由“振荡水柱式波浪发电装置设计实验”谈如何有效开展大学生创新实验计划

包兴先，李昌良，张 敬，刘志慧

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

由“振荡水柱式波浪发电装置设计实验”谈如何有效开展大学生创新实验计划

包兴先，李昌良，张 敬，刘志慧

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

结合中国石油大学(华东)船舶与海洋工程专业大学生创新实验课题“振荡水柱式波浪发电装置设计实验”的实践，分析当前大学生创新实验计划存在的问题，从搭建平台、构建训练体系、角色定位及建立监督评价机制等方面给出建议。

海洋工程；创新实验；实践教学；波浪发电

大学生创新实验计划是高等学校本科教学“质量工程”的重要组成部分，旨在培养学生的创新精神，提高学生的综合素质。近年来，为了提高学生的实践创新能力，很多高校在人才培养方案，特别是实践教学等方面进行了改革[1-3]。大学生创新实验计划是实践教学的重要组成部分，随着该计划的持续开展，对其进行的改革和探索也在深入[4-6]。中国石油大学(华东)大学生创新实验计划项目分为国家级、校级和院级三级资助，按照“兴趣驱动，学生为主，注重过程”的理念，推进以学生为主体的人才培养模式改革，提高大学生的实践创新能力。我校船舶与海洋工程专业是山东省高等学校的特色专业，培养的学生就业主要面向海洋工程结构设计与制造行业。大学生创新实验项目的开展对加强学生海洋工程实践素质，培养学生的创新能力具有重要意义。但是由于诸多问题的限制，如学生参与积极性不高、学生的主体作用未能凸显、项目过程管理机制不健全等，导致创新实验水平不高，学生的科技创新能力相对较低。

以“振荡水柱式波浪发电装置设计实验”为题，设立了校级创新实验项目，4名大二学生参与项目研究。结合创新实验计划实施过程中的经验和体会，对更好地开展大学生创新实验计划提出几点建议。

1 大学生创新实验计划的实践

1.1 振荡水柱式波浪发电原理

振荡水柱式波浪发电装置是目前开发程度较高的波浪能转换装置，主要由气室、输气管道、透平与发电机组构成[7-8]。气室为半淹没状态的空腔结构，气室前壁下方与海水相连，气室后壁上方有输气管道，连接透平与发电机组。波浪向气室推进，当波峰接近气室前壁时，水进入气室，推动室内水位上升，上升的水位使室内气压增加，气室内空气通过输气管道高速喷出。当波谷接近气室前壁时，水从气室抽出，室内水位下降，下降的水位使室内气压降低，外面空气通过输气管道高速进入气室。流出流进的气体将推动透平旋转，从而带动发电机发电。

1.2 发电装置设计与制作

气室形状参量是影响振荡水柱式波浪发电装置工作性能的重要因素。在项目进行过程中，学生自主设置气室形状参量，自己摸索掌握发电装置性能的影响规律，对学生的实践能力、问题探究能力及创新思维的提高具有重要意义。本实验装置采用的气室形状参量主要包括气室高度和底坡角度。

气室模型各部分由有机玻璃制作并粘合而成, 如图1所示。有机玻璃厚度为0.01 m，气室长为0.50 m、宽为0.38 m，气室上部设置3层“抽屉式”挡板，可以调节气室高度为0.405、0.475和0.55 m。在气室底部设置了斜坡板，斜坡板在槽状轨道内滑动，可改变底坡角度为30°、45°和60°。

图1 振荡水柱式波浪发电实验装置

1.3 实验实施

实验在中国石油大学(华东)船舶与海洋工程实验室中的小型波浪水槽内进行，如图2所示。水槽整体是钢结构和有机玻璃材质，长约15 m、宽0.4 m，深0.5 m，如图2a)所示。水槽一端安装有机械摇杆推板造波机，另一端有消波设施。数据采集系统采用DH5922动态测量设备和DHDAS动态信号采集分析系统。DHDAS系统可以将DH5922设备传来的电压信号传输给计算机进行处理，获得实时电压数据。

图2 振荡水柱式波浪发电装置实验

为探讨不同气室形状参量对发电装置性能的影响规律，考虑3种气室高度(530、475、405 mm)、3种底坡角度(30°、45°、60°)及2种波高(29、18 mm)情况，共12个实验工况，见表1。实验静水深280 mm，实验装置的波浪入口在静水面以下60 mm。连续采集的波峰个数为15～20个。每个工况下的实验重复3次，以消除外界环境、实验仪器引起的系统误差，取3次结果的平均值为最终实验结果。对12个工况分别进行电压信号采集与处理，得到各个工况下输出电压随时间变化情况，并得到峰值电压的均值。

