以研促教的探索與實踐
——以涉農(nóng)高?？蒲谐晒D(zhuǎn)化助推實驗教學(xué)為例

王平智，王朝元，鄭煒超，李保明，蔣秀根，趙淑梅

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京100083)

0 引言

實驗教學(xué)是工科人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，特別是在增強學(xué)生對理論知識的理解、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、動手能力、科學(xué)素養(yǎng)，以及增強學(xué)生理論聯(lián)系實際能力等方面具有不可代替的作用[1]。熱工基礎(chǔ)課程是很多涉農(nóng)高校工科專業(yè)的主干課程、核心課程，是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控的重要基礎(chǔ)，課程內(nèi)容包括傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)，具有知識點多、聯(lián)系緊密、概念抽象、理論性強等特點，因此課程實驗教學(xué)的地位更加突出[2]。但是，傳統(tǒng)熱工實驗往往存在實驗項目少、知識點覆蓋不足、多為單一原理或現(xiàn)象的驗證性實驗，以及實驗儀器設(shè)備陳舊，缺乏時代氣息等問題，導(dǎo)致學(xué)生參與積極性不高，教學(xué)效果不甚理想[3-4]。因此，從課程內(nèi)容和人才培養(yǎng)目標出發(fā)，挖掘優(yōu)秀資源、豐富和優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新實驗平臺及設(shè)備，是一流高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)面臨的重要任務(wù)。

2019年9月29日教育部出臺的《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》明確提出要推動科研反哺教學(xué)，強調(diào)“強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣”[5]。高校既是人才培養(yǎng)的搖籃，也是科學(xué)研究的前沿，高校的科研成果就是最寶貴的潛在課程資源[6]。教師的科研成果包含著創(chuàng)新的內(nèi)容和思想，將其轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)的內(nèi)容，可以讓學(xué)生更好地了解學(xué)科前沿、體會創(chuàng)新思維、學(xué)習(xí)創(chuàng)新過程，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，并增進學(xué)生對產(chǎn)業(yè)的了解，因此，探索科研成果與教學(xué)實踐的結(jié)合，將高水平的科研成果打造成提高教學(xué)水平的助推器，是提高實驗教學(xué)水平的有效途徑之一[7-9]。

鑒于此，在充分檢驗設(shè)備可靠性、方法可行性的基礎(chǔ)上，將溫室覆蓋材料保溫性能測試臺及相關(guān)檢測原理、方法等最新科研成果設(shè)計成面向農(nóng)業(yè)建筑環(huán)境與能源工程專業(yè)的熱工基礎(chǔ)等課程的綜合性實驗，期望通過這種改革與探索，把相關(guān)最新科研成果及時轉(zhuǎn)化到實驗教學(xué)中，豐富實驗教學(xué)的內(nèi)容、手段和方法，增強實驗教學(xué)內(nèi)容的綜合性、前沿性和創(chuàng)新性，促進學(xué)生對理論、概念、知識的理解、融合、應(yīng)用和拓展，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的實驗動手能力、解決實際問題能力、創(chuàng)新實踐能力，為未來更好服務(wù)鄉(xiāng)村振興打好基礎(chǔ)。

1 科研成果簡介

1.1 研發(fā)背景

日光溫室是我國特有的溫室形式，是北方冬季新鮮蔬菜瓜果供應(yīng)的重要保障，具有保溫好、效益高等優(yōu)點[10]。日光溫室冬季通?？梢栽诤涞貐^(qū)實現(xiàn)不加溫或少加溫條件下的果菜生產(chǎn)，這與它的獨特構(gòu)造和前屋面夜間覆蓋保溫被的措施是分不開的，因此提升保溫被的保溫性能，對日光溫室的冬季安全生產(chǎn)具有重要意義[11]。然而，由于可用于加工保溫被的原材料繁多，有相當一部分來自于廢舊物品的回收利用，這就導(dǎo)致保溫被的原料化學(xué)組成雜亂，無法根據(jù)材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)來判斷其保溫能力，進而也就無法從原材料來推斷保溫被的保溫性能。同時，由于一直以來也沒有保溫被保溫性能的科學(xué)檢測方法，在很長一段時間內(nèi)，保溫被的生產(chǎn)一直處于無序狀態(tài)。正是在這種背景條件下，基于傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)的理論，在公益性行業(yè)科研專項“適合西北非耕地園藝作物栽培的溫室結(jié)構(gòu)與建造技術(shù)研究與示范(201203002)”等項目的資助下，研發(fā)了國內(nèi)首臺溫室覆蓋材料保溫性能測試平臺，并在驗證、優(yōu)化的基礎(chǔ)上進行了推廣應(yīng)用，同時研究制定了《溫室覆蓋材料保溫性能測試標準》(NY/T 1831—2009)[12-16]。

