基于實驗教學改革的新工科人才培養(yǎng)實踐

李鈺潔 劉永葆 余又紅 馬睿

[摘 要] 新工科對實驗教育教學提出了新的要求，為提高學生綜合能力、創(chuàng)新能力，以適應新工科要求，從培育人才綜合能力素質(zhì)出發(fā)，針對工科課程的學習特點，分別在實驗教學條件、教學內(nèi)容、教學模式等方面進行了改革實踐。通過建設(shè)綜合實驗教學平臺，構(gòu)建仿真實驗室，建立精準化評價模型，實施互聯(lián)網(wǎng)平臺實驗教學與仿真實驗互為補充的教學模式等措施，對專業(yè)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)進行了探索與實踐，有力地推動了新工科的發(fā)展。

[關(guān)鍵詞] 實驗教學;新工科;仿真實驗室;教學模式;評價模式

[中圖分類號] TK 427? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0379-04? ? [收稿日期] 2020-03-12

我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展帶動了社會、政治、文化各個領(lǐng)域的快速發(fā)展，對教育改革創(chuàng)新提出了新的目標，掀起了新工科教學改革的熱潮[1-3]。新工科對大學生的綜合能力素質(zhì)提出了更高的要求，尤其在實驗教育教學中，更是體現(xiàn)了對學生創(chuàng)新能力、動手能力、協(xié)作能力的要求。

葉輪機械作為一門傳統(tǒng)的工科課程，要求學生綜合運用工程熱力學、流體力學、機械設(shè)計等專業(yè)基礎(chǔ)理論，對葉輪機械中的能量轉(zhuǎn)換、氣動特性、工作特性進行深入分析[4]，在掌握葉輪機械專業(yè)理論的同時，學會運用基礎(chǔ)理論來分析和解決工程技術(shù)問題的基本方法，為今后熟練掌握操縱管理和維護設(shè)備機組基本技能，并為提高對設(shè)備故障的分析能力打下堅實的專業(yè)基礎(chǔ)[5，6]。為加強葉輪機械與工程實際的關(guān)聯(lián)性，通常通過設(shè)置相應的綜合性實驗幫助學生理解和掌握葉輪機械的基本結(jié)構(gòu)形式[7-9]、運行性能與調(diào)節(jié)控制，通過葉輪機械綜合實驗課程，使學生掌握流體機械性能測試、葉片設(shè)計與仿真實驗基本方法，提高動手操作能力、實驗分析能力。但是當前葉輪機械實驗還存在諸多問題。一是實驗條件方面，針對本科教學開展的可運行葉輪機械或者設(shè)備單一，或者偏離工程實際，只考慮某一方面而不能實現(xiàn)對葉輪機械綜合性能的全面考慮，不能滿足學生動手實踐需求，缺少在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的機會，不能很好地鍛煉分工協(xié)作能力;二是教學模式方面，傳統(tǒng)的實驗模式是由教師講解，學生重復實驗操作，導致實驗創(chuàng)新思想的匱乏;三是實驗實施與評價方面，實施過程由老師統(tǒng)一安排，實驗結(jié)束后沒有形成有效的評價體系，忽略了對學生綜合能力素質(zhì)的評價。

針對實驗教學存在的問題以及當前新工科對學生綜合能力素質(zhì)的新要求，為培養(yǎng)學生扎實的理論基礎(chǔ)并突出綜合能力素質(zhì)的養(yǎng)成，圍繞葉輪機械綜合實驗課程，從實驗條件、教學模式、評價模型三個方面對葉輪機械實驗教學重點進行了改革與實踐。

一、以綜合實驗教學為牽引，通過科研創(chuàng)新反哺實驗教學

在教學過程中，培養(yǎng)學生掌握基礎(chǔ)知識的同時，更應注重能力素質(zhì)的培養(yǎng)。在實驗教學中，針對葉輪機械綜合性能實驗教學，建設(shè)了多級軸流式壓氣機、跨音速風洞等科研平臺，通過科研創(chuàng)新來反哺實驗教學，將科研優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為人才培養(yǎng)特色，在工程思維與理念訓練層面進行實驗創(chuàng)新教學與實踐，在實驗條件層面滿足學生動手實踐的需求，力求在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題。

