創(chuàng)新意識驅動下實驗教學模式轉型的實踐

徐 寧， 王 玫

(同濟大學 化學系，上海 200092)

?

創(chuàng)新意識驅動下實驗教學模式轉型的實踐

徐 寧， 王 玫

(同濟大學 化學系，上海 200092)

為適應創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，借“精品實驗項目”建設的契機，嘗試對“離心泵特性曲線的測定”實驗項目從單純的測定型向設計型、探索型實驗教學模式轉變。通過對實驗項目內涵的挖掘、實驗手段的改進、以工程問題引導的實驗教學方法和內容的設計，以及建立鼓勵創(chuàng)新思維的實驗水平考核模式等實驗教學的實踐，使得實驗教學過程能夠體現(xiàn)設計和探索的屬性，實現(xiàn)了在創(chuàng)新意識驅動下的實驗教學模式的轉型。同時也體現(xiàn)了“精品實驗項目”建設在實驗教學中的引領作用。

化工原理實驗； 離心泵特性曲線測定； 精品實驗項目； 創(chuàng)新意識

0 引 言

以培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力為宗旨的“精品實驗項目”建設，為實驗教學提出了更高的要求[1]。實驗教學內容不僅要符合認知規(guī)律的教學模式和方法，還要適應創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要[2-4]。然而，針對單一的測定型實驗項目進行“精品實驗項目”建設，面臨著諸多難題[5]，運行多年的實驗項目無論在教學內容和教學方法上都已形成定式，在硬件上也受到制約。要按照校“精品實驗項目”建設的要求，將實驗項目建設成“有益于激發(fā)創(chuàng)新興趣、有益于啟發(fā)創(chuàng)新意識，有益于引導創(chuàng)新思維、有益于培養(yǎng)創(chuàng)新能力，但要與學生的實際知識水平相適應”的模式，具有一定的挑戰(zhàn)性。修修補補式的變化、更新已不能滿足要求，教學模式的轉型勢在必行[6-8]。只有在創(chuàng)新意識的驅動下，在符合學生認知的基礎上，試圖通過挖掘實驗項目的內涵、設計適應創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實驗教學方法和內容，才能達到建設的目標。實驗教學的實踐證明，此不失為一種較為有效的建設方法。

本文就以實驗項目“離心泵特性曲線的測定”的“精品實驗項目”建設為例，闡述實驗教學設計的創(chuàng)新性探索過程，以及實驗項目由測定型到設計、探索型的轉型過程。

1 實驗項目內涵的挖掘

實驗項目“離心泵特性曲線的測定”是化工原理實驗和化工實驗課程中的一項重要單元操作項目，長期以來定位于實驗測定的類型，實驗過程中雖可對實驗布點進行設計，實驗數(shù)據(jù)也可按一定的程序進行處理，對掌握離心泵的工作原理和操作方法，以及掌握離心泵特性曲線的測定方法起到了重要作用。然而，面對“精品實驗項目”建設的要求，還要充分挖掘其內涵，使之成為設計性、探索性的實驗類型。

1.1 引入低碳、節(jié)能操作理念

緊扣時代背景，適時將低碳、節(jié)能操作理念引入實驗教學之中，既強調了知識的實際運用能力的培養(yǎng)，也使該實驗項目具有了工程上的意義。離心泵的操作是工業(yè)與民用中常見的單元操作，且數(shù)量龐大，引入高效、節(jié)能的操作，社會意義重大。同時將節(jié)能技術結合實驗教學使實驗教學增加了優(yōu)化、探索的元素，也有助于增強學生的社會責任感。

1.2 體現(xiàn)設計、探索性實驗教學的模式

本著培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要，根據(jù)我?；I(yè)的特點，通過在“離心泵特性曲線的測定”的實驗教學過程中增加體現(xiàn)與實際操作相關聯(lián)的設計性和探索性的實驗研究，突破先前驗證性較強、實驗內容簡單的實驗測定模式，使得對離心泵操作的相關知識有了較全面的掌握；同時通過引入工程實際問題，使實驗設計和探索的過程更貼近解決工程實際問題。

2 實驗手段的改進

實驗手段的改造、升級應本著這樣的原則進行，首先是應實驗教學方法之需，通常是要引入新的技術或附件更新；其次是性價比，實驗裝置升級后，其綜合功能的提升應能支撐實驗教學的高效率。

2.1 實驗裝置的多功能改造、升級

原離心泵特性曲線的測定裝置經多年使用，實驗數(shù)據(jù)讀取可靠、穩(wěn)定，為本科生實驗教學提供了硬件的支撐。為適應與時俱進的實驗教學理念和實驗教學方法之需，通過對原實驗裝置的改造和升級，使裝置具備了變頻調轉速的功能，功率表也更新為智能儀表，為實驗設計和探索提供了硬件的支撐。同時增加了軸轉速測定，可以定性不同轉速下的泵特性和其對諸因素的影響。實現(xiàn)了實驗裝置的多功能。為多命題的實驗設計和實驗教學的高效率提供了保障。

