學(xué)生創(chuàng)新實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)探索

李峰　丁云飛　楊素云

摘要：通過實驗項目教學(xué)改革創(chuàng)新實驗設(shè)計，結(jié)合實驗平臺的建設(shè)，以實驗方案的制定、專業(yè)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(xué)生創(chuàng)新實驗實踐活動，探索大學(xué)生創(chuàng)新實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)的有效途徑和方法。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實驗設(shè)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(fēng)與空氣調(diào)節(jié)工程專業(yè)的深入發(fā)展，專業(yè)應(yīng)用環(huán)境的不斷變化，近年來暖通空調(diào)工程專業(yè)進行了一系列的重大改革：專業(yè)名稱從最早五六十年代的“供熱與通風(fēng)”改名為“建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)”，再改為現(xiàn)在的“建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)”；人才培養(yǎng)框架也適當(dāng)做了調(diào)整；課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容與要求發(fā)生了較大的變化，更符合社會進步、時代變遷和技術(shù)發(fā)展對專業(yè)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(yǎng)的學(xué)生基礎(chǔ)扎實、知識面寬、素質(zhì)高、能力強、有創(chuàng)新意識，不僅要具備從事專業(yè)設(shè)計、安裝、調(diào)試運行的能力，而且還要具有制定建筑自動化系統(tǒng)方案的能力，具有初步應(yīng)用研究和開發(fā)的能力。實驗作為培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力的重要環(huán)節(jié)也應(yīng)隨之與時俱進，不斷完善，不斷調(diào)整。

實驗教學(xué)是高校實踐育人的載體，是培養(yǎng)創(chuàng)新學(xué)生素質(zhì)的主要手段，在人才培養(yǎng)體系中有重要的作用[1]。實驗教學(xué)的理念是以培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神為宗旨，講究實驗教學(xué)的科學(xué)性，即教學(xué)觀念科學(xué)、教學(xué)設(shè)計科學(xué)、教學(xué)方式方法科學(xué)和考核方式科學(xué)；講究實驗教學(xué)的層次性，即從基礎(chǔ)性驗證性實驗到綜合性設(shè)計性實驗過渡，以先進的實驗設(shè)備為支撐，重視實驗室硬件設(shè)備的更新，以確保學(xué)生通過實驗環(huán)節(jié)訓(xùn)練在綜合應(yīng)用能力和動手能力等方面得到鍛煉。

因此，在設(shè)有建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的工科院校中建設(shè)系統(tǒng)綜合性實驗臺，既可以開展專業(yè)實驗，又可以在完整的空調(diào)系統(tǒng)中考察設(shè)備的綜合性能及運行參數(shù)，還可在完成本科教學(xué)任務(wù)的同時開展創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識。

空調(diào)制冷換熱綜合實驗臺就是基于這一宗旨開發(fā)設(shè)計而成的，同時遵從實驗教學(xué)的科學(xué)性及層次性原則，配以實驗教學(xué)方式的改革，筆者以獨立實驗課程暖通空調(diào)系統(tǒng)及控制實驗中的實驗項目“暖通空調(diào)系統(tǒng)控制實驗”為例，就教學(xué)改革的經(jīng)驗及成果作進一步說明。

一、暖通空調(diào)系統(tǒng)實驗設(shè)計理念

（一） 建立多渠道的專業(yè)知識輸入信息源

改革實驗教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力是實踐教學(xué)環(huán)節(jié)亟待解決的重要任務(wù)[2]。實驗的目的就是讓書本知識與實際工程系統(tǒng)接軌，因此，實驗臺在系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)控制、實驗操作上需與常規(guī)暖通空調(diào)系統(tǒng)保持一致。學(xué)生要掌握空調(diào)系統(tǒng)及制冷系統(tǒng)中重要部件的工作特性，認識壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、節(jié)流閥、加濕器、表冷器、離心風(fēng)機，離心水泵等設(shè)備的工作原理。要通過建立暖通空調(diào)系統(tǒng)及控制實驗課程專業(yè)網(wǎng)站，讓學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、了解暖通空調(diào)系統(tǒng)實驗知識和相關(guān)資料及文獻，展開師生之間的互動交流。這樣不僅可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)實驗教學(xué)的效率，充分調(diào)動“教”與“學(xué)”兩方面的積極性，而且能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)教育的需要，使教學(xué)向深度和廣度拓展。實驗知識獲取途徑如下圖1。

（二）創(chuàng)新特色實驗的內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)實驗裝置功能齊全，控制靈活等特點，我們除了開設(shè)傳統(tǒng)的教學(xué)實驗外，還設(shè)計了一些創(chuàng)新型實驗。這些實驗充分展現(xiàn)了新技術(shù)在空調(diào)設(shè)計中的應(yīng)用，從而能更好地引導(dǎo)學(xué)生從基本必修的典型驗證性實驗過渡到綜合性、設(shè)計型實驗，見表2。

以下是該試驗臺能做的必修專業(yè)基礎(chǔ)實驗，目的是使學(xué)生通過實驗環(huán)節(jié)訓(xùn)練掌握必須的專業(yè)實驗技能。

（1）掌握制冷系統(tǒng)循環(huán)工作的原理和組成；（2）學(xué)習(xí)測定制冷壓縮機性能的方法，測定制冷量，性能系數(shù)，分析制冷系統(tǒng)的高效運行影響因素；（3）模擬冬夏季室外天氣，測定空調(diào)系統(tǒng)的冷量、風(fēng)量和風(fēng)壓，調(diào)節(jié)運行參數(shù)，多工況比較分析空調(diào)系統(tǒng)耗能的主要因素；（4）掌握空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理過程，熟悉空氣參數(shù)的調(diào)節(jié)方法；（5）進行熱工測量及計算訓(xùn)練。