1.2 技術(shù)原理

研發(fā)的溫室覆蓋材料保溫性能測試臺采用靜態(tài)熱箱法，其原理如圖1所示[12，15]。

1.熱箱 2.冷箱 3.冷輻射板 4.風機 5.試件 6.熱輻射屏蔽 7.加熱裝置 8.絕熱箱體圖1 靜態(tài)熱箱法示意Fig.1 Schematic diagram of static hot box method

靜態(tài)熱箱法的測試裝置主體主要包括熱箱和冷箱兩個部分，其作用是分別模擬覆蓋材料使用時的溫室內(nèi)、外環(huán)境。測試的試件即放置于冷箱和熱箱的交界面處，其中，圖1a所示為測試單層覆蓋材料，圖1b所示為測試雙層或多層覆蓋材料的情況。熱箱內(nèi)設(shè)置加熱裝置，配之以冷箱中的調(diào)溫裝置，可調(diào)控冷箱和熱箱中的空氣溫度。各箱壁采用絕熱良好的材料制作，以盡量減少環(huán)境溫度變化對箱內(nèi)的影響，盡量減少熱箱中通過箱壁傳出的熱流量。在測試系統(tǒng)持續(xù)運行達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，冷箱與熱箱中的空氣溫度達到預(yù)定值，箱體內(nèi)各部件及箱體表面溫度均達到穩(wěn)定的情況下，測定熱箱中的加溫熱流量與通過箱壁傳出的熱流量，則可以計算通過覆蓋材料傳出的熱流量，再結(jié)合試件面積與冷箱、熱箱間的空氣溫度差，即可計算得出試件的傳熱系數(shù)等相關(guān)傳熱特性參數(shù)。模擬的試件傳熱過程，涵蓋了導(dǎo)熱、對流和輻射3種傳熱方式，而傳熱系數(shù)的計算依據(jù)是穩(wěn)態(tài)傳熱理論，因此本測試平臺與熱工基礎(chǔ)課程內(nèi)容高度契合。

1.3 測試臺構(gòu)造

基于上述原理，測試臺主體由計量熱箱和冷箱組成，其中安裝了加熱、制冷、除濕，以及風機和氣流整流裝置，構(gòu)造如圖2所示。其中，上部為冷箱，模擬溫室外環(huán)境，下部為計量熱箱模擬溫室內(nèi)環(huán)境。

計量熱箱的頂部安放待測的覆蓋材料試件，其余4個側(cè)面和底面做絕熱處理，使計量熱箱內(nèi)的大部分熱量通過試件向外散出。在計量箱頂部，安裝模擬室外天空的天空輻射板；依靠冷箱內(nèi)設(shè)置的軸流式風機模擬覆蓋材料使用時的室外氣流。

2 綜合實驗設(shè)計

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

通過動手操作溫室覆蓋材料測試平臺，開展溫室保溫被、塑料薄膜等覆蓋材料的性能測試及數(shù)據(jù)分析，引導(dǎo)學(xué)生思考實驗過程中的一些關(guān)鍵問題及解決方法，增強學(xué)生對導(dǎo)熱、對流和輻射3種傳熱方式，熱導(dǎo)率、傳熱系數(shù)、熱阻等概念及其影響因素的感性認識，啟發(fā)學(xué)生分析傳熱系數(shù)及熱阻在生產(chǎn)實踐中的意義，從而加深和鞏固學(xué)生對理論知識的理解、掌握、應(yīng)用與拓展，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強化學(xué)生解決實際問題的能力、動手操作能力及創(chuàng)新實踐能力。