2.2 充分利用信息技術

實驗手段還體現(xiàn)在充分利用計算機軟件的教學手段，學生在實驗前后可以通過仿真軟件進行實驗操作預習和數(shù)據(jù)驗證；實驗數(shù)據(jù)通過Excel平臺進行處理；充分利用信息技術進行實驗教學，學生可以用化學系實驗教學中心的網(wǎng)絡平臺進行網(wǎng)上討論、網(wǎng)上答疑，提高了實驗教學效率。

從多功能實驗裝置到仿真軟件、網(wǎng)絡平臺利用，意在為學生提供實驗教學的平臺和興趣氛圍。

3 實驗教學方法的設計

對于測定性實驗項目的轉型，首先要符合學生認知規(guī)律，從知識建構的角度，在實驗教學中于知識運用層面加以完善。其次要能充分調動學生學習的主動性與積極性，重視實驗中的設計、探索過程。

3.1 以工程問題引導的實驗教學方法

以工程問題為引導的實驗探索過程作為實驗教學方法之一，是基于該實驗項目性質決定的，因為單獨討論離心泵的特性而忽略管路因素是沒有實際工程意義的[9]。而以工程問題作引導的探索過程，則能在實驗教學中將工程實際問題作為研究對象，對解決問題能力的培養(yǎng)有積極的作用。

借助于變頻調速，可引入管路特性的測定方法[10]，有了離心泵的特性和管路特性，工程實際操作問題可按實驗教學理念的要求，進行節(jié)能、優(yōu)化探索的設計；圍繞離心泵工作效率問題進行設計；以及管路特性與泵特性結合的操作點問題的設計與探索等。

3.2 預留想象和探索的空間

實驗教學方法的設計的指導思想之一是營造一個探索的氛圍，能讓學生在實驗過程中充分發(fā)揮想象的能力。而以工程實際問題為導向的實驗操作設計，為學生提供了想象空間。可以根據(jù)問題的不同，進行實驗方案設計；實驗數(shù)據(jù)處理過程也能考驗學生的想象力，一改單一的泵特性按部就班式的數(shù)據(jù)處理模式，可以按感興趣的問題將實驗數(shù)據(jù)進行歸納、比較和分析，不受任何限制；實驗結果的討論也有發(fā)揮的空間，學生可以充分運用所學知識進行探索，有話可說。

總之，實驗教學方法的設計要有利于拓寬學生的思維，有利于綜合能力的培養(yǎng)，特別是分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)。

4 實驗教學內容的設計

實驗教學內容設計是以工程問題為主線，既能拓寬視野，又能將知識靈活運用于實驗操作的設計。通過實驗操作和對工程問題的研究與探索，能夠較全面地掌握離心泵操作的相關知識。

4.1 流量調節(jié)問題

在實驗講解時，介紹工程上離心泵操作過程的各種流量調節(jié)的方法以及適用場合。主要有：改變管路特性的操作方法，即用出口閥門調節(jié)，優(yōu)點是操作方便、靈活，但此方法增加了管路阻力(尤其是在閥門關小時)，以增加能耗為代價，且離心泵工作點位于低效率區(qū)，不符合低碳操作；另一種是改變離心泵特性的操作方法，即采用車削離心泵葉輪和改變轉速的方法，此類方法是在不額外增加管路的阻力下，且在一定的范圍內可保持離心泵在高效區(qū)域內工作[11]。特別是變頻調轉速的方法，在操作上方便、靈活，此方法可以大幅度節(jié)能[12-13]，在經濟上更為合理，符合低碳理念。

較系統(tǒng)地介紹工程上離心泵操作的流量調節(jié)方法，主要目的是引入變頻調轉速這一節(jié)能技術，并應用于實驗操作之中。本實驗分別采用出口閥門和變頻調速兩種方法調節(jié)流量。

4.2 離心泵節(jié)能操作與輸入功率問題

采用不同的流量調節(jié)方法可得出不同要求下的實驗數(shù)據(jù)。在一定轉速條件下，改變管路特性而測得的離心泵特性數(shù)據(jù)，按以往的要求，只要測得此條件下的離心泵特性曲線，就完成實驗操作任務。而通過引入變頻調轉速技術后，可測得在一定的閥門開度下，改變軸轉速下的管路特性數(shù)據(jù)，即固定管路特性，變泵特性。取得了一系列研究和探索內容，其中離心泵節(jié)能操作與輸入功率問題的探索是比較重要的內容之一。