表1 各实验工况下输出电压一览表

比较表1各工况下的峰值电压均值，得到以下结论。

1)气室高度对振荡水柱式波浪发电装置性能的影响。通过比较波高一定、底坡角度一定、气室高度变化的情况下3组工况(01、02、03)、(04、05、06)和(07、08、09)的峰值电压均值，由此发现：随着气室高度减小，输出电压值增大，发电装置的发电性能提高。气室高度为405 mm时，发电机输出电压值较大，此时发电性能较好。

2)底坡角度对振荡水柱式波浪发电装置性能的影响。通过比较波高一定、气室高度一定、底坡角度变化的情况下4组工况(01、04、07)、(02、05、08)、(03、06、09)和(10、11、12)的峰值电压均值，由此发现：随着底坡角度增加，发电装置的发电性能下降。底坡角度为30°时，发电机输出电压值较大，此时装置的发电性能较好。

3)波高对振荡水柱式波浪发电装置性能的影响。通过比较气室高度一定、底坡角度一定、波高变化的情况下3组工况(03、10)、(06、11)和(09、12)的峰值电压均值，由此发现：随着波高的减小，输出电压值减小，这说明在一定的范围内，波高对装置的性能有明显的影响。

事实上，在对振荡水柱式波浪发电装置性能研究时，还需要对气室高度、底坡角度、波高、周期以及不同气室形状参量的组合等对气室工作性能的影响进行更为深入的研究。本实验装置选取了几种典型工况进行研究，旨在增强学生的感性认识，提高学生的实践动手能力，培养学生的创新意识。本实验装置的进一步优化设计与开发，可作为毕业设计题目等进行研究。

在项目实施过程中，学生充分发挥主体作用，自主设计实验装置、制定实验方案、分析实验数据、讨论实验结果、总结规律。指导教师只负责把握研究的大方向，在学生遇到困难的时候适时点拨。充分为学生提供实验条件，创造动手实践机会，鼓励学生不怕失败，勇于尝试，总结经验，让学生在实践中开拓思维，在发现问题和解决问题的过程中提高综合素质。

2 对大学生创新实验计划的思考

大学生创新实验计划对培养大学生学习的积极性和主动性，激发创新思维和创新意识，提高其综合素质和实践能力方面有着重要意义。但是由于诸多问题的限制，如学生参与积极性不高、老师“帮办”过多，学生的主体作用未能凸显、项目过程管理机制不健全等，导致创新实验水平不高，学生的科技创新能力相对较低。结合创新实验计划实施过程中的经验和体会，对更好地开展大学生创新实验计划提出几点建议。

1)营造校园创新氛围，提高学生的参与度。目前的大学生创新实验参与度不高，主要是成绩较好的少部分学生，缺少相应的激励措施，未能广泛提高学生的参与积极性。建议学校定期邀请校内外教授、企业专家做科研讲座，讲授学科前沿、行业动态，鼓励学生积极参与科研实践活动；建立科技社团，鼓励学生自发、主动地参与到创新实验活动中来；学校加强与企业的双向协作。中国石油大学(华东)与周边的中海油青岛海工基地、中石油海工事业部、青岛北海船厂、青岛武船重工、烟台中集来福士海洋工程有限公司、胜利石油海油钻井公司等建立了良好的合作关系，可为船舶与海洋工程专业学生的实践提供得天独厚的条件。同时全校所有实验教学中心、各级各类实验室均向参与项目的学生免费开放；对创新实验项目通过验收者，可记一定数量的科技创新学分，对结题优秀者在推免研究生时给予一定的附加分；搭建创新实验计划成果展示、资源共享的平台，发挥带动和辐射作用，营造校园创新文化氛围。

2)提前布局，贯穿始终，构建多层次、系统性的创新实验训练体系。大学生创新能力的训练是一个有序的、系统的过程。为激发学生热情，唤醒学生的创新意识，提高学生的创新能力，为大学生创新实验项目开展提前布局，需要建立多层次、贯穿大学四年的创新能力训练体系。在大一学生中主要开展学术讲座，以普及知识、营造氛围、唤醒学生的创新意识；在大二学生中主要开展科研竞赛，强化学生专业知识的综合运用能力；在大三学生中主要开展科研立项，如大学生创新实验项目申报等，需要在专业老师的指导下进行科研训练；在大四学生中主要开展研究能力的深层次培养，特别是为有志于考研的同学提前进行研究生基本科研技能的培训。

