实验室面向毕业设计开放

2013-07-19韩东太宋正昶

实验室研究与探索 2013年1期

韩东太，宋正昶，陈宁，晁阳

(中国矿业大学电力学院，江苏徐州221116)

0 引言

毕业设计是提高学生实践应用能力和创新能力的重要教学环节，它不仅能够反映个体的全面素质，而且在总体上也能够折射出学校的办学水平实验室和教学质量［1］。毕业设计对学生培养所起的作用，从智力因素上讲，可以帮助实现三个转变:从“学会”到“会学”的转变，从“会学”到“会用”转变，从“会用”到“会创”的转变，毕业设计是它们之间转化的平台和接口［2］;从非智力因素上讲，毕业设计有助于品质和素养的养成，比如持之以恒的钻研精神，谦虚谨慎的工作作风和严谨求实的科学态度，协同合作的团队精神。

1 当前毕业设计存在的突出问题

1.1 选题与实践脱节，缺乏创新

近几年来，由于高校扩招，学生人数急剧增加，每名教师平均指导十几名学生，很难做到1 人1 题，选题题目陈旧，重复性高［3］;新进的青年教师学历层次较高，但由于缺乏工程实践背景和教学经验，一般选题避实就虚，或沿以往的研究课题和兴趣来选题，忽略了学生自身的理论知识技能，学生选题之后不知道自己的毕业设计内容该做什么，无所适从。

1.2 指导教师、学生双方精力投入不够

根据教学计划，毕业设计一般在大学四年级最后一个学期［4］，在此期间，有的学生四处求职应聘，有的学生埋头考研或公务员考试，有的签约单位还要求提前上岗实习，多方因素致使学生无暇全身心投入毕业设计，另一方面，指导教师集中指导10 多名学生毕业设计的同时还要承担其他的教学科研任务，精力有限。繁重的教学科研任务、就业形势的冲击、考研压力造成教师和学生双方都无法全身心地投入毕业设计。

1.3 缺少真实的工程环境、真实课题

高校扩招，教育资源并未按相应的比例增加，毕业设计缺乏应有的环境条件，包括场地紧张、设备陈旧、经费投入不足、实习单位困乏等因素［5］。毕业设计选题虽然有真实工程背景，但无法经实践检验，只能将设计内容虚拟化、模拟化，学生只需参照或直接照搬设计手册中的案例，套用其中的公式和图表，就可以完成毕业设计任务［6］，更有甚者，有的干脆对往届毕业生的设计论文和图纸略作改动，由参考变为“参抄”，造成毕业设计质量下滑严重。

2 毕业设计与实验室建设相结合的必要性

高校实验教学和毕业设计一样，是培养学生创新能力的重要环节。实验室开放建设的目标是改变演示性实验、验证性实验为主的传统实验教学模式，构建由设计性与综合性创新实验组成的实践教学新体系，与毕业设计的最终培养目标向一致［7-9］。传统的实验课以演示性、验证型为主，实验手段落后，综合设计性开放实验开出率低，很难激发学生兴趣低，学生独立分析，自主设计实验方案的主观能动性没有得到充分挖掘，并且缺乏高水平教师的指导，以及有效的监督考核评价体系［10-11］。实验室向毕业设计开放，毕业设计与实验室建设相结合，既可以提供理论联系实际的工程环境，让学生在开放的环境中进行学习和创新训练，培养学生创新能力和实践能力，提高毕业设计质量，又可以促进实验室开放建设，提高专业实验教学质量。

3 实验室面向毕业设计开放的实践

课题组以电力学院热能动力工程专业为试点，结合电力学院下属能源与动力工程实验中心的现状，从2009 年起，由专业课教师和实验室技术人员组成课题组，探索毕业设计与实验室相结合的新模式。经过3年的实践，效果显著。课题组指导的毕业设计论文连续3 年都获得了省级和校级“优秀毕业设计论文”，毕业设计有3 项作品在全国大学生节能大赛获奖，1 项获得全国大学生“挑战杯”竞赛二等奖，公开发表11篇学术论文，其中有2 篇被EI 全文检索，6 名同学先后免试推荐为研究生;实验室新开发了16 个自主设计型创新实验，包括“传热学”和“热工仪表”课程虚拟实验。研制完成了6 台自制实验设备，其中毛细管换热试验台获得了中国矿业大学自制实验设备二等奖，另外两台获得了三等奖。

3.1 选题提前到大三第1 学期

课题组将选题提前到大学三年级第一学期，学生的公共基础课已经完成，进入专业课学习阶段，对所学的专业具有浓厚的兴趣，课程任务并不重，自由支配时间较多［12］。毕业设计选题与实验室教学改革相结合、与自制实验设备相结合、与开发创新实验相结合，由国家修购专项、实验室开放基金、教改项目提供经费保证，能源与动力工程实验中心成立大学生创新实验室，提供基本实验条件。课题组按照学生自愿报名、任课教师推荐、指导教师择优挑选的原则，安排选题。首先由课题组在学院网页上公布实验研究课题目录及指导教师名单，学生根据研究课题目录，在网上选择自己感兴趣的题目，也可自行拟订题目，实验室根据选题情况进行分组，落实指导教师，并通知学生，学生在教师指导下拟定实验计划［13］。选题阶段的关键是实验计划，内容包括:实验的研究意义、实验原理、实验目的，并附主要参考文献及出处、实验目标、拟采取的实验方法、技术路线、实验方案及可行性分析等内容。