（一）多級軸流式壓氣機氣動測試實驗

壓氣機作為典型的葉輪機械，為了解壓氣機氣動特性與能量轉(zhuǎn)換原理，需要開展壓氣機特性實驗。高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機實驗臺可以較好地模擬壓氣機流場的氣動變化情況，因此通過精心設(shè)計與優(yōu)化壓氣機的實驗方案，實驗室建設(shè)了壓氣機綜合性實驗平臺。實驗平臺主要由試驗臺架和測量系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。

其基本工作原理是通過一臺調(diào)速直流電機帶動增速齒輪箱轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動壓氣機試驗段的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，氣流經(jīng)過進氣罩沿軸向吸入通道，經(jīng)過試驗段的壓氣機增壓后進入排氣段部分，再由排氣蝸殼排入大氣。實驗平臺進氣段中裝有流量測量參數(shù)傳感器，用于測量穩(wěn)態(tài)的流量，尾部裝有流量調(diào)節(jié)節(jié)氣門裝置，用于調(diào)節(jié)壓氣機的流量值。進氣段、排氣段可以與壓氣機試驗段分離，便于快速更換試件和安裝測量裝置。各試驗段采用模塊化設(shè)計和聯(lián)接，便于開展壓氣機特性和低工況性能改進等綜合性試驗，建成后的實驗臺如圖2所示。

為滿足壓氣機性能試驗平臺使用要求，該壓氣機除基本結(jié)構(gòu)外，還包括進氣畸變、進口導葉可調(diào)機構(gòu)、機匣處理和級間放氣模塊。通過實驗使學生掌握葉輪機械的基本結(jié)構(gòu)形式、運行性能與調(diào)節(jié)控制，掌握艦船流體機械性能測試、流動測試、設(shè)計與仿真實驗的基本方法，提高學生動手操作能力;另一方面，葉輪機械綜合實驗課程要成為本科生對專業(yè)儀器、實驗操作、專業(yè)軟件操作、數(shù)據(jù)分析等基本功訓練的綜合主戰(zhàn)場。同時，實驗課程將實驗教學上升到工程思維與理念訓練的高度，作為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的一種不可或缺手段。

（二）內(nèi)流風洞跨音速實驗

跨音速風洞試驗平臺主要針對旋轉(zhuǎn)機械的氣動熱力性能展開。當前典型葉輪機械包括熱力旋轉(zhuǎn)機械，為深入理解熱力旋轉(zhuǎn)機械的做功機理，提高做功效率，利用跨音速風洞試驗平臺，結(jié)合氣動熱力學基礎(chǔ)理論，進行熱力旋轉(zhuǎn)機械的實驗教學。跨音速風洞試驗平臺主要包括氣源系統(tǒng)、跨音速風洞系統(tǒng)、氣動熱力學參數(shù)測量系統(tǒng)、風洞控制系統(tǒng)等，如圖3所示。

實驗系統(tǒng)涵蓋了跨音速燃氣輪機氣動熱力性能的各項試驗內(nèi)容，可進行微觀內(nèi)流場的測試和重構(gòu)、外流場?；囼?，形成跨音速燃氣輪機氣動熱力學性能、氣動穩(wěn)定性性能、“結(jié)構(gòu)—流場—性能—控制”等多學科多物理場的試驗能力，為高氣動性能和長壽命燃氣輪機的設(shè)計優(yōu)化、性能分析、壽命預測打下技術(shù)基礎(chǔ)，通過實驗對科研進行創(chuàng)新，以創(chuàng)新成果為指引，實現(xiàn)對教學的反哺，提升教學質(zhì)量與層次。

二、優(yōu)化實驗教學模式，充實實驗教學內(nèi)容

當前的實驗教學主要立足于在規(guī)定的課堂時間內(nèi)，由教師進行實驗原理講解，學生按照規(guī)定的實驗內(nèi)容進行實驗操作，進而對實驗數(shù)據(jù)進行分析完成實驗報告。這種實驗教學模式的優(yōu)點在于學生可以在成熟的理論指導下，通過實驗操作對理論形成更加牢固的認識，但是學生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新實踐并沒有得到很好的鍛煉。