二、 暖通空調(diào)系統(tǒng)控制實驗

學(xué)生實驗前需掌握實驗的專業(yè)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(shè)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(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致相似，主體部分有離心風(fēng)機、風(fēng)管、以及壓縮機、表冷器、蒸發(fā)器、四通換向閥、兩用水箱。實驗裝置如圖2所示。

1.風(fēng)機支架； 2.風(fēng)機 ；3.風(fēng)量調(diào)節(jié)； 4.比托管測風(fēng)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(fēng)洞內(nèi)制冷壓縮機表冷器（管內(nèi)氟利昂）； 11.溫濕度測試窗； 12.空氣加熱器（表冷器管內(nèi)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(guān)；19.20.外側(cè)為水加熱器，內(nèi)側(cè)為水蒸氣發(fā)生器；21.壓縮機風(fēng)洞外表冷器；22.儲液罐。23工況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換閥及節(jié)流閥；24.制冷壓縮機；25.四通轉(zhuǎn)換閥；26.循環(huán)水泵；27.轉(zhuǎn)子流量計；28.兩用水箱；29.參數(shù)測量儀表盤 。

（一）實驗設(shè)計指導(dǎo)

實驗技能涉及控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備的運行，相關(guān)參數(shù)的測試，控制調(diào)節(jié)壓縮機、風(fēng)機、水泵的運行。通過測量系統(tǒng)參數(shù)，可得到風(fēng)側(cè)的風(fēng)量、風(fēng)速、壓力，溫度、濕度，以及水側(cè)的流量。

可控部分主要有四通換向閥、水蒸氣發(fā)生器。在實驗中不僅需要調(diào)節(jié)四通換向閥，而且需要調(diào)節(jié)制冷劑側(cè)閥門，使制冷劑在水箱、室外側(cè)表冷器、室內(nèi)側(cè)表冷器之間正常切換。

學(xué)生通過可控部分模擬出：a.冬季工況的外界空氣狀態(tài)以及空氣處理過程；b.夏季工況的外界空氣狀態(tài)以及空氣處理過程；c.水作載冷劑時的空氣調(diào)節(jié)方法。

通過系統(tǒng)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(tǒng)中的變化過程。

風(fēng)量的測量可采用畢托管（應(yīng)用儀表4）和集氣口流量計（應(yīng)用儀表15）兩種測量手段，對比風(fēng)量的測試結(jié)果，分析風(fēng)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(fā)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(fā)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(fā)器的吸熱使空氣降溫，模擬干燥寒冷的冬季室外狀態(tài)，同時利用冷凝器加熱空氣。

三、 實驗總結(jié)

該實驗的創(chuàng)新之處在于：學(xué)生通過實驗網(wǎng)站學(xué)習(xí)相關(guān)實驗項目的專業(yè)理論，掌握實驗方法，經(jīng)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(diào)制冷通風(fēng)各系統(tǒng)實驗操作運行的工程現(xiàn)場模擬條件，從而可體會空調(diào)系統(tǒng)在冷負荷變化時是如何調(diào)節(jié)送風(fēng)量以達到控制室溫又節(jié)能的效果。此外，還可以多參數(shù)測量溫度、濕度，風(fēng)量和阻力，觀察不同參數(shù)的控制效果，熟悉控制試驗臺冷源壓縮機、風(fēng)機、水泵的運行調(diào)節(jié)對空調(diào)系統(tǒng)的影響，追求合理的最優(yōu)控制方案。學(xué)生在實驗之前，通過網(wǎng)站內(nèi)容進行預(yù)習(xí)，對實驗內(nèi)容有大概的印象和直觀的認識，從而提高了學(xué)習(xí)效率，有利于深刻理解和記憶相關(guān)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(xué)生更多地思考、分析和解決問題。學(xué)生通過實驗加深了對建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程相關(guān)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(xué)實驗和專業(yè)實驗課程訓(xùn)練。通過此類實驗課程的實踐及訓(xùn)練，學(xué)生參加全國性學(xué)科競賽及空調(diào)制冷大賽多次獲獎。近三年來，在該專業(yè)最具影響力的全國“人環(huán)獎”（本專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域唯一的國家級獎學(xué)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(shè)計領(lǐng)域有較高影響的MDV中央空調(diào)設(shè)計應(yīng)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(diào)行業(yè)協(xié)會舉辦的大學(xué)生科技競賽中獲三等獎3項；在全國“亞龍杯”大學(xué)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(jié)語

實驗教學(xué)模式的改革主要是進行實驗課程體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新，通過優(yōu)化實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，提高實驗教學(xué)效果[3]?；诮ㄖh(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的空調(diào)制冷換熱綜合實驗臺和實驗課程專業(yè)網(wǎng)站建設(shè)，滿足了專業(yè)指導(dǎo)委員會提出的要求，在此基礎(chǔ)上進行的實驗教學(xué)方法改革嘗試，經(jīng)3屆學(xué)生的實踐反饋收到了良好的效果，學(xué)生的主觀能動性有所增強，教學(xué)效果良好。

通過此實驗項目的教學(xué)訓(xùn)練，促使學(xué)生更加重視實驗環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力，發(fā)現(xiàn)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(xué)質(zhì)量。

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（編輯 梁遠華）