创建创新型实验平台 开展创新性实验教学

尚琳琳 马利敏

摘  要 创新性实验教学是提高学生实践能力和创新能力的有效途径。大学生实践创新能力的培养需要高水平的创新型实验教学平台，以实现基本实验、综合实验、创新性实验、研究性实验的多层次实验教学模式，最终实现动手能力、创新思维、科学研究能力、工程应用能力的多方面培养。通过与大学生科技创新项目相结合展开创新型实验平台的研发工作，设计制作热管性能测试实验装置，研发出一种可以实现多层次实验内容的热管传热性能实验台，为大学生提供不同层次、不同难度的创新性实验教学和科技创新平台，并提出创新性实验教学的新思路。

关键词 创新型实验平台;热管性能测试实验装置;大学生科技创新项目;实验教学

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）20-0121-03

Create an Innovative Experimental Platform and Development of Innovative Practice Teaching//SHANG Linlin， MA Limin

Abstract Innovative experiment is an effective way to improve stu-dents practical ability and innovative ability. The cultivation of prac-

tical innovation ability need innovative experimental teaching plat-

form， in order to achieve multi-level experiment teaching mode of

basic experiment， comprehensive experiment， innovative experi-ment， research experiment， develop the multi-level ability and finally

realize the practical ability， innovative thinking， the ability of scien-tific research and engineering application ability. Through the combi-

nation of innovative experimental platform development and college

students scientific and technological innovation projects， the heat

pipe performance test device is designed， the development of a multi-

level experiment content can realize the heat transfer performance of

heat pipe experimental platform， provides different levels， different degree of difficulty of the innovative experimental teaching platform

for university students and the innovation of science and technology， and the new ideas of innovative experimental teaching are put forward.

Key words innovative experimental platform; heat pipe performance test device; college students scientific and technological innovation project; experimental teaching

1 引言

教育的任務是培养具有创造性思维和创新能力的人才。在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中把创新能力的培养提高到前所未有的高度，明确提出要着力提高学生的学习能力、实践能力、创新能力，积极探索贯穿各级各类教育的创新人才培养途径[1]。2014年6月9日，习近平总书记在中国科学院第十七次院士大会、中国工程院第十二次院士大会开幕会上发表重要讲话，强调指出：我国要在科技创新方面走在世界前列，必须在创新实践中发现人才、在创新活动中培育人才、在创新事业中凝聚人才，必须大力培养造就规模宏大、结构合理、素质优良的创新型科技人才[2]。因此，全面提高高等教育质量，培养创新型人才，是高校教育工作的重点[3]。

创新之根在实践[4-7]。然而我国高等工程教育的实践教学还有很多局限性，在校园内部，学生实践活动多是验证型的课程实验，而走出校门的实践活动则主要是学生实习[8]。

对于工科大学生创新素质的提升而言，仅靠这些实践活动是远远不够的，面向大学生的实践教学机制还需要从理念到行动上进行革新。

工科大学生创新素质的提升，不仅需要理论上的学习，还必须切身实践，这是工程的实践性质所决定的[9]。因此，针对工科大学生创新能力的提升，大学在增强其文化知识的同时，还需要着力推进设备设施条件和学生创新实验平台的建设[10]。学生创新实验平台是进行培养人才的重要基地，是学生开展实验教学、科学研究、技术开发和学术交流的重要场所[11]。

传统实验教学模式通常采用市场上厂家开发的实验仪器，通常这些实验教学仪器模式相对比较固定，各部分之间的连接闭合，主要偏重于验证性实验和少量的综合性实验，实验内容固化，缺少设计性环节，实验难度无法改变，无形中束缚了学生的创新型思维，限制了学生创新能力和综合能力的提高[12-14]。因此，对高等学校来说，首先要建设高质量的创新实验平台，通过开放创新型实验平台可开启学生的创新思维，开发学生的创新潜能。

