基于開放實驗教學的制冷專業創新實踐能力培養探討

劉曄，錢蘇昕，張興群

（西安交通大學 能源與動力工程學院, 陜西西安 710049）

隨著我國國民經濟的持續發展，我國正處于從制造大國向制造強國轉變的過程中，加快建設支撐制造業高質量發展的創新型人才隊伍已成為我國高等教育改革的重要目標之一[1]。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》也明確提出：提高高等教育質量，創新辦學模式，深化產教融合，更加注重學生創新精神的培養[2]。由此可見，圍繞人才培養質量目標，要以全面提升學生綜合素質和創新實踐能力為核心，著力優化創新型人才的培養模式，不斷加強實踐性教學環節的特色作用，有效促進本科學生創新素質培養，提高本科教學質量[3]。

實踐教學是培養學生創新能力和實踐能力的重要環節，在培養學生實踐技能、創新意識和綜合素質方面具有其他教學方式無法替代的作用，因此，實踐教學和理論教學具有同等重要性[4]。為了適應當前社會對具備創新實踐能力人才的需要，充分利用現有教學/科研實驗平臺的資源，促進實驗教學課程改革，不斷提高實驗教學水平，根據教育部《高等學校實驗室工作規程》《關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量的若干意見》等文件的規定，西安交通大學優化了本科生開放實驗實踐教學環節，以面向全體、因材施教、形式豐富為基本原則，以重點培養本科學生的實踐能力和創新意識為教學目的。

1 本科生開放實驗教學模式

開放實驗教學環節采取以學生為主體，教師確定選題進行引導啟發的實踐教學模式，教師和學生雙選后在開放的實驗活動平臺開展教學活動。這種實踐教學方式有利于深化對學生創新意識的培養，可有效提高本科綜合教學質量與創新人才培養效果[1]。為了培養學生的創新意識和科研能力，讓學生體驗從自行選題到論證立題，再到實踐設想，最終完成研究報告的全過程工作，有助于學生綜合素質及創新能力的大幅提高。

開放實驗教學的選題需要具備綜合性、設計性和針對性。應加強學科知識點的交叉融合，強化基礎，拓寬知識覆蓋面，注重對學生知識探索方法、科學思維邏輯、實踐動手能力和創新思維能力的培養。開放實驗教學的內容與常規課程教學大綱所規定的教學實驗以及專設實驗課程的實驗內容交叉設置，互相不重復，但與課程教學內容相關的拓展性實驗可以列入開放實驗教學范圍。本科生開放實驗教學的選題和內容按照難易程度可大致分為教學實驗項目和科研實驗項目兩種類型。

2 課程類開放實驗教學案例分析

以制冷與低溫技術原理課程教學為例，選擇制冷專業方向的代表性教學實驗“制冷壓縮機性能測試實驗”，開展開放實驗教學設計和實驗教學方法改革分析。“制冷壓縮機性能測試實驗”的目的是讓制冷專業方向的本科生了解冷凍冷藏領域的小冷量單級蒸氣壓縮制冷系統的工作原理、實際制冷系統構成和操作調節方法，掌握制冷系統和制冷壓縮機主要性能參數的測試方法和測試原理，能夠診斷和解決制冷系統常見故障并分析其成因。教師在實驗過程中引導學生全員參與，在保證安全的前提下讓學生自主討論并提出個性化實驗設計方案，指導學生結合理論知識調節控制實驗臺開展個性化實驗方案驗證，總結制冷系統性能變化規律和工況調節參數的耦合關系，通過實際操作、測量與計算等實驗環節，使學生鞏固和加深對相關課程核心內容的理解，拓寬學生的專業知識面，訓練學生的動手能力，培養學生解決工程實際問題的思路與方法。本實驗課程將傳統能源動力類專業學生必須要掌握的熱能與動力工程測控技術、現代化傳感器測量與控制技術、計算機輔助應用技術等有機結合，形成了系統完整的實驗體系，具有與工程實際結合密切、能反映新的測控技術發展與變化以及在工程中廣泛應用等特點。通過該實驗，一方面，完成了教學實驗環節的任務，另一方面，對本科生來說也是專業科研實驗的初次嘗試，為學生順利完成畢業設計和在研究生階段開展科研實驗提供了先期實踐訓練契機，為學生自主開展專業性科研實驗奠定了良好基礎。最終讓學生全方位掌握制冷系統運行、調節控制、故障診斷方法等實踐成果，完成制冷低溫專業學生在制冷系統應用實踐方面的教學目標。