选题时不能简单地套用依托的项目名称，因为科研项目受客观条件的限制，其目标主要定位在项目任务的完成，与本科设计的培养初衷有一定分歧［14］。其次，就项目本身而言，一般都是学科交叉，涉及知识面宽，有一定的深度，靠学生独立完成显然不现实［15］。课题组需要对课题进行筛选甄别，从教学角度出发，对研究内容作适当改动，或从项目可执行力考虑，将一个项目分解成若干个毕业设计题目，由团队分工协作，共同完成。选题既有利于培养学生的科研实践能力，降低了难度和风险，又有利于完成科研任务。学生真题真作，会具有高度的责任感和成就感，极大发挥主观能动性和潜能，全身心融入到科研实践当中去。

3.2 指导教师督、导并重，鼓励大胆创新

指导教师在整个毕业设计过程，充当一个监督和向导的角色，为保证毕业设计的顺利进行和毕业设计(论文)质量，课题组组织指导教师在论文开题、中期检查、论文评阅、预答辩、答辩等几个重要环节共同参与会商，严格把关。在设计过程中让学生唱主角，充分发挥学生的主观能动性，给学生以自由发挥的空间［16］。开题时，教师重点对技术路线和实验计划进行评估，提出质疑，帮助学生优化设计方案，保证其正确性和可行性。实验过程中有时会出现一些前期未曾考虑的因素和意外的实验结果，指导教师要及时发现问题，鼓励学生大胆思考，拓宽思路，及时对技术路线提出调整和修改意见，解决问题。实验结束时，指导教师应帮助学生对实验数据进行分析和整理，并对论文的规范进行必要的指导。

3.3 组建毕业设计团队，发挥协同效应

组建毕业设计团队目的是成员分工合作，共同开展实际项目研发，在实践中培养学生的团协作意识和能力。学生在完成个人子课题同时，与其他同学进行交流，分享他人的经验和成果，全面了解项目涉及的各个领域，可以达到事半功倍的效果。依托能源与动力工程实验中心现有的实验条件，以大学生科研训练计划、实验室开放建设教学改革项目为支撑，课题组组建了2011 届热动专业综合实验毕业设计创新团队。设计分为基于理论和实践相结合的强化换热实验和基于“传热学”、“动力测试技术及仪表”两大专业主干课程的虚拟实验室建设两大方向。题目分别为:“非对称肋管强制对流传热实验和数值模拟”、“管内插入物对流传热强化实验研究及分析”、“传热学虚拟实验设计”以及“动力测试技术及仪表虚拟实验设计”四个子课题。前两个课题需要设计搭建两个创新实验台—“非对称肋管强制对流换热实验”和“管内插入物对流传热强化实验台”，两者有很多共同点，比如水箱的设计、球阀的连接等等。在虚拟化设计时，需要采集前面两个课题的实际试验数据作为设计参数，使软件运行结果真实可靠，达到虚拟现实的目的。同时强化传热实验需要借助于后者的数值模拟软件，借助于数值模拟，真实的模拟出实验台强制对流传热的流场，从理论上验证了实验的结果。整个团队成员既有分工又有协作，最终交上一份令人满意的答案，每个人都很好地完成了各自负责的子课题，并且都顺利通过了申优答辩，被推荐为2011 年“省级优秀毕业设计创新团队”。团队的物化成果如图1 ～4 所示。

图1 非对称肋管强制对流传热实验台

图2 管内插入物对流传热强化实验台

图3 《传热学》课程虚拟实验设计

图4 动力测试技术及仪表虚拟实验设计

3.4 结合实验教学改革，促进实验室开放

课题组通过对已有的实验进行更新改造、自制实验台、学生自拟题目为切入点开展毕业设计，开发完成了20 个综合设计性实验，每学年增加了6 000 实验人时数。传统的压力表校核实验、流量测量实验都是机械式测量，误差较大，通过毕业设计，引入传感器等现代测量技术，完成对实验的现代化改造;学生通过在离心风机性能实验台的风道里设计加装了各种节流元件，不仅可以进行常规的风机性能实验，还可以进行流场阻力性能实验。电厂仿真实验室以往只能按照操作规程进行电厂机组启动和停止操作，课题组指导学生通过毕业设计开发出机组各种故障和事故诊断及对策模拟实验。依靠教师纵向项目开发的斯特林发动机实验台、对旋风机振动实验台、新型太阳能集热器也已对低年级学生进行开发。学生自拟题目自主设计的通风管道在线测量机器人现场演示获得成功，被推荐为“江苏省优秀毕业设计”。