借助大學(xué)生創(chuàng)新平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生卓越能力的研究與實(shí)踐

范俊杰　楊健　薛明俊　秦暢

【摘要】

窯爐設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程結(jié)合緊密，課堂上難以深入講解窯爐工程設(shè)計(jì)過(guò)程。本文介紹了借助大學(xué)生創(chuàng)新平臺(tái)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)繪制了窯爐立體結(jié)構(gòu)和流體動(dòng)畫(huà)，制作了窯爐實(shí)物模型并進(jìn)行了新型流體模擬液試驗(yàn)。學(xué)生們?cè)诖藢?shí)踐過(guò)程中，培養(yǎng)了工程觀念、提升了實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】窯爐設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)制圖模型制作流體模擬創(chuàng)新平臺(tái)卓越能力

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》和《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展綱要（2010-2020）》的重點(diǎn)改革項(xiàng)目，是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家、促進(jìn)工程教育的重大舉措。目的在于培養(yǎng)造就一大批具有理論緊密結(jié)合實(shí)際、創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類(lèi)型工程技術(shù)人才。本科生的工程能力培養(yǎng)是工科類(lèi)大學(xué)高等教育的重要教改內(nèi)容，也是難點(diǎn)之一。窯爐設(shè)計(jì)是無(wú)機(jī)非金屬材料與工程專(zhuān)業(yè)本科生核心工程能力之一，與畢業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，有助于培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立工程觀點(diǎn)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。“大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目是我校培養(yǎng)本科生卓越能力的重要實(shí)踐平臺(tái)。做該類(lèi)項(xiàng)目的學(xué)生可以來(lái)自不同專(zhuān)業(yè)，如材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)同計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生等，他們可以發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，組成一個(gè)高效的研究團(tuán)隊(duì)。另外還有一年半的研究時(shí)間、經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備以改進(jìn)和完成工程項(xiàng)目的全過(guò)程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)師生間、團(tuán)隊(duì)組員間也有了更多的討論交流時(shí)間。圍繞提升學(xué)生卓越能力，借助大學(xué)生創(chuàng)新平臺(tái)，我們開(kāi)展了窯爐設(shè)計(jì)、模型制作與流體模擬的全工程過(guò)程探索性實(shí)驗(yàn)。

1.窯爐模型的三維設(shè)計(jì)與動(dòng)畫(huà)制作

由于高溫窯爐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，僅靠課堂PPT講解和公式計(jì)算，加之學(xué)生缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，即使有限時(shí)間內(nèi)去企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)參觀，實(shí)際的高溫生產(chǎn)線導(dǎo)致學(xué)生僅能從窯爐外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，不能深入理解窯爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)和窯內(nèi)流體流動(dòng)的全過(guò)程，難以提高教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性也就激發(fā)不起來(lái)，更難培養(yǎng)創(chuàng)造性和工程能力。

指導(dǎo)教師首先向?qū)W生介紹相關(guān)項(xiàng)目的國(guó)內(nèi)外研究背景、目前本行業(yè)的需求和設(shè)計(jì)的主要專(zhuān)業(yè)知識(shí)等，啟發(fā)學(xué)生從環(huán)保和產(chǎn)品質(zhì)量等方面考慮課題內(nèi)容的出發(fā)點(diǎn)。學(xué)生們利用已學(xué)的文獻(xiàn)檢索知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，查閱了多篇國(guó)內(nèi)外專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)并去企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，了解到許多高性能光學(xué)玻璃和水晶玻璃會(huì)用到鉛玻璃和硼硅酸鹽玻璃。由于這類(lèi)玻璃所用原料有高揮發(fā)的缺點(diǎn)，現(xiàn)有的傳統(tǒng)火焰窯爐用于生產(chǎn)這種玻璃會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的空氣污染，產(chǎn)品質(zhì)量也不穩(wěn)定。全電熔窯是解決這種污染主要窯型的窯爐，但無(wú)論在理論研究和生產(chǎn)實(shí)際使用上同國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)目前還有不小的差距。以此為課題進(jìn)行研究，學(xué)生們先以玻璃生產(chǎn)實(shí)際窯爐為參考，找出體積熔化率、電極材料和布置方式、電源功率等關(guān)鍵參數(shù)，簡(jiǎn)化后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算?？紤]到窯爐結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，利用計(jì)算結(jié)果先運(yùn)用AutoCAD和3dxsMAX等軟件，繪成二維平面圖。然后根據(jù)平面圖再繪制了其結(jié)構(gòu)的三維彩色立體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。最后以實(shí)際生產(chǎn)流體流動(dòng)的過(guò)程為依據(jù)，設(shè)計(jì)了流體流動(dòng)的動(dòng)畫(huà)，如圖2所示（黑點(diǎn)表示粉料固體，白點(diǎn)表示粉料分解出的氣體上升成氣泡，白色細(xì)短線表示粉料熔融為液體）。學(xué)生們?cè)谠O(shè)計(jì)和制作窯爐三維立體結(jié)構(gòu)圖過(guò)程中，對(duì)工程課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和興趣明顯提高，對(duì)窯爐整體結(jié)構(gòu)有了很深的印象，在工程設(shè)計(jì)中必須的運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和制圖能力也有了很大提升，有效地培養(yǎng)了學(xué)生工程學(xué)習(xí)的綜合能力，拓展和活躍了工程過(guò)程思維。