（一）構(gòu)建開放式實驗課堂

為適應當前對工科人才的新要求，實驗室在實驗教學方面建設(shè)開放式實驗室，充分利用教學資源來培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新意識。教師把葉輪機械當前研究熱點、最新科研成果引入實驗課堂，帶領(lǐng)學生去體驗科研創(chuàng)新，實現(xiàn)研究型實驗與教學型實驗的互動交流。在科研成果促進實驗教學的同時，綜合采用啟發(fā)式、討論式、開放式等教學方法，使實驗教學活動真正建立在學生主動探索的基礎(chǔ)上，通過查閱資料、分工思考、自主探究等方式獲得實驗的最佳方案

（二）創(chuàng)建仿真實驗室

葉輪機械知識點概念抽象，流場結(jié)構(gòu)復雜，看不見摸不著;因此在教學過程，針對這些問題，在壓氣機綜合實驗平臺的基礎(chǔ)上構(gòu)建仿真實驗室，開展虛擬教學實驗與真實實驗相輔助的教學模式。一方面將壓氣機防喘措施，如中間級放氣、可轉(zhuǎn)導葉、機匣處理等，通過真實實驗的形式獲取防喘效果;另一方面，在教師的指導下，建立壓氣機實驗平臺的有限元數(shù)值計算模型，結(jié)合數(shù)值仿真計算的方法，分析三種防喘措施的作用細節(jié)，增加實驗形式的多樣性。壓氣機實驗平臺數(shù)值仿真結(jié)合實驗教學的模式如圖4所示。

學生分組后，一方面充分利用壓氣機性能試驗平臺，分別進行壓氣機可轉(zhuǎn)導葉、級間放氣、機匣處理的低工況性能試驗，通過監(jiān)測通流部分流量、壓力、溫度的變化，以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，得到不同防喘措施對壓氣機工作特性的影響特點，通過對實驗數(shù)據(jù)的計算分析，量化三種防喘措施對喘振裕度的具體影響程度;另一方面引導學生自行設(shè)計并仿真驗證，對不同的防喘措施進行虛擬氣動測試。通過計算機模擬計算得到壓氣機內(nèi)部流場流動細節(jié)，制作壓氣機的二次流動動畫，將抽象的概念原理與葉輪機械內(nèi)復雜的流動過程形象地表達出來，在鍛煉學生計算分析能力的同時，使學生對概念原理和實驗流程的理解更清晰透徹。通過這種虛實結(jié)合的方式，降低在真實實驗中的操作帶來的風險，促進了知識的轉(zhuǎn)化與拓展，同時也彌補了實驗設(shè)備容量與學生人數(shù)不匹配的問題。

（三）促進網(wǎng)絡先導學習

葉輪機械研究領(lǐng)域發(fā)展十分迅速，為及時更新本領(lǐng)域科技成果以及交叉學科的最新成果，利用互聯(lián)網(wǎng)深度開放實驗室，吸收葉輪機械領(lǐng)域最新的理論，開設(shè)精品資源網(wǎng)站。一方面針對現(xiàn)有課程要么只是講述理論，要么只是單純的CFD軟件培訓，將基本理論、先進技術(shù)及數(shù)值實踐結(jié)合起來，形成一體化的課程，讓學生在本課程完成后，不僅具備較為完備的理論知識，也同時能夠具有創(chuàng)新素養(yǎng)和動手實踐能力;另一方面，除了講述基本理論之外，還設(shè)置研討、答疑和在線互動等教學方法。同時，針對學生對知識點的把握、問題的統(tǒng)計分析，在基本課程體系建設(shè)之外，及時補充相關(guān)信息資源，并做好教學資料的更新和補充，特別是針對專業(yè)基礎(chǔ)教學的先進性即創(chuàng)新需求，及時將最新研究成果補充到網(wǎng)絡課程中，學生可以通過電腦或手機快速接收信息、預約實驗，簡化流程，節(jié)約時間?；诰W(wǎng)絡先導的實驗模式案例如圖5所示。