變管路特性和變泵特性操作的節(jié)能和經濟性的比較，可以通過實驗設計對兩種操作方法的輸入功率曲線進行比較；進一步可對不同出口閥門開度下(高阻和低阻管路)，變泵特性的輸入功率進行比較。通過實驗設計，從得出的實驗結果中，學生經過分析和討論，從而得出了在操作流量的中、低范圍內，變頻調轉速操作方法下的輸入功率明顯低于出口閥門調節(jié)方法下的輸入功率，但在高流量范圍內輸入功率急速增加的結論。同時，通過實驗數(shù)據(jù)的對比，高阻管路的輸入功率明顯高于低阻管路的輸入功率。通過以工程上節(jié)能問題為引導的實驗設計及操作過程，在知識應用的同時，也感悟了節(jié)能操作在工程上的意義。

4.3 轉速對特性曲線的影響

由離開離心泵葉輪的速度三角形相似、泵效率相等的假設，有：流量之比等于轉速的一次方之比；揚程之比等于轉速的平方之比；而軸功率之比則等于轉速的三次方之比[11]。

從軸功率與轉速的關系就很好解釋了上述變頻調速在高轉速時的輸入功率急速增加的現(xiàn)象。說明任何一節(jié)能技術在應用時總有一定的限定條件，實驗結果討論時要綜合地進行權衡。此項實驗內容對實際操作有指導意義。

實驗裝置已具備了測定轉速與離心泵特性曲線關系的條件。并且，結合離心泵軸轉速的測定，可以定量地確定轉速與各特性之間的關系。

4.4 離心泵工作點的確定

離心泵的特性曲線是在特定的管路條件下測定的，因此，離心泵的工作點是由泵特性與管路特性共同確定的。先前，實驗時只關注離心泵特性的測定，往往忽略管路特性對其的影響。在“精品實驗項目”建設中，充分利用管路特性測定的方法，將管路特性的影響貫穿于泵特性測定的設計。這樣的實驗內容設計，直接與工程實際操作關聯(lián)了起來，豐富了設計和探索的內涵。實驗數(shù)據(jù)處理量也隨之增多，給了學生較大的思維空間。

實驗中可以將離心泵特性與不同的管路特性(高阻和低阻)下的工作點進行對比。

4.5 離心泵總效率問題

同樣秉承低碳和節(jié)能的操作理念，作為離心泵特性之一的總效率在離心泵的操作中，無論從經濟角度，還是從技術角度都占有重要的位置?？傂实母叩椭苯臃从沉穗x心泵操作在技術上的可行性和在經濟上的合理性。有了上述實驗測定的測定數(shù)據(jù)，就可以對比用不同方法進行流量調節(jié)時，離心泵的總效率高低。

有意義的是，節(jié)能技術在實驗中的應用、學生在實驗結果討論、結論得出的同時，也有助于低碳、節(jié)能理念的建立。

4.6 離心泵的組合操作的探索[14]

充分利用裝置的特性，可以嘗試用兩臺離心泵進行并聯(lián)操作。工作點由管路特性和離心泵特性共同確定。由于管路不對稱，存在揚程不匹配的問題[15]，既要考慮系統(tǒng)的管路特性，同時還要考慮總揚程與總流量之間的關系。實驗設計的探索性成分較大。

通過此實驗內容的安排，既可以使學生的知識運用能力得到發(fā)揮，學會充分利用現(xiàn)有條件，甚至在沒有條件的情況下，創(chuàng)造條件來完成實驗的設計和操作任務，也嘗試了在實驗教學過程中探索氛圍的營造。

5 建立鼓勵創(chuàng)新思維、客觀公正評價學生實驗水平的考核模式

以培養(yǎng)實踐和創(chuàng)新能力為宗旨的“精品實驗項目”建設，與其相適應的考核模式應建立在鼓勵創(chuàng)新思維、客觀公正評價學生實驗水平的基礎之上。實驗考核體系從實驗預習(占10%)、設計(占20%)、實驗過程的探索性(占20%)、實驗數(shù)據(jù)處理的合理性(占20%)以及實驗結果分析討論(占30%)等多角度進行考察，能較準確、客觀地檢驗實驗教學質量與效果。

鼓勵創(chuàng)新思維則是考核模式制定中要考慮的另一因素。由于實驗內容沒有先例可供參照，隨著學生的思維空間的不斷開闊，考核模式的制定也應本著鼓勵創(chuàng)新思維的原則進行，視學生在實驗教學各環(huán)節(jié)中是否具有創(chuàng)新意識，給予一定的激勵。經多年的實驗教學實踐得出一個可操作性的基本原則，就是：若能夠按傳統(tǒng)的要求，完成“離心泵特性曲線的測定”的實驗內容的，則基本達到合格水準；若能將實驗內容有所拓展，并進一步運用所學知識對實驗現(xiàn)象和實驗結果進行討論的，則能達到良好的水準；而更進一步若在實驗設計、操作和結果討論中有創(chuàng)新意識和探索性過程的，才能達到優(yōu)秀的水準。