3)突出学生主体作用。在创新性实验项目的实施过程中应发挥教师的辅导作用，强化学生的主体地位。学生需要自己制定项目实施计划，做好成员分工，定期组织讨论会，总结项目进展情况、存在的问题、讨论解决问题的思路和方法，并定期向指导教师汇报项目进展情况。指导教师只提供思路和建议，鼓励学生不怕挫折，敢于尝试，在必要时及时点拨，指明方向，切不可“包办代替”。只有充分发挥学生的主体作用，才能真正培养学生的创新意识，提高创新能力。

4)建立过程管理机制，保证创新实验质量。创新性实验以兴趣为导向，注重项目实施过程中学生创新思维的培养和实践能力的提高，支持学生的“奇思妙想”。但是往往在项目运行过程中，缺乏有效的过程管理机制，仅凭“兴趣”是无法完成实验的，导致创新实验虎头蛇尾，草草收场。因此，建立有效的过程管理机制十分必要。项目执行过程中应按照进度安排实施，并做好实验记录。记录内容应包括：实验数据、问题与思考、指导教师意见、下一步的实验计划等。指导教师应及时跟踪项目的进展情况，定期召开项目讨论会，总结前期工作，分析当前问题，提供解决问题的思路和建议，明确下一步的工作计划，保证按时完成项目内容。项目实施过程中,学院组织专家对项目进行中期检查，项目组需提交中期检查报告和实验记录。对中期检查不合格的项目，提出警告，甚至中止项目实施。对完成了任务书确定的研究内容的项目,组织结题验收。项目组需提交结题报告,并制作PPT进行汇报。项目组成员、指导教师和验收专家分别对项目完成情况给出评价成绩，按照一定的权重折算为最终成绩。

3 结束语

大学生创新实验计划是教育部推动创新性人才培养的重要举措，对于调动学生学习的积极性，激发学生的创新意识，增强学生的实践能力，提高学生的综合素质具有重要意义。相信通过不断探索、实践并总结经验，在更大范围的学生内实施这一计划，一定会进一步提高我国高校的人才培养质量。

[1] 杨天怡，胡新平，严薇．创新教育与实践教学创新[J]．中国高等教育，2005(23):28-30.

[2] 李昌良，陈建民，张亚.石油特色船舶与海洋工程专业人才培养模式探讨[J].船海工程,2014,43(1):117-120.

[3] 刘刚,黄一,张崎,等.船舶与海洋工程专业实践教学改革与校企合作探讨[J].船海工程,2011,40(4):216-218.

[4] 冯林,吴振宇,于丽英.大学生综合创新实验中心建设的探索与实验[J].实验技术与管理,2011,28(8):110-113.

[5] 綦盛健,陆树良.大学生创新实验中学生主体地位的思考与实践[J].实验技术与管理,2009,26(12):29-31.

[6] 李旦,赵希文,吴菊花.以过程为导向的大学生创新性实验计划评价体系研究[J].高等工程教育研究,2010(1):102-105.

[7] 纪君娜,刘臻,纪立强.振荡水柱波能发电装置气室的三维数值模拟研究[J].海岸工程，2011,30(2):7-13.

[8] 史宏达，高人杰，刘臻，等．OWC装置空气透平压降作用试验研究[J].中国海洋大学学报,2012,42(6):113-119.

Practice and Thinking on Innovative Experimental Project for Undergraduates of Naval Architecture and Ocean Engineering

BAO Xing-xian, LI Chang-liang, ZHANG Jing, LIU Zhi-hui

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao Shandong 266580, China)

The experiences in organization and guiding innovative experiment were introduced combining with an example of the experimental study for oscillating water column in wave-power converter. The status and problems of the innovative experimental project for undergraduates were analyzed and some suggestions were given about building platforms, constructing training system, role orientation of supervisor and students, and the establishment of supervision and evaluation mechanism.

ocean engineering; innovative experimental project; practical teaching; wave-power converter

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.028

2016-01-28

国家自然科学基金(51309239)；2014年中国石油大学(华东)教改重点项目(SY-A201408)；中国石油大学(华东)大学生创新创业训练计划资助项目(20131023)

包兴先(1981—)，男，博士，讲师

G642.0

A

1671-7953(2016)06-0123-04

修回日期：2016-04-27

研究方向:海洋工程结构设计与可靠性分析

E-mail:baoxingxian@163.com