圖1窯爐彩色立體結(jié)構(gòu)圖

圖2窯爐內(nèi)粉體到熔融體流動(dòng)過(guò)程圖

2.物理模型制作

物理模型模擬研究是高溫窯爐研究的重要方法之一。 在窯爐立體結(jié)構(gòu)和動(dòng)畫(huà)顯示的基礎(chǔ)上選出重點(diǎn)結(jié)構(gòu)，學(xué)生們?cè)賹?duì)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行物理實(shí)物模型制作，其過(guò)程中并不能全部照搬 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)果，如模型材料需考慮力學(xué)強(qiáng)度和熱學(xué)性能等；設(shè)計(jì)尺寸與加工尺寸的公差及實(shí)際加工精度、難度；配套的控制設(shè)備功率以及測(cè)量?jī)x器精量與量程的選擇等。在制作過(guò)程中學(xué)生們主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，動(dòng)手動(dòng)腦解決問(wèn)題。如模型出現(xiàn)了液體滲漏的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)師生多次研討，對(duì)窯爐結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和密封材料進(jìn)行反復(fù)改進(jìn)，最后完成了仿真物理實(shí)物模型的制作，如圖3所示。

圖3具有固液轉(zhuǎn)變模擬液的全電熔窯模擬物理模型

在此過(guò)程中學(xué)生們對(duì)窯爐的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)間連接關(guān)系有了深刻的印象和理解，也體會(huì)到結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)決定工程過(guò)程成敗的含義。每一個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)來(lái)不得半點(diǎn)馬虎，都要學(xué)生全身心投入，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在不足與完善的多次改進(jìn)過(guò)程取得的。對(duì)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、歸納分析能力、理論聯(lián)系實(shí)際的工程能力都起著不可替代的作用。看到自己完成的實(shí)驗(yàn)成果，學(xué)生的成功快樂(lè)感油然而生，也提高了學(xué)生對(duì)工程研究的實(shí)踐能力。

3.流體動(dòng)態(tài)模擬

在靜態(tài)的物理模型構(gòu)成后，需模擬實(shí)際高溫流體在窯爐中的液流過(guò)程，其中合適模擬液的選擇是重要的前提。傳統(tǒng)的窯爐流體全過(guò)程模擬液只用甘油與淀粉糖漿混合物這一種液態(tài)，與實(shí)際玻璃熔制過(guò)程不同：即從固態(tài)粉體熔融為液態(tài)，再由液態(tài)凝固成型為固態(tài)。指導(dǎo)教師啟發(fā)學(xué)生去尋找熔點(diǎn)在40℃～80℃的不揮發(fā)的有機(jī)物，且在室溫固態(tài)的無(wú)毒混合物。學(xué)生們分工協(xié)作，查找了十余種相關(guān)有機(jī)物的理化性能，經(jīng)過(guò)多次熔融和凝固實(shí)驗(yàn)，比較了它們?nèi)埸c(diǎn)、凝固點(diǎn)和凝固速度快慢，終于從中挑選出較理想混合物。然后采用正交設(shè)計(jì)法，研究混合物各物質(zhì)含量因子對(duì)其熔融溫度、電導(dǎo)率和粘度這些指標(biāo)的影響以尋找最佳配方。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)測(cè)試，得到了符合相似條件、具有液固轉(zhuǎn)換的新型物理仿真用模擬液。另外為了加快這種新型模擬液的凝固速度，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間提高效率，學(xué)生們還自創(chuàng)了成型用冰塊冷凍快速降溫新方法。在尋找合適模擬液的過(guò)程中，不少想法超出原有課堂講授的專(zhuān)業(yè)知識(shí)范圍，學(xué)生們的創(chuàng)造力被大大激發(fā)起來(lái)，也增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。同時(shí)他們可以直觀地看到窯爐物理模型內(nèi)液體的流動(dòng)全過(guò)程，從而更易理解高溫熔體的流動(dòng)規(guī)律。

借助大學(xué)生創(chuàng)新平臺(tái)，學(xué)生們通過(guò)對(duì)窯爐工程實(shí)驗(yàn)全過(guò)程的研究，對(duì)抽象復(fù)雜的窯爐結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的理解有了顯著地加深，有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作攻關(guān)的精神，培養(yǎng)了實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和工程能力。將學(xué)生們的研究成果反哺教學(xué)，活躍了課堂學(xué)習(xí)氣氛，教學(xué)效果受到學(xué)生的好評(píng)。學(xué)生在實(shí)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)也能更快理解企業(yè)指導(dǎo)人員講解的內(nèi)容和熟悉生產(chǎn)流程，為畢業(yè)設(shè)計(jì)和在相關(guān)企業(yè)從事生產(chǎn)和設(shè)計(jì)研究工作打下了良好基礎(chǔ)。

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