2.2 實驗教學(xué)內(nèi)容

2.2.1 實驗說明

介紹實驗?zāi)康摹y試內(nèi)容、測試原理、實驗臺構(gòu)造、數(shù)據(jù)測試及分析方法、課程要求等。

在此過程中，請學(xué)生思考，測試系統(tǒng)中的導(dǎo)熱、對流和輻射3種傳熱方式是如何實現(xiàn)的？系統(tǒng)是如何實現(xiàn)目標溫度控制的？

2.2.2 實驗準備

測溫熱電偶零點標定。在保溫瓶中加滿碎冰與水的混合物，其中碎冰宜占有1/3～2/3的高度，將熱電偶參考點浸入冰水混合物中，其結(jié)點的位置宜在冰水表面以下30～60 mm。測試前應(yīng)攪動冰水混合物，使其混合均勻。

1.下加熱裝置 2.防護箱 3.計量熱箱 4.斜支撐 5.調(diào)平墊框 6.后整流裝置 7.方鋼骨架 8.冷箱 9.除濕裝置 10.前整流裝置 11.制冷回液管 12.天空輻射板 13.風機 14.上加熱裝置 15.制冷進液管 16.觀察窗 17.隔板 18.待測試件 19.滾輪 20.導(dǎo)軌圖2 測試臺構(gòu)造Fig.2 Structure of test board

在此操作中，重點思考此標定方法的原理是什么？

2.2.3 試件安裝

拉出計量熱箱，將覆蓋材料試件安裝于熱箱上部開口處。單層材料的上表面應(yīng)與熱箱上表面平齊(圖3a)；雙層或多層材料試件，各層應(yīng)分別安裝固定，其最上層上表面與熱箱上表面平齊(圖3b)。

試件周邊應(yīng)采用絕熱填充材料填充空隙，并用膠帶進行密封固定。對于軟質(zhì)材料，為避免中部下垂，應(yīng)采用帶有張緊細線的試樣框。安裝完成后，將計量熱箱推入就位。

在此操作中，請學(xué)生思考如果試件周邊不密封會導(dǎo)致什么問題？

2.2.4 測試條件設(shè)定

綜合考慮溫室實際使用情況，按相關(guān)標準將測試條件設(shè)定如下[15]。

天空冷輻射板平均溫度：-22～-18 ℃。

熱箱內(nèi)平均空氣溫度：22～26 ℃。

冷箱內(nèi)平均空氣溫度：-4～0 ℃。

覆蓋材料表面氣流速度范圍：(4.0±0.8)m/s；其平均值：(4.0±0.2)m/s。

在此操作中，重點思考相關(guān)標準中為何將測試條件設(shè)定為上述參數(shù)？

2.2.5 實驗操作程序

(1)打開除濕系統(tǒng)空氣開關(guān)，啟動除濕系統(tǒng)，關(guān)好測試臺箱門。打開風機開關(guān)和風機變頻器空氣開關(guān)，使風機運行。待排水管無水流出且冷箱內(nèi)氣溫降低到5 ℃以下時，關(guān)閉除濕系統(tǒng)。

(2)將風機變頻器調(diào)節(jié)到風速為4.0 m/s的頻率，啟動風機和制冷系統(tǒng)，使冷板平均溫度在-22～-18 ℃。

(3)啟動冷箱和熱箱的加熱系統(tǒng)。將熱箱自動控制溫度調(diào)節(jié)為24 ℃，冷箱自動控制溫度調(diào)節(jié)為-2 ℃。監(jiān)測熱箱的加熱功率。

(4)打開銅-康銅熱電偶的溫度采集系統(tǒng)。每隔30 min采集一次各點的溫度數(shù)據(jù)，只有當各點3次連續(xù)采集溫度的最大值和最小值的差值<0.2 ℃，同時該3次測得的溫度值不是單調(diào)的上升或單調(diào)下降時，可認為測試達到了熱穩(wěn)定狀態(tài)。檢查設(shè)備的其他運行參數(shù)是否滿足標準測試條件。反復(fù)調(diào)整，直到同時滿足要求。

