基于學(xué)科競賽項目的創(chuàng)新性實(shí)驗開發(fā)探討

黃聰，朱志恒，范軍，胡玉秋，張玉穩(wěn)

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安 271018）

培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的大學(xué)生已成為高校人才培養(yǎng)的核心目標(biāo)，而學(xué)科競賽是提高本科教育質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的一項重要舉措[1-2]。學(xué)科競賽可以拓寬大學(xué)生專業(yè)視野，使學(xué)生變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)工程創(chuàng)新思維和工程研究方法，提高解決工程實(shí)際問題的能力，全面提升工科類本科教育教學(xué)質(zhì)量[3]。宛楠等[4-6]對學(xué)科競賽促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)開展了研究。工科類學(xué)科競賽大多數(shù)是基于創(chuàng)新性實(shí)驗展開的，通常是提出一個創(chuàng)新性的想法，然后用實(shí)驗來驗證。創(chuàng)新性實(shí)驗激發(fā)了學(xué)生科技創(chuàng)新的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的研究興趣和團(tuán)隊合作意識[7]。創(chuàng)新性實(shí)驗?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)驗的能力，引導(dǎo)學(xué)生深入了解實(shí)驗、參與實(shí)驗，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維與創(chuàng)新意識[8]。我校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)現(xiàn)開展的創(chuàng)新性實(shí)驗項目較少，無法滿足學(xué)有余力學(xué)生的學(xué)習(xí)要求和專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。針對這個問題，我們嘗試進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗開發(fā)，并用于學(xué)科競賽中，取得了較好的競賽成績和良好的教學(xué)效果。

1 創(chuàng)新性實(shí)驗開發(fā)實(shí)踐

為了參加相關(guān)的專業(yè)競賽，我們開發(fā)了斷橋式自保溫砌塊研制的創(chuàng)新性實(shí)驗。該實(shí)驗研發(fā)的砌塊將用于日光溫室墻體的建造。該實(shí)驗首先要設(shè)計一個斷橋式自保溫砌塊的塊型，需要達(dá)到制作方便、成本低和保溫效果好的目的。斷橋式自保溫砌塊設(shè)計具有創(chuàng)新性，至少滿足實(shí)用新型專利的申報要求。先制作空心砌塊，然后用廢棄聚苯乙烯泡沫制成保溫漿料，填充砌塊空心部分制成自保溫砌塊。為了保證使用該砌塊直接砌筑外墻就能達(dá)到DB37/5026-2014《山東省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[8]對外墻傳熱系數(shù)的要求，該砌塊采用了斷橋式的結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過多次討論，最終確定了S 型斷橋式自保溫砌塊的結(jié)構(gòu)[9]，如圖1所示。

圖1 斷橋式自保溫砌塊結(jié)構(gòu)示意圖

該創(chuàng)新性實(shí)驗包含了下列內(nèi)容：

1.1 斷橋式自保溫砌塊塊型設(shè)計

這個實(shí)驗的主要目標(biāo)是讓學(xué)生熟練使用AUTOCAD 軟件及ANSYS 軟件。要求設(shè)計的砌塊塊型結(jié)構(gòu)簡單、保溫性能好、易于加工。

AUTOCAD 軟件主要用于圖形的繪制、3D 效果圖的制作等。ANSYS 軟件用于設(shè)計砌塊的強(qiáng)度和保溫性能的數(shù)值模擬，獲得強(qiáng)度和保溫性能綜合最佳的砌塊塊型優(yōu)化設(shè)計。

該實(shí)驗鍛煉學(xué)生熟練使用AUTOCAD 軟件基本繪圖命令，并且在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)和使用AUTOCAD 軟件3D 建模，熟悉掌握ANSYS 有限元軟件抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度模擬的步驟和設(shè)置，熟練使用ANSYS 熱模擬模塊來模擬砌塊的熱阻等熱工參數(shù)，從而得到保溫性能的數(shù)據(jù)。

通過這個實(shí)驗，使學(xué)生達(dá)到了熟練使用這兩個軟件的目的，鍛煉了學(xué)生的基本科研技能。

斷橋連接塊的設(shè)計。斷橋連接塊將砌塊斷橋部位連接起來形成整體，是整個砌塊的一個重要設(shè)計，連接材料的選擇是該設(shè)計的重要內(nèi)容。經(jīng)過多次討論，決定采用聚氨酯復(fù)合玻璃纖維增強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 連接塊的結(jié)構(gòu)圖

因為玻璃纖維增強(qiáng)筋具有抗拉強(qiáng)度高（高于同一直徑的鋼筋）、導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)，將該材料與聚氨酯復(fù)合制成連接塊，滿足了斷橋式自保溫砌塊的設(shè)計要求。