壓氣機實驗平臺的機匣處理模塊目的是延遲葉片的失速，擴大壓氣機的喘振裕度。閉環(huán)實驗模式的主要形式是利用互聯(lián)網(wǎng)信息優(yōu)勢，教師與學生形成線上互動，在實驗相關(guān)的各方面形成信息的及時交流，對實驗安排、實驗流程、操作規(guī)范、實驗設(shè)計形成規(guī)范后，首先通過實驗測試獲取機匣處理的防喘效果，針對機匣內(nèi)壁的環(huán)形空腔進行數(shù)值仿真并分析作用機理，然后通過軟件計算改善內(nèi)壁設(shè)計，利用增材制造等手段，實現(xiàn)內(nèi)壁新型設(shè)計形成實物，更換新的內(nèi)壁機匣（如圖6所示），最后通過實驗驗證新設(shè)計的機匣處理防喘效果，形成實驗教學的閉環(huán)，在設(shè)計能力、分析能力、動手實操能力等方面充分鍛煉學生的綜合能力。

三、更新實驗教學評價模型，精準評價“教”與“學”

原先的實驗課程評價主要由學生撰寫的實驗報告質(zhì)量決定，這種評價方式無法全面評價學生對實驗的掌握程度，對于葉輪機械這種專業(yè)基礎(chǔ)類課程，對照相應教學質(zhì)量國家標準，應著重考核學生研究探索能力、應用能力和實際操作能力，因此，建立新的精準化實驗評價模型，在實驗思路、實驗內(nèi)容、團隊合作等方面進行綜合評價。一是實驗思路，占比30%，包括實驗主題是否明確，邏輯是否清晰以及是否貼近實際應用等三個方面，對應的是學生思考與判斷能力的評價;二是實驗內(nèi)容，占比40%，包括是否突出實驗研究重點，是否體現(xiàn)實際操作是否具有創(chuàng)新性、實驗數(shù)據(jù)是否準確等四個方面，對應的是學生動手實操能力以及創(chuàng)新能力的評價;三是團隊合作，占比30%，包括分工是否合理，討論是否充分，任務完成標準等三個方面，對應的是學生組織實施與協(xié)調(diào)能力的評價。

通過建立精準化評價模型，突出強化學生的主體地位，充分調(diào)動學習積極性和主動性，強調(diào)對實驗過程的評價，并通過這種方式，引導老師不斷更新實驗教學理念，改革教學內(nèi)容和方式，強化對學生學習的深度指導，加強師生交流，激發(fā)學生學習熱情，使老師真正成為學生學習的引導者。

四、結(jié)語

新工科人才培養(yǎng)提出了“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)”人才教育培養(yǎng)目標體系，為加強創(chuàng)新和綜合型實驗建設(shè)以適應新工科建設(shè)內(nèi)涵，針對葉輪機械課程的實驗教學特點，通過建設(shè)綜合實驗教學平臺、構(gòu)建仿真實驗室，利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡化實驗教學平臺和仿真實驗室互為補充的教學模式，建立了精準化評價模型，對專業(yè)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)進行了探索與實踐，推動了新工科的發(fā)展。

參考文獻

[1]夏春琴，劉芫健.新工科背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的探索與研究[J].實驗技術(shù)與管理，2019，17（5）：64-67.

[2]蔡軍，郭鵬.新工科背景下以創(chuàng)新人才為培養(yǎng)導向的實驗教學改革及實踐[J].高教學刊，2019（11）：52-58.

[3]李宗平，陳帝伊，張寧.新工科視角下的高校教學實驗室建設(shè)探索與研究[J].高等農(nóng)業(yè)教育，2019，3（3）：33-36.

[4]蔡燕飛，張旦旦，鞏凱.影響工科本科實驗教學質(zhì)量微觀因素試析[J].教育教學論壇，2020，2（7）：75-76.

[5]朱方，黃勇，戴竹青.高校創(chuàng)新性實驗教學改革實踐與探索[J].教育教學論壇，2020，2（7）：124-125.

[6]李剛，秦昆，萬幼川.面向新工科的遙感實驗教學改革[J].高等工程教育研究，2019（3）：40-45.

[7]王文東，袁小慶，史儀凱.新工科人才培養(yǎng)中基礎(chǔ)實驗教學改革的探索[J].大學教育，2019（7）：30-36.

[8]趙廣，孫濤，楊鳳珍.葉輪機械氣動振動性能耦合實驗臺研制[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28（5）：68-72.

[9]周永明，樓程富.注重學科交叉 培養(yǎng)復合創(chuàng)新人才[J].中國大學教學，2010（8）：16-17.