(5)測定熱箱內(nèi)的空氣溫度、冷箱內(nèi)的空氣溫度、熱箱內(nèi)外壁面溫度及熱箱內(nèi)部加熱器的加熱功率；30 min后再測量一次。分別計算傳熱系數(shù)，兩次測試所得的傳熱系數(shù)值與平均值相比應(yīng)≤±1.0%。反復(fù)測試，直到滿足要求。

2.2.6 試件傳熱系數(shù)與傳熱阻的計算

根據(jù)傳熱學(xué)原理，試件的傳熱系數(shù)可按式(1)計算。

(1)

式中K——覆蓋材料傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

Φp——熱箱中的加熱功率，W

A——試件面積，即覆蓋材料試件兩側(cè)分別與熱箱空氣與冷箱空氣均接觸部分的面積，m2

th，tc——熱箱內(nèi)空氣溫度和冷箱內(nèi)空氣溫度，℃，分別取各自箱內(nèi)空氣溫度測點數(shù)據(jù)的平均值

twi，i——熱箱壁各內(nèi)表面平均溫度，℃

two，i——熱箱壁各外表面平均溫度，℃

Aw，i——熱箱各壁面面積，m2

Rw，i——熱箱各壁板導(dǎo)熱熱阻，(m2·K)/W

圖3 待測試件安裝圖Fig.3 Installation diagram of test material

根據(jù)熱阻與換熱系數(shù)關(guān)系，可以按式(2)計算出熱阻。

R=1/K

(2)

式中R——覆蓋材料的傳熱阻，(m2·K)/W

在此過程中，重點思考傳熱系數(shù)與熱阻的物理意義及其在生產(chǎn)實踐中的意義。

3 做法與成效

從2017年開始，開展了將項目成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用到本科生熱工基礎(chǔ)等課程實驗教學(xué)的改革，并在4年的教學(xué)實踐中不斷充實和完善，取得了滿意的成果。

3.1 抽象概念生動化，促進學(xué)生對理論知識的理解、掌握與運用

在傳熱學(xué)的理論課中，學(xué)生學(xué)習(xí)了熱量的傳遞是通過傳導(dǎo)、對流和輻射3種方式來實現(xiàn)的，但是對導(dǎo)致這3種方式傳熱的機理，缺少感性認識。在本實驗中，通過對測試臺構(gòu)造和原理的學(xué)習(xí)，使得抽象的理論與物化的設(shè)備建立聯(lián)系，從而加深了學(xué)生對理論基礎(chǔ)知識的理解，幫助學(xué)生學(xué)會理論知識的運用；特別是實驗過程中，學(xué)生會認識到在熱箱溫度測量時，電加熱裝置發(fā)射的紅外輻射會使檢測到的空氣溫度高于實際溫度，而通過使用防輻射罩就可以消除干擾，可以進一步直觀感受輻射的作用。另一方面，學(xué)生也可體會到，對于不同材料生產(chǎn)的保溫被，因材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，其導(dǎo)熱能力是不同的，要想更好地提高溫室內(nèi)部的溫度，需要使用低熱導(dǎo)率材料來制作保溫被，即降低保溫被的傳熱系數(shù)，提高保溫被的熱阻，這樣，就可以使學(xué)生更加感性地從傳熱學(xué)的角度理解保溫被這一覆蓋材料的保溫原理，以及傳熱系數(shù)和熱阻等對溫室生產(chǎn)的實踐意義。

另外，通過對用同一材料制作的不同含水率的保溫被保溫性能的測定實驗，學(xué)生會得到“含濕量越高、密度越大，熱導(dǎo)率越大，其他傳熱條件相同的情況下，其保溫性能越差”的測試結(jié)果，從而加深了學(xué)生對材料熱導(dǎo)率及其影響因素的理解，也會啟發(fā)學(xué)生認識到冬季生產(chǎn)過程中保持保溫被干燥對溫室保溫的意義。