該實(shí)驗要求學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，根據(jù)實(shí)驗?zāi)康膩砗Y選連接材料，鍛煉了學(xué)生的工程思維。

1.2 廢棄聚苯乙烯泡沫制作保溫漿料實(shí)驗

學(xué)生可以參照《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)材料》JG/T158-2013[10]來開展這個實(shí)驗，主要測試干表觀密度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、軟化系數(shù)、線性收縮率等指標(biāo)。

通過這個實(shí)驗，學(xué)生明白了可以根據(jù)有關(guān)的規(guī)范來指導(dǎo)新的研究，并且熟悉了保溫材料的一些測試方法和測試儀器的使用，鍛煉了學(xué)生的動手動腦能力和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作態(tài)度。該實(shí)驗可以將固體廢棄物的廢棄聚苯乙烯泡沫資源化利用，為該類固廢的處理提供了一個新的思路。學(xué)生明白了這個重大意義后，做實(shí)驗的積極性更高了。

1.3 砌塊用混凝土配合比實(shí)驗

學(xué)生可以根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JG/J55-2011[11]來進(jìn)行這個實(shí)驗，經(jīng)過該實(shí)驗，學(xué)生可以熟練掌握普通混凝土的配合比的設(shè)計及相關(guān)實(shí)驗的內(nèi)容。然后根據(jù)設(shè)計好的配合比，制作標(biāo)準(zhǔn)式樣來測試抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)。

通過該實(shí)驗，學(xué)生明白設(shè)計的配合比必須滿足設(shè)計和施工要求，而且經(jīng)濟(jì)合理，而不是片面追求強(qiáng)度越高越好。熟悉了配制強(qiáng)度的計算公式、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的計算、水膠比的計算、抗壓強(qiáng)度的計算、摻外加劑時的用水量計算、外加劑用量計算、砂率計算、抗?jié)B抗凍等。這個實(shí)驗涉及的項目多，需要團(tuán)隊成員相互配合完成，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊合作意識。

1.4 斷橋式空心混凝土砌塊模具設(shè)計及砌塊制作實(shí)驗

根據(jù)設(shè)計好的砌塊結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計制作砌塊的模具，要求該模具制作簡單、便于拆卸、成本低。然后根據(jù)設(shè)計好的配合比來制作斷橋式空心砌塊的實(shí)物并養(yǎng)護(hù)。

斷橋式空心混凝土砌塊的制作包括下面的步驟：（1）模具組裝。（2）斷橋塊制作。（3）混凝土配比確定。（4）將配制好的混凝土倒入模具中，振動密實(shí)，養(yǎng)護(hù)。（5）拆模并養(yǎng)護(hù)。

1.5 斷橋式自保溫砌塊抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度實(shí)驗

將制作完成的保溫漿料填入斷橋式空心混凝土砌塊的空心處，便制成了斷橋式自保溫砌塊。待砌塊養(yǎng)護(hù)成型后，即可開展相關(guān)實(shí)驗。根據(jù)《混凝土砌塊和磚實(shí)驗方法》[12]，對在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 天后的多組斷橋式自保溫砌塊進(jìn)行抗壓試驗和抗折實(shí)驗。通過這個實(shí)驗，學(xué)生可以掌握壓力試驗機(jī)的使用方法、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的計算及有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

1.6 斷橋式自保溫砌塊墻體傳熱系數(shù)測定實(shí)驗

將養(yǎng)護(hù)好的自保溫砌塊在HTW-1 型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測儀里面砌好墻，兩邊用M5 水泥砂漿抹平，周邊空隙用泡沫材料填充密實(shí)，如圖3所示。待墻體充分干燥后再進(jìn)行相關(guān)試驗。通過該實(shí)驗，學(xué)生可以熟練掌握傳熱系數(shù)測定儀的操作方法及有關(guān)數(shù)據(jù)的處理方法。

圖3 砌墻測溫設(shè)備

1.7 熱電偶的制作與標(biāo)定

實(shí)驗中用到了溫度傳感器，制作熱電偶。首先實(shí)驗用熱電偶點(diǎn)焊儀制作熱電偶，然后放入恒溫水浴中校準(zhǔn)，利用高精度的數(shù)字萬用表獲得每根熱電偶的溫度-熱電勢的曲線。

通過該實(shí)驗，學(xué)生了解熱電偶的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)制作熱電偶，標(biāo)定熱電偶及數(shù)據(jù)處理的方法。在實(shí)踐中，學(xué)生制作了T 型熱電偶和K 型熱電偶并進(jìn)行了標(biāo)定。