總之，考核模式應是較全面、綜合和可操作性的，同時又不失激勵創(chuàng)新思維的實驗教學評價體系。

6 結 語

“精品實驗項目”建設已進入攻堅的層面，有條件的設計型、綜合型實驗項目已先后建成了“精品實驗項目”，而對于驗證、測定型實驗項目的建設則更具有挑戰(zhàn)性，這就需要借助于創(chuàng)新意識驅動下的實驗教學模式的轉型來實現(xiàn)。這種轉型既不能推倒重來，也不能改變原有的實驗教學認知，只能在傳承的基礎上作有所創(chuàng)新之舉。從單純的變管路特性到變管路特性與變泵特性共存的技術路線，再到從單一的泵特性的測定到泵操作問題探索的實驗內容設計理念。而正是這實踐與思考的過程，才體現(xiàn)了“精品實驗項目”建設意在引領作用的意義所在。

[1] 朱玉華，楊正宏. 建設精品實驗項目 促進創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J]. 實驗室研究與探索， 2008,27(1):7-9,25.

[2] 張 嫻，王士芬，徐竟成. 建設精品實驗項目 深化創(chuàng)新人才教育[J]. 實驗室研究與探索，2011，30(11)：87-89.

[3] 曾 飛，堵 俊. “城市交通運行控制”精品實驗項目建設與探索[J]. 實驗室研究與探索，2014，33(8)：181-184，210.

[4] 潘 登，陳啟軍. 基于STM32F10x微控制器的GPIO精品實驗項目建設[J]. 實驗室科學， 2014，17(2)：53-56.

[5] 肖寒霜，朱仲良，王曉崗，等. 拉曼光譜對無機鹽溶液定量檢測的探索[J]. 實驗室科學，2014，17(3)：13-15.

[6] 文仁軼. 電工電子基礎實驗教學模式轉變的思考[J]. 電子制作，2014(15)：67.

[7] 高月春. 教學模式轉型下的電工電子實驗教學[J]. 教育教學論壇，2014(22)：37-38.

[8] 秦麗梅，鄔依林. 轉型期師范類高校工科專業(yè)實驗課效果的思考[J]. 教育教學論壇， 2014(5)：253-254.

[9] 史賢林，田恒水，張 平. 化工原理實驗[M]. 上海：華東理工大學出版社，2005.

[10] 張秀瑾，張秋香. 多功能流體流動實驗裝置[J]. 實驗技術與管理，2011，28(3)：73-77.

[11] 陳敏恒，叢德滋，方圖南，等. 化工原理(上冊)[M].2版. 北京：化學工業(yè)出版社， 1999.

[12] 于維國. 變頻技術在離心泵節(jié)能中的應用[J]. 科技與企業(yè)，2012(14)：295.

[13] 劉華雄，劉 虎，李玉林. 離心泵節(jié)能技術探討與應用[J]. 內蒙古石油化工，2012(16)：113-114.

[14] 廖功磊，周小波，李光輝，等. 全工況小型移動式電力提灌泵裝置研究[J]. 中國農村水利水電，2011(5)：135-138.

[15] 夏煥群. 變頻調速技術在離心泵并聯(lián)工藝中的應用[J]. 安全、健康和環(huán)境，2012，12(9)：13-15.

Practice of the Transformation of the Experimental Teaching Mode Driven by the Consciousness of Innovation

XUNing，WANGMei

(Department of Chemistry，Tongji University，Shanghai 200092，China)

In order to adapt the cultivation of innovative talents, the transformation of the mode of experimental teaching in experiment project of “determination of characteristic curve of centrifugal pump” was attempted. It transformed the simple measurement model to designing and exploring by the opportunity of building “the project of elaborate experiment”. Through the practice of exploring the connotation of experimental teaching, improving the experimental means and designing experimental teaching content by the guide of the engineering problems, and also through the establishment of the assessment models to encourage innovative thinking on experimental level, experimental teaching was attributed the principle of design and exploration, and the experimental teaching mode was transformed to that driven by the consciousness of innovation. Meanwhile, the leading role in the project of elaborating experiment has been realized.

experiments of chemical engineering principles； determination of characteristic curve of centrifugal pump； the project of elaborate experiment； innovation consciousness

2015-03-09

同濟大學精品實驗項目建設基金項目(1380104078)

徐 寧(1957-)，男，浙江衢州人，本科，高級實驗師，研究方向：化工實驗技術與實驗教學。

Tel.: 021-65982354,13524612704;E-mail: xuning@#edu.cn

G 642.423；TQ 016.1

A

1006-7167(2016)02-0220-04