“制冷壓縮機性能測試實驗”主要依托實驗室設計定制的“冰箱壓縮機量熱計”設備開展，設備核心部件如圖1 所示。該教學實驗設備在設計搭建之初，考慮到教學需求，在原型機的基礎上，專門配置改裝了自動運行和手動運行兩種操作控制模式。自動模式主要是按規定選擇其試驗類型后，由測試軟件來對測試系統各個環節進行自動開啟和自動停止，自動模式運行流程嚴格按照國標規定和行業標準流程來進行，也是目前壓縮機生產廠家輸出壓縮機性能參數的主要方法。手動模式主要是按照實驗設計方案對測試設備進行手動逐個操控方式進行。無論是自動運行模式還是手動運行模式，其關鍵操作流程和規范是一致的。

圖1 制冷壓縮機性能測試實驗臺部件及系統流程圖

學生在手動模式操作過程中，一方面，可以熟悉制冷壓縮機性能測試的原理和流程，了解各實驗環節先后順序對實驗結果的影響；另一方面，可以掌握制冷或熱工系統關鍵參數（溫度、壓力、流量）等的數據讀取和采集方法。在制冷系統從開啟到穩定運行狀態的過程中，通過監測不同管路節點上的溫度、壓力、流量傳感器實時數據，可對制冷系統在啟動降溫整個過程中的工況狀態參數有初步的認識，這為后續指導學生開展制冷系統故障診斷和分析奠定了基礎。實驗設備系統圖和軟件數據監測界面如圖2所示。

圖2 制冷壓縮機性能測試實驗臺軟件數據監測頁面

在制冷壓縮機性能測試實驗進行過程中，系統運行的大部分時間都是處于國標工況調節、自判穩階段。在這個過程中，教師可為學生講解制冷系統調節控制、故障診斷相關知識內容，引導學生通過一些細微的數據變化或現象改變來判斷制冷系統運行中可能存在的故障，結合理論課堂所學制冷理論循環和實際循環的知識點，深入分析系統故障出現的原因，提出排除制冷系統運行故障所要采取的方法與措施，并以此推廣至日常生活中的冰箱、冷柜、空調等常見制冷器具故障診斷分析，進一步使學生加深對制冷系統相關技術的掌握程度。

在教學環節，受到教學課時數的限制，不要求學生完成所有國標規定工況[5-6]下的完整測試內容，指導教師可選擇具有代表性的工況測試點加入實驗方案中。教師指導學生全流程手動操作完成實驗方案設計內容，匯總實驗數據，同時，開啟設備自動運行模式，讓實驗設備在測試軟件控制下逐項開啟自動測試，將學生手動測試實驗數據與設備自動測試實驗數據相比對，主動查找數據差異出現的原因，以自動實驗數據為標準，反推學生手動實驗過程中存在的問題，并提出相應的改進措施。經過一系列完整的實驗操作流程，學生最終需要呈現的成果有：（1）該制冷壓縮機的性能變化曲線和性能參數表；（2）該制冷壓縮機所屬制冷系統的實際運行壓焓圖；（3）實驗數據不確定度分析報告；（4）完整實驗報告。

在完成“制冷壓縮機性能測試實驗”教學的同時，通過實際操作讓學生深入了解了制冷系統的工作原理和運行工況參數的變化規律，可有效地將理論課堂上所學的知識點應用在實驗實踐教學過程中，利用壓力傳感器、溫度傳感器顯示數值或親自觸摸來感知制冷系統壓焓圖上每個工作過程的實際表現。指導學生通過一些簡單細微的數據變化判斷制冷系統運行中可能存在的故障，結合理論課堂所學知識分析故障出現的原因，提出排除故障所需的方法與措施，并推廣至日常生活中的家用制冷器具故障診斷分析，使學生加強對制冷系統相關技術的掌握。

3 科研類開放實驗教學案例分析

近年來，西安交通大學制冷與低溫工程系充分利用現有實驗臺的優質資源，在本科生課程教學大綱所規定的課程實驗之外，每學期會額外設立10 余項超出教學范圍的實驗教學項目，積極組織學生申報并開展創新研究。“焓差法空調器性能測試實驗”和“基于半導體制冷技術的空氣取水系統設計”也是本單位設立的選課人數較多的開放性實驗之一。

“焓差法空調器性能測試實驗”是在環境實驗室內，用人工方法模擬空調器工作環境或工況并測試空調器實際性能。該實驗極大地縮短了產品研發周期，同時節省了研發費用，目前已獲得了廣泛應用[7-9]。“焓差法空調器性能測試實驗”主要依托“空調器焓差法實驗裝置（3HP）”實驗平臺完成。該空調器測試實驗平臺主要包括兩個獨立控制的測試室，分別為室內機側和室外機側，另外還配備有空氣循環再處理系統、室內側風量測試裝置、計算機數據采集及測控系統等。在實驗過程中，學生可以參與空調設備拆裝、溫濕度參數采集點布置、風壓校準、計算機測控系統操作等環節，這對學生以后就業、深造、參與科研項目奠定了良好的基礎。針對“焓差法空調器性能測試實驗”，為每一組學生制定了具體實驗目標：完成一套給定房間空調器制冷、制熱模式下的性能測試實驗，對比房間空調器的實際功率與額定功率，得出房間空調器的最大制冷、制熱量，繪制設備性能參數變化圖表，完成低溫、超低溫制熱實驗，并撰寫一份詳細的實驗報告。在此過程中，學生通過查閱大量資料能夠強化對制冷低溫課程理論知識的掌握，并獲得專業相關設備和測量儀器的使用操作技能，對于學生以后獨立開展科研工作有很大幫助。