1.8 數(shù)據(jù)采集儀Agilent 34972A 的使用

在熱電偶的標(biāo)定及傳熱系數(shù)測定的實(shí)驗中，需要用到Agilent 34972A 數(shù)據(jù)采集儀。學(xué)生需要熟練掌握該儀器的使用方法，板式熱流計及熱電偶與采集儀的采集板正確的連接方法，以及該采集儀與電腦的通信設(shè)置等。

使用步驟：（1）在電腦中安裝Agilent Benchlink Data Logger 3 程序，（2）用網(wǎng)線連接采集儀和電腦并通信測試，（3）配置通道，（4）掃描及數(shù)據(jù)記錄。

2 創(chuàng)新性實(shí)驗訓(xùn)練的成果

依托山東農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)溫室節(jié)能研究平臺，開發(fā)了斷橋式自保溫砌塊研制的創(chuàng)新性實(shí)驗，并參加了多個學(xué)科競賽項目。先后獲得了首屆“能源智慧未來”全國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎，第十一屆全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽二等獎，第五屆全國大學(xué)生農(nóng)業(yè)建筑環(huán)境與能源工程相關(guān)專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽一等獎，第三屆山東省科技創(chuàng)新大賽一等獎的好成績。

通過該項目，學(xué)生申請了專利《一種斷橋式自保溫混凝土砌塊》并獲得了授權(quán)，專利號2018221641682。在核心期刊發(fā)表了相關(guān)的論文《S 形斷橋式自保溫砌塊的強(qiáng)度和保溫性能研究》。

成績的取得，是對該項目的創(chuàng)新性及具體工作的認(rèn)可。該創(chuàng)新性實(shí)驗，增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力和科研素養(yǎng)，使學(xué)生熟悉了有關(guān)規(guī)范的實(shí)際工程應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維和團(tuán)隊合作精神，取得了良好效果。

3 創(chuàng)新性實(shí)驗開發(fā)的建議

3.1 創(chuàng)新性實(shí)驗的開發(fā)，要與指導(dǎo)教師的科研題目結(jié)合，或者與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目結(jié)合

與指導(dǎo)教師的科研題目結(jié)合，探索研究生帶本科生的模式，能讓學(xué)生快速進(jìn)入研究狀態(tài)。與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目相結(jié)合，指導(dǎo)教師定期檢查學(xué)生實(shí)驗進(jìn)展，讓學(xué)生積極動手、動腦自主解決問題，提高科研水平。指導(dǎo)教師要注意發(fā)揮每個學(xué)生的特長，提前做好任務(wù)分工，定期組織討論，增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊合作意識。這種在學(xué)科競賽中獲得的綜合能力可以使學(xué)生在完成第一課堂繁重任務(wù)的同時，以更多的毅力和恒心去解決其他學(xué)習(xí)、生活、工作中的困難。增強(qiáng)大學(xué)生的科技創(chuàng)新意識，鍛煉大學(xué)生的邏輯創(chuàng)新思維，磨煉大學(xué)生的意志品質(zhì)。豐富大學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗，拓展大學(xué)生與企業(yè)交流的橋梁，積累大學(xué)生創(chuàng)業(yè)的技術(shù)資本。

3.2 學(xué)院和學(xué)校要對教師開發(fā)創(chuàng)新性實(shí)驗、積極指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競賽給予大力支持，充分調(diào)動指導(dǎo)教師的積極性

為了促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)完善校院兩級工作體制和運(yùn)行機(jī)制，加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)，實(shí)行目標(biāo)管理責(zé)任制，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作納入學(xué)院評價指標(biāo)體系，定期對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作進(jìn)行績效考核，加大經(jīng)費(fèi)、場所投入力度，確保每個學(xué)院建有一處大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐場所。加大政策扶持力度，對優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)教師在教學(xué)工作量核算、職稱評聘、評先評優(yōu)等方面給予政策傾斜，設(shè)立專項研究課題，資助教師開發(fā)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程和科研項目。加強(qiáng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)隊伍建設(shè)，加大師資培養(yǎng)和引進(jìn)力度，建設(shè)專兼職結(jié)合的師資隊伍，營造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的濃郁氛圍。

3.3 對積極參加創(chuàng)新性實(shí)驗和學(xué)科競賽的學(xué)生，給予評獎評優(yōu)優(yōu)先的支持，充分調(diào)動學(xué)生的參與熱情，提高教學(xué)的效果

建議對優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)學(xué)生在學(xué)分獎勵、實(shí)踐環(huán)節(jié)認(rèn)定、研究生推免、先優(yōu)評比等方面予以支持。開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)標(biāo)兵、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)之星、優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項目、優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)公司等先優(yōu)評選表彰工作。形成人人愛創(chuàng)新，人人懂創(chuàng)新，人人做創(chuàng)新的良好氛圍。