3.2 理論知識具體化，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

在涉及測試系統(tǒng)的PID控制理論時，課堂教學(xué)往往會先介紹PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成，然后分別講授P、I、D的作用，這會比較抽象。在本實驗教學(xué)過程中，結(jié)合熱箱溫度控制講解P、I、D的作用，學(xué)生就很容易理解每個參數(shù)作用。比如，為使熱箱內(nèi)空氣溫度保持在24 ℃的目標溫度，這時如果熱箱內(nèi)部的空氣溫度比設(shè)定值低很多，在P的作用下，就會讓加熱器“開足馬力”工作，盡快讓熱箱內(nèi)的空氣溫度達到目標附近；但是，僅靠P的作用，熱箱內(nèi)部的空氣溫度會在24℃附近來回抖動，很難穩(wěn)定，就像一個彈簧，在平衡位置時用手拉它一下，它就會振蕩起來，需要很長時間才能回到平衡位置。而D的作用，就是減少振蕩，使溫度的變化速度趨于零；在D的作用下，會使熱箱內(nèi)部的空氣溫度保持在一個穩(wěn)定的值。但是，這里也有一個問題，就是這一穩(wěn)定的值也未必就是設(shè)定的目標溫度，因為在P的作用下，熱箱內(nèi)部的空氣溫度會慢慢上升，在接近24℃時(如23 ℃)加熱功率會變小，這時，如果加熱器產(chǎn)生的熱量和通過保溫被散發(fā)的熱量相等，在D的作用下，熱箱內(nèi)部的空氣溫度就會停留在23 ℃，永遠到不了設(shè)定的24 ℃。于是，這時候就需要I的出場，來完成將熱箱內(nèi)部空氣溫度穩(wěn)定在24 ℃的任務(wù)。I是一個積分量。盡管23 ℃和24 ℃相差不太大，但是隨著時間的推移，只要沒達到目標溫度，這個積分量就不斷增加；當增加到目標溫度，假設(shè)溫度沒有波動，積分值就不會再變動。這時，熱箱中加熱器的加熱功率仍然等于通過保溫被散熱功率，但是可以使熱箱中的空氣溫度始終保持在24 ℃。

通過利用此實驗平臺的演示和上述層層遞進、深入淺出的講解，PID控制系統(tǒng)中的P、I和D的作用就被形象地刻畫出來，大大加深了學(xué)生對PID控制系統(tǒng)的理解和印象，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.3 表面現(xiàn)象深入化，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力

在實驗過程中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)加熱器的加熱功率經(jīng)常出現(xiàn)波動，哪怕是使用了交流穩(wěn)壓器也無法完全改變加熱功率波動的現(xiàn)象，導(dǎo)致測試結(jié)果不準確，基于這一現(xiàn)象，讓學(xué)生思考問題所在及解決問題的方法。在充分思考的基礎(chǔ)上給出原因，即電壓的波動導(dǎo)致了功率的波動，比如在加熱功率只有30 W的情況下，功率的波動即使只有2～3 W，也是相對較大的波動，從而導(dǎo)致實驗結(jié)果的較大偏差。然后，再進一步給出解決此問題的方法，即為了避免因電壓波動對實驗結(jié)果造成影響，將加熱系統(tǒng)由交流供電改為直流供電；這樣一來，設(shè)備的加熱功率即使達到320 W的最大加熱功率，波動也只有±0.1 W，極大地提高了測試精度。

一個問題點的聚焦和深入，不僅讓學(xué)生學(xué)到了相應(yīng)的專業(yè)知識，也拓展了學(xué)生思維方式和專業(yè)視野，促進了學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。

4 結(jié)束語

目前我國已進入向創(chuàng)新型國家邁進的進程中，創(chuàng)新型人才培養(yǎng)是教育界普遍面臨的挑戰(zhàn)和任務(wù)，因此，本研究開展了將最新科研成果及時轉(zhuǎn)化為本科生實驗教學(xué)的探索，至今已在4屆、約200名本科生的教學(xué)過程中進行了實踐，獲得了學(xué)生的廣泛認可與歡迎；特別是通過學(xué)生實驗過程的參與積極性、操作過程的表現(xiàn)、問題提出與思考，以及實驗后的分析和總結(jié)等，發(fā)現(xiàn)這一教學(xué)改革和探索，能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的思維方式，促進學(xué)生對抽象概念的理解和對理論知識的掌握，提升學(xué)生的動手能力和解決問題能力，為涉農(nóng)高校工科專業(yè)的實驗課程改革及創(chuàng)新人才核心能力培養(yǎng)提供參考。