另外，长期以来，我国高等教育普遍存在“重理论、轻实践”的观念，实验教学被定位为辅助教学手段，仅仅是为了验证理论以及实现基本技能的训练。这种不正确的定位导致学生对实践环节重视不足，积极性不高[13]。传统的教育模式、教学内容和教学方法制约了大学生实践能力和创新能力的培养。因此，探索创新性实验教学模式，设立创新实验项目，建立评估制度和激励政策，是培养大学生实践能力和创新能力的有效途径[12，15]。

针对以上问题，本文结合热管性能测试实验平台的研发成果，提出创新型实验教学的新思路。通过与大学生科技创新项目相结合，设计制作热管性能测试实验装置，研发一种可以实现不同工质、不同充液率、不同蒸发段长度、不同冷却水水温、不同冷却水水流量、不同倾斜角度的热管传热性能实验台，为大学生提供不同层次、不同难度的创新型实验教学和科技创新平台，为培养创新型人才提供良好的硬件基础，并探索创新性实验教学的新模式。

2 创新实验平台研发与大学生科技创新项目的有机融合

现有的实验教学领域的热管传热性能实验台可实现的实验内容过于简单，只能通过改变冷却水流量和温度的变化，得到热管在不同的外部条件下的换热性能。然而热管的换热性能还受其他因素的影响，比如热管内工质的选择、工质的充灌量、倾斜角度、蒸发段长度以及换热方式等，而这些条件的改变在传统的热管性能测试实验台上是完全不能实现的。因此，在传统的热管传热性能实验台展开的实验教学模式是固定而枯燥的，实验内容对学生缺乏吸引力，很难引起学生的思考和共鸣，学生的创新性思维受到限制，动手能力得不到充分锻炼，已经不能满足创新型人才的培养需要。

面向大学生开展科技创新活动是培养创新型人才的有效途径。将大学生科技创新活动与实验创新平台的研发有机融合起来，既有利于学生创新能力的培养，又为实验室创新平台建设提供了源源不断的创新性灵感。本实验平台的研发成果充分体现了这一点。

在充分调研、查找不足的基础上，明确创新型实验平台研发的方向性，即开发一种可以实现不同工质、不同充液率、不同蒸发段长度、不同冷却水水温、不同冷却水水流量、不同倾斜角度的热管传热性能实验台，将此作为大学生科技创新项目的选题并立项申报，大学生采用竞标的方式申请科技创新项目。通过与指导教师沟通，查阅各种资料，学生提出实验台的设计实施方案。在这个过程中，通过反复交流和讨论，实验平台的设计思路得到不断修正，创新性的思路和设计层出不穷。从实验系统的总体设计到实验内容实现的可操作性，从实验平台的设备连接到实验外观，都经过学生和教师的反复切磋。

在此过程中，教师只提出一些建设性的意见，鼓励学生自主发现问题、解决问题;学生兴趣浓厚，积极性得到充分调动，创新能力和动手能力得到有效提高。

3 热管性能测试实验创新平台的特点

各系统分体设计，为学生自主地设计实验内容提供了条件  热管传热性能测定实验平台由热管本体、加热系统、冷却系统、真空与工质充灌系统、数据测量与采集系统五个部分组成，各系统并没有固化为一个整体，而是分别相对独立，各系统之间的连接拆卸简单方便，为学生自主地设计实验内容以及进行实验平台的进一步创新改进提供了条件。

创新性地增加了真空与工质充灌系统，增加了实验内容和实验难度  针对传统热管性能测试实验装置的不足，特别增加了真空与工质充灌系统，真空与工质充灌系统由抽真空系统由真空机组和阀门、抽真空管道、工质罐、可输出信号的台秤、工质罐组成。该系统可操作性强，可实现手动和自动两种模式的操作方式：

1）手动方式增加学生实验过程中的手动操作环节，充分锻炼学生的动手能力;

2）自动操作方式能让学生在了解抽真空和充装工质的实验原理的基础上，对自动控制原理有了深入了解。

热工测量技术的多层次应用  创新型热管性能测试实验装置中的压力、温度、流量测量装置两端都设有螺旋接口或者管路快接装置，方便学生采用不同精度的测量手段，学生可方便地拆卸、更换不同类型的压力、温度、流量测量元件，为学生了解不同的热工测量技术的工作原理和操作过程提供了方便。

