣處理防喘效果，形成實驗教學的閉環，在設計能力、分析能力、動手實操能力等方面充分鍛煉學生的綜合能力。

三、更新實驗教學評價模型，精準評價“教”與“學”

原先的實驗課程評價主要由學生撰寫的實驗報告質量決定，這種評價方式無法全面評價學生對實驗的掌握程度，對于葉輪機械這種專業基礎類課程，對照相應教學質量國家標準，應著重考核學生研究探索能力、應用能力和實際操作能力，因此，建立新的精準化實驗評價模型，在實驗思路、實驗內容、團隊合作等方面進行綜合評價。一是實驗思路，占比30%，包括實驗主題是否明確，邏輯是否清晰以及是否貼近實際應用等三個方面，對應的是學生思考與判斷能力的評價;二是實驗內容，占比40%，包括是否突出實驗研究重點，是否體現實際操作是否具有創新性、實驗數據是否準確等四個方面，對應的是學生動手實操能力以及創新能力的評價;三是團隊合作，占比30%，包括分工是否合理，討論是否充分，任務完成標準等三個方面，對應的是學生組織實施與協調能力的評價。

通過建立精準化評價模型，突出強化學生的主體地位，充分調動學習積極性和主動性，強調對實驗過程的評價，并通過這種方式，引導老師不斷更新實驗教學理念，改革教學內容和方式，強化對學生學習的深度指導，加強師生交流，激發學生學習熱情，使老師真正成為學生學習的引導者。

四、結語

新工科人才培養提出了“創意—創新—創業”人才教育培養目標體系，為加強創新和綜合型實驗建設以適應新工科建設內涵，針對葉輪機械課程的實驗教學特點，通過建設綜合實驗教學平臺、構建仿真實驗室，利用互聯網實現網絡化實驗教學平臺和仿真實驗室互為補充的教學模式，建立了精準化評價模型，對專業領域的人才培養進行了探索與實踐，推動了新工科的發展。

參考文獻

[1]夏春琴，劉芫健.新工科背景下創新人才培養模式的探索與研究[J].實驗技術與管理，2019，17（5）：64-67.

[2]蔡軍，郭鵬.新工科背景下以創新人才為培養導向的實驗教學改革及實踐[J].高教學刊，2019（11）：52-58.

[3]李宗平，陳帝伊，張寧.新工科視角下的高校教學實驗室建設探索與研究[J].高等農業教育，2019，3（3）：33-36.

[4]蔡燕飛，張旦旦，鞏凱.影響工科本科實驗教學質量微觀因素試析[J].教育教學論壇，2020，2（7）：75-76.

[5]朱方，黃勇，戴竹青.高校創新性實驗教學改革實踐與探索[J].教育教學論壇，2020，2（7）：124-125.

[6]李剛，秦昆，萬幼川.面向新工科的遙感實驗教學改革[J].高等工程教育研究，2019（3）：40-45.

[7]王文東，袁小慶，史儀凱.新工科人才培養中基礎實驗教學改革的探索[J].大學教育，2019（7）：30-36.

[8]趙廣，孫濤，楊鳳珍.葉輪機械氣動振動性能耦合實驗臺研制[J].實驗技術與管理，2011，28（5）：68-72.

[9]周永明，樓程富.注重學科交叉 培養復合創新人才[J].中國大學教學，2010（8）：16-17.