熱能與動(dòng)力工程課程融合的開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)探索

徐立

摘 要 在卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃目標(biāo)的指引下，根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，積極探索著眼于課程融合的開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)方案，從而改變傳統(tǒng)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一的現(xiàn)狀，以期改進(jìn)學(xué)生解決問題的方法，提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 卓越工程師；課程融合；開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(duì)國(guó)內(nèi)一些高校的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)普遍存在建設(shè)投資較大，但利用效率相對(duì)較低、應(yīng)用范圍相對(duì)較窄的問題[1]。專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)初衷是為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐技能，理應(yīng)讓專業(yè)實(shí)驗(yàn)室充分向本科生開放，然而目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)室側(cè)重服務(wù)于科研項(xiàng)目，參與人員基本上是研究生，專有的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)陳舊，一般僅僅按課程教學(xué)計(jì)劃開展指定的實(shí)驗(yàn)，因而大多數(shù)本科生除了教材知識(shí)之外，對(duì)科研工作并沒有足夠的認(rèn)識(shí)，缺乏新時(shí)代所需要的各種實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力?，F(xiàn)今大學(xué)生參與科學(xué)研究的積極性很高，眾多本科生都在申請(qǐng)自主創(chuàng)新基金項(xiàng)目、節(jié)能減排大賽等科技競(jìng)賽活動(dòng)，因此，為提升創(chuàng)新實(shí)踐能力，使本科生在將來的科研工作和生產(chǎn)工作中奠定良好基礎(chǔ)，是本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。

目前主流的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路是打破傳統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室相互獨(dú)立的局限和過去只在課程內(nèi)開設(shè)有限學(xué)時(shí)數(shù)實(shí)驗(yàn)的機(jī)制，在充分保證基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，以開設(shè)大型綜合性實(shí)驗(yàn)和開放自主創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)為建設(shè)目標(biāo)，通過相關(guān)聯(lián)專業(yè)課程融合、跨實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠融入多學(xué)科理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)資源，既能有機(jī)結(jié)合各門課程的核心理論體現(xiàn)其關(guān)聯(lián)性，又能讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)更深刻理解專業(yè)知識(shí)并運(yùn)用知識(shí)。合理引導(dǎo)本科生參與科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作[2]，充分理解科學(xué)研究的內(nèi)涵，為大學(xué)生今后走入社會(huì)或融入科研工作起到促進(jìn)作用，將有利于培養(yǎng)學(xué)生在多學(xué)科交叉并且快速發(fā)展的科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)問題和尋找解決問題突破口的初步科研能力。

本文結(jié)合武漢理工大學(xué)熱能工程系實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀以及科研項(xiàng)目特色，進(jìn)行課程融合的開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)探索研究。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

熱能工程系經(jīng)過“十一五”和“十二五”前幾年的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，取得一定成績(jī)，但也還存在諸如設(shè)備嚴(yán)重老化、一些新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)甚至傳統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)難以開展的問題。

1）動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)平臺(tái)方面：目前在船舶動(dòng)力裝置教學(xué)方面偏重于理論，與造船企業(yè)的實(shí)際需求有一定偏差。就現(xiàn)狀而言，實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置的軟件中已經(jīng)包含船舶工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容，但由于計(jì)算機(jī)數(shù)量的限制并且實(shí)驗(yàn)?zāi)康膯我?，無法實(shí)現(xiàn)在有限學(xué)時(shí)數(shù)內(nèi)讓本科生得到充分的實(shí)踐機(jī)會(huì)。

2）動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)室方面：船舶動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)室設(shè)備老化較為嚴(yán)重，無法開展動(dòng)力裝置原理與設(shè)計(jì)、船舶動(dòng)力裝置課程教學(xué)大綱中要求完成的部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；同時(shí)由于相關(guān)基本物理量的測(cè)試儀器在動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)室和熱工實(shí)驗(yàn)室中大量重復(fù)配置，資源存在一定閑置。

3）熱工實(shí)驗(yàn)儀器方面：主要服務(wù)于工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)課程，利用率相對(duì)較高，但也存在設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足、設(shè)備老化的問題；制冷實(shí)驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)在主要用于每年少量的開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用率非常低，未能充分應(yīng)用于本科生創(chuàng)新性科技競(jìng)賽中。

不僅如此，本科生在完成各實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之后，對(duì)學(xué)科體系的認(rèn)識(shí)依然不足，不知道專業(yè)基礎(chǔ)課程工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)的理論如何應(yīng)用到核心專業(yè)課程動(dòng)力裝置原理與設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，因而亟待建立一套服務(wù)于相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3 課程融合的開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)目的

基于如上分析，搭建一套課程融合的開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)顯得尤為迫切和重要，建設(shè)目的包括：