实验内容的多层次性和多样性  由于该热管性能测试实验平台设有真空与工质充灌系统，因此，对于同一根热管可以反复充装不同的工质，并可以精确控制工质的充液量，可实现的实验内容更加丰富。热管性能测试实验创新平台将实验分为三个层次：

1）完成基本教学内容的基础性实验;

2）完成重在培养学生综合能力的综合性实验;

3）完成重在培养学生研究能力的研究性实验。

为大学生提供了不同层次、不同难度的创新性實验教学和科技创新平台。

密切结合多种工程背景，为学生的工程应用能力培养提供了平台  全面提升工科大学生的创新能力，不但需要高质量的创新实验平台，还需要密切结合工程背景[16-17]。热管是换热器中的一种，已经广泛应用于余热的回收、永久冻土层稳定、地热的利用、空调系统等多个领域。在实验平台的设计过程中，充分考虑与不同工程背景相结合、提高学生工程意识的要求。热管应用的工程背景不同，热管本身的工质要求不同，热管运行时的工作条件不同。应用于浅层地热水的热管大多是中低温热管，热管内工质要求沸点比较低，与地热水自然对流换热，应用于该系统的加热系统为恒温水浴槽，工质选用氟利昂内的物质;应用于余热利用的热管大多数为中高温热管，热管蒸发段所处的温度比较高，为了模拟高温环境，采用电加热丝控温加热，热管内工质要求潜热大，工质选用去离子水。该实验平台与多种工程背景的密切结合，为学生提供了高质量的工程训练、科研训练场合。

4 创新型实验平台在实验教学中的应用体会

不拘泥于固定实验内容的本科实验教学  利用该实验平台，中国石油大学（北京）机械与储运工程学院在2011级热能与动力工程专业本科生重要专业课换热器原理与设计课程中开设热管传热性能实验，作为大学生本科实验教学项目。由于实验项目不局限于工质种类、工质充液量、蒸发段长度、倾斜角等影响热管换热的内外因素，因此可实现的实验内容丰富，可作为综合性实验或者研究性实验的教学平台。该实验教学项目不局限于固定的实验内容和指导书，同组学生可以自行设计实验方案和目的，按照必要的实验操作指导自行进行实验。这种模式更有利于学生主动性和积极性的发挥，有利于学生创新能力的培养。

另外，学生自行完成从热管的抽真空操作、工质的定量充灌到热管传热性能实验整个过程，动手环节大大增加，激发兴趣，锻炼动手能力。教师从学生实验内容设计的合理性、实验的创新性、实验操作的规范性、实验数据处理的正确性、实验报告质量五方面进行评分，评价机制更加合理，学生的积极性和主动性明显提高。

工程实际应用与大学生科技创新项目的有机结合  该实验装置研发成功后，相继多次作为大学生科技创新项目提供实验平台。由于该实验平台可以实现的实验内容具有多层次性，热管工程应用领域的多样性，大学生科技创新项目已经从科技创新训练向工程实际应用扩展，科技创新题目已经与地热利用、基站制冷等工程实际紧密地联系在一起。

对于不同的工程实际，学生利用此平台对热管加以优化，得到适用于不同工程实际的工质选择方案、最佳充液率、最佳倾斜角度。不同的工程实际背景不仅提高了学生科技创新的积极性，而且扩展了学生的视野，培养了学生的工程意识，真正为学生理论知识与实践技能的结合提供了条件。在科技创新项目进行过程中，学生兴趣浓厚，积极性得到充分调动，创新能力和动手能力得到有效提高，科学研究能力和工程应用能力得到锻炼。

5 结语

大学生实践创新能力的培养需要高水平的创新型实验教学平台，以实现基本实验、综合实验、研究性实验的多层次实验教学模式，最终实现动手能力、创新思维、科学研究能力、工程应用能力等多层次能力的培养。另外，创新型实验教学平台的研发过程与大学生科技创新项目有机结合，既有利于学生创新能力的培养，又为实验室创新平台建设提供了源源不断的创新性灵感。创新型实验教学平台的建立为创新性本科实验教学和大学生科技创新项目提供了有利条件。■

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