“焓差法空調器性能測試實驗”兼具教學和科研的雙重屬性，學生在參與實驗的過程中獲得了較為全面系統的制冷與空調專業相關的動手操作和實踐應用訓練，培養了學生的工程意識和創新意識，引導學生初步建立解決科學問題的思維方式，從而提高了學生的綜合素質與能力。通過參與該實驗得到初步科研訓練的學生，能夠更快速、更準確地進入后期的項目設計、畢業設計等科研環節，相關科研成果的產出速度也有了明顯提升。這一實踐教學環節對提高能源動力類尤其是制冷與低溫學科本科人才的綜合實踐創新能力有較大幫助。

基于半導體制冷技術的空氣取水系統設計是基于半導體制冷原理（帕爾帖效應）基礎知識而開展的開放實驗教學[10-13]。半導體制冷技術在現有能源動力類冷模塊本科生專業課程中一般會有提及，但是受限于現有理論課時，這部分教學內容大部分情況下都只是進行簡單的基礎原理講解，學生對此知識點應用層面的認知會比較模糊。因此，專門開設此開放實驗課程，讓學生了解并掌握半導體制冷技術原理、空氣調節技術原理和簡單換熱器設計原理，設計與半導體制冷模塊相對應的、能夠滿足不同工況要求的冷熱端換熱器。通過理論設計計算驗證半導體空氣取水模型的可行性，選配組裝完整的半導體制冷空氣取水實驗臺，通過調節半導體制冷模塊的控制參數，實現在不同溫濕度工況下的空氣中取水的目標。在此過程中，可以讓學生掌握半導體制冷技術的控制方法，總結空氣凝露結霜的規律和特性。學生在實驗之初需要掌握建立半導體制冷系統的三種不同工作模式的理論計算模型和性能評價方法，分析對比選取本實驗適用的半導體制冷系統設計方法；根據理論計算結果，設計加工相應技術指標的半導體制冷片；設計確定空氣取水實驗臺的適用工況范圍和運行參數范圍，主要包括空氣處理量、空氣進出口溫濕度、輸入電參數等；根據這些參數范圍，確定半導體制冷片的實際使用數量和冷熱端散熱量等；進而設計、選配合適尺寸和型號的冷熱端散熱器；最后選配直流供電電源，連接數據采集系統，組裝好實驗臺，從而開展實驗研究。

“半導體制冷技術的空氣取水實驗”是以指導學生參加學科競賽為契機開展的科研型實驗項目，通過該實驗，可以讓學生同時掌握半導體固態制冷技術、空氣調節除濕技術和換熱器設計技術等綜合技能，對于拓展學生制冷技術相關專業知識，進一步拓展科研思路有積極作用。除此之外，通過該實驗內容，也可以繼續拓展研發出適用于淡水缺乏地區的小型空氣取水裝置，具備一定的商業推廣前景，有助于提前培養學生的創新創業思維，產學研應用價值較高。

2019 年，基于此開放性實驗，由本專業大三學生牽頭提出了“半導體熱泵式嬰幼兒衣物烘干箱”科研訓練項目，參與了“第十二屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽”，最終獲得二等獎。與此同時，該項目也獲得了“2019 年西安交通大學國家級大學生創新訓練項目”資助。半導體熱泵式嬰幼兒衣物烘干箱三維示意圖如圖3 所示。

圖3 半導體熱泵式嬰幼兒衣物烘干箱三維示意圖

4 結語

開放性實驗是一項持續性實踐教學過程，是培養實踐人才、科研人才不可缺少的重要環節。教師要依托開放性實驗引導本科學生多了解不同學術觀點并開展討論、追蹤本專業知識領域的最新研究進展和熱點，逐步鍛煉學生自主學習和獨立研究的能力[14-15]。緊密結合基于成果導向教育理念所開設的制冷低溫專業教學實踐實驗，完成制冷低溫專業學生在制冷循環系統理論知識學習和成果應用實踐方面的教學目標，形成以學生掌握知識為中心、以教學質量改進為原則、以課程學習成果目標為導向的課程實踐教學新模式，不僅為制冷低溫專業本科生專業技能的培養提供新思路，也可為整個能源動力類本科生實踐教學提供借鑒和參考。