1）通過利用實(shí)踐環(huán)節(jié)反向補(bǔ)充理論教學(xué)，拓展傳統(tǒng)熱力循環(huán)理論框架，闡明熱能與動(dòng)力知識(shí)體系在工程應(yīng)用中的基本規(guī)律和合理性；

2）按照通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)本科生的工程測(cè)試能力，能源與動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化能力以及不斷探索和創(chuàng)新的意識(shí)；

3）為本科生船舶動(dòng)力裝置原理、工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)試技術(shù)、機(jī)械振動(dòng)分析與應(yīng)用、輪機(jī)工程測(cè)試技術(shù)及船舶管理等課程提供完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。endprint

4 課程融合的開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)意義

早在2010年6月23日，教育部聯(lián)合有關(guān)部門和行業(yè)協(xié)會(huì)共同在有關(guān)高校中組織實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”[3-4]。武漢理工大學(xué)作為第一批“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”高校之一，清晰的定位也對(duì)本校教育培養(yǎng)工作提出更明確的要求?！白吭接?jì)劃”具有三個(gè)特點(diǎn)：一是行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程；二是學(xué)校按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)工程人才；三是強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。

本文提出的綜合節(jié)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正是在“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的要求下，結(jié)合國(guó)際形勢(shì)和行業(yè)背景，培養(yǎng)卓越工程人才，切實(shí)有效地應(yīng)對(duì)航運(yùn)業(yè)面臨的主流問題。

5 編制的依據(jù)

在環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究廣泛開展的態(tài)勢(shì)下，嚴(yán)格控制溫室氣體排放、保護(hù)大氣環(huán)境問題已經(jīng)受到航運(yùn)界的普遍關(guān)注。CO2是最重要的人為溫室氣體。由于目前大多數(shù)船舶仍然依賴燃油燃燒獲取的推進(jìn)力來驅(qū)動(dòng)船舶前進(jìn)，而該結(jié)果必然產(chǎn)生大量CO2排入大氣。為此，國(guó)際海事組織的部分成員國(guó)（包括歐盟國(guó)家、澳大利亞、新西蘭和日本等）全力主張?jiān)诤竭\(yùn)界應(yīng)不加區(qū)分地對(duì)所有船舶實(shí)行全球一致的溫室氣體排放強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。而船舶作為船旗國(guó)的浮動(dòng)領(lǐng)土，能源系統(tǒng)具有一定的獨(dú)立性，對(duì)能源的依賴性也較強(qiáng)，因而能源系統(tǒng)的合理有效應(yīng)用及可再生能源的應(yīng)用顯得非常重要。

目前工業(yè)應(yīng)用較多的能源綜合梯級(jí)利用解決方案是冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（CCHP，Combined Cooling Heating and Power），其總的能源利用率可以達(dá)到75%～90%的程度。該系統(tǒng)一般以燃?xì)猓ㄈ缣烊粴?、生物質(zhì)氣等）作為一次能源，是將發(fā)電系統(tǒng)和供熱、供冷系統(tǒng)相結(jié)合的一種綜合供能方式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商用辦公樓等處所，在大幅提高能源轉(zhuǎn)換效率和降低溫室氣體排放方面，相較于常規(guī)能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)動(dòng)力船舶上進(jìn)行節(jié)省燃料或提高能效的設(shè)計(jì)或改造顯得極為迫切，而作為熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的本科生畢業(yè)后即將走向船舶、航運(yùn)、能源企業(yè)工作，承擔(dān)著節(jié)能減排這項(xiàng)責(zé)無旁貸的重要任務(wù)。因此，在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必須理論聯(lián)系實(shí)際，進(jìn)行相關(guān)的先進(jìn)船舶節(jié)能系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)培養(yǎng)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正是依據(jù)這樣的能源技術(shù)進(jìn)行搭建設(shè)計(jì)。

6 建設(shè)內(nèi)容

本文所研究的“船舶CCHP綜合節(jié)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”按本科專業(yè)教學(xué)課程的特點(diǎn)，可以構(gòu)建工程熱物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、船舶節(jié)能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分，本科生可以通過科技活動(dòng)指導(dǎo)教師的啟發(fā)，也可以結(jié)合縱向、橫向科研項(xiàng)目或畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書，利用開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選擇合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并有效地處理、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1）工程熱物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

功能模塊1：吸收式制冷模塊。單效熱水型吸收式制冷機(jī)組可以利用98 ℃左右的熱水作為機(jī)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(fā)器中吸熱汽化，對(duì)冷媒水進(jìn)行降溫達(dá)到制冷的目的。該設(shè)備具有的優(yōu)點(diǎn)包括：①能利用柴油機(jī)的余熱；②具有自動(dòng)抽空的能力；③具有防止溶液結(jié)晶的保護(hù)功能；④能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；⑤可以裝在室外，節(jié)約實(shí)驗(yàn)室的使用面積。

功能模塊2：換熱器性能綜合測(cè)試模塊。換熱器性能綜合測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)由工業(yè)控制臺(tái)和工業(yè)過程控制軟件組成。工業(yè)過程控制軟件由專用的組態(tài)軟件組成，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示、信號(hào)處理及過程自動(dòng)控制等功能。除此之外，還要求軟件具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，包括對(duì)數(shù)據(jù)值的記錄、整理、保存和打印。數(shù)據(jù)整理結(jié)果可記錄于數(shù)據(jù)表內(nèi)，并可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，如計(jì)算對(duì)數(shù)誤差、傳熱系數(shù)或換熱量等，并可根據(jù)這些數(shù)據(jù)和傳熱理論形成趨勢(shì)曲線，擬合得出努謝爾特?cái)?shù)（Nu）的實(shí)驗(yàn)關(guān)系式。

2）工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

功能模塊1：基本物理量測(cè)試模塊。本系統(tǒng)主要檢測(cè)的功能有：①天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)的測(cè)試；②天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸套水的流量、進(jìn)出口溫度測(cè)試；③冷媒水的流量、進(jìn)出口溫度測(cè)試；④電加熱器的進(jìn)出口溫度、熱水流量測(cè)

試；⑤制冷空調(diào)房間的溫度、濕度測(cè)試；⑥天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)房間的可燃?xì)怏w檢測(cè)與報(bào)警功能。

功能模塊2：振動(dòng)噪聲測(cè)試模塊。本系統(tǒng)主要檢測(cè)的功能有：①實(shí)驗(yàn)區(qū)域噪聲監(jiān)測(cè)；②柴油機(jī)振動(dòng)烈度測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)。

功能模塊3：DW電渦流測(cè)功測(cè)試模塊。DW系列測(cè)功器具有寬廣的測(cè)試范圍，容許轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，測(cè)量控制精度高，對(duì)突變負(fù)荷響應(yīng)快，不受冷卻水進(jìn)水壓力變化的影響，且對(duì)外圍輔助設(shè)施要求低，尤其適合于各種自動(dòng)化的試驗(yàn)臺(tái)架，與具有自動(dòng)化控制功能的電控系統(tǒng)配套，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱及數(shù)顯測(cè)量。相對(duì)水力測(cè)功器而言，電渦流測(cè)功器在低速、小功率加載以及配套實(shí)現(xiàn)電控方面具有無可比擬的優(yōu)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(duì)基本物理量、振動(dòng)噪聲和DW電渦流等物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)采集卡、主控計(jì)算機(jī)和相關(guān)的虛擬儀器軟件平臺(tái)等組成。數(shù)據(jù)采集卡從傳感器和其他待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào)，送到主控計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析、處理。基于LabVIEW開發(fā)相應(yīng)的虛擬儀器軟件平臺(tái)，以動(dòng)態(tài)曲線、虛擬儀表等形式實(shí)時(shí)地顯示測(cè)試數(shù)據(jù)，并自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。此模塊便于教師引導(dǎo)大學(xué)生開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)大學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，有助于提高大學(xué)生的實(shí)際操作能力。

3）船舶節(jié)能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

功能模塊1：船舶節(jié)能系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)模塊。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的主要功能：①船舶CCHP綜合節(jié)能系統(tǒng)發(fā)電單元設(shè)計(jì)和改造模擬；②船舶CCHP綜合節(jié)能系統(tǒng)制冷單元設(shè)計(jì)和改造模擬；③船舶CCHP綜合節(jié)能系統(tǒng)熱利用單元設(shè)計(jì)和改造模擬。

功能模塊2：船舶節(jié)能系統(tǒng)優(yōu)化模塊。該系統(tǒng)結(jié)合相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)節(jié)能效能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并進(jìn)行重新調(diào)整，優(yōu)化CCHP零部件及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)較為滿意的節(jié)能效果。

7 結(jié)語

在國(guó)家實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的大背景下，為有效提升本科生的工程實(shí)踐能力和科研素養(yǎng)，結(jié)合當(dāng)前船舶行業(yè)節(jié)能減排的嚴(yán)峻形勢(shì)，本文進(jìn)行了將相關(guān)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以整體形式有機(jī)融合的開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的探索，從而尋求一種能有效提供本科生完成課程實(shí)驗(yàn)、參加學(xué)科競(jìng)賽、進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)等的基礎(chǔ)平臺(tái)，最終提高本科生創(chuàng)新實(shí)踐能力，努力培養(yǎng)優(yōu)秀的畢業(yè)生，使其為今后的科研工作和生產(chǎn)工作中奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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