以研促教的探索与实践
——以涉农高校科研成果转化助推实验教学为例
2022-06-21王平智王朝元郑炜超李保明蒋秀根赵淑梅
王平智,王朝元,郑炜超,李保明,蒋秀根,赵淑梅
(1.中国农业大学水利与土木工程学院,北京 100083; 2.农业农村部设施农业工程重点实验室,北京100083)
0 引言
实验教学是工科人才培养的重要环节,特别是在增强学生对理论知识的理解、培养学生的创新思维、动手能力、科学素养,以及增强学生理论联系实际能力等方面具有不可代替的作用[1]。热工基础课程是很多涉农高校工科专业的主干课程、核心课程,是现代设施农业生产环境调控的重要基础,课程内容包括传热学和工程热力学,具有知识点多、联系紧密、概念抽象、理论性强等特点,因此课程实验教学的地位更加突出[2]。但是,传统热工实验往往存在实验项目少、知识点覆盖不足、多为单一原理或现象的验证性实验,以及实验仪器设备陈旧,缺乏时代气息等问题,导致学生参与积极性不高,教学效果不甚理想[3-4]。因此,从课程内容和人才培养目标出发,挖掘优秀资源、丰富和优化实验教学内容、创新实验平台及设备,是一流高校创新人才培养面临的重要任务。
2019年9月29日教育部出台的《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》明确提出要推动科研反哺教学,强调“强化科研育人功能,推动高校及时把最新科研成果转化为教学内容,激发学生专业学习兴趣”[5]。高校既是人才培养的摇篮,也是科学研究的前沿,高校的科研成果就是最宝贵的潜在课程资源[6]。教师的科研成果包含着创新的内容和思想,将其转化为实验教学的内容,可以让学生更好地了解学科前沿、体会创新思维、学习创新过程,提高学生的实践能力和创新能力,并增进学生对产业的了解,因此,探索科研成果与教学实践的结合,将高水平的科研成果打造成提高教学水平的助推器,是提高实验教学水平的有效途径之一[7-9]。
鉴于此,在充分检验设备可靠性、方法可行性的基础上,将温室覆盖材料保温性能测试台及相关检测原理、方法等最新科研成果设计成面向农业建筑环境与能源工程专业的热工基础等课程的综合性实验,期望通过这种改革与探索,把相关最新科研成果及时转化到实验教学中,丰富实验教学的内容、手段和方法,增强实验教学内容的综合性、前沿性和创新性,促进学生对理论、概念、知识的理解、融合、应用和拓展,激发学生的学习兴趣,提升学生的实验动手能力、解决实际问题能力、创新实践能力,为未来更好服务乡村振兴打好基础。
1 科研成果简介
1.1 研发背景
日光温室是我国特有的温室形式,是北方冬季新鲜蔬菜瓜果供应的重要保障,具有保温好、效益高等优点[10]。日光温室冬季通常可以在寒冷地区实现不加温或少加温条件下的果菜生产,这与它的独特构造和前屋面夜间覆盖保温被的措施是分不开的,因此提升保温被的保温性能,对日光温室的冬季安全生产具有重要意义[11]。然而,由于可用于加工保温被的原材料繁多,有相当一部分来自于废旧物品的回收利用,这就导致保温被的原料化学组成杂乱,无法根据材料的化学结构来判断其保温能力,进而也就无法从原材料来推断保温被的保温性能。同时,由于一直以来也没有保温被保温性能的科学检测方法,在很长一段时间内,保温被的生产一直处于无序状态。正是在这种背景条件下,基于传热学和工程热力学的理论,在公益性行业科研专项“适合西北非耕地园艺作物栽培的温室结构与建造技术研究与示范(201203002)”等项目的资助下,研发了国内首台温室覆盖材料保温性能测试平台,并在验证、优化的基础上进行了推广应用,同时研究制定了《温室覆盖材料保温性能测试标准》(NY/T 1831—2009)[12-16]。
1.2 技术原理
研发的温室覆盖材料保温性能测试台采用静态热箱法,其原理如图1所示[12,15]。
1.热箱 2.冷箱 3.冷辐射板 4.风机 5.试件 6.热辐射屏蔽 7.加热装置 8.绝热箱体图1 静态热箱法示意Fig.1 Schematic diagram of static hot box method
静态热箱法的测试装置主体主要包括热箱和冷箱两个部分,其作用是分别模拟覆盖材料使用时的温室内、外环境。测试的试件即放置于冷箱和热箱的交界面处,其中,图1a所示为测试单层覆盖材料,图1b所示为测试双层或多层覆盖材料的情况。热箱内设置加热装置,配之以冷箱中的调温装置,可调控冷箱和热箱中的空气温度。各箱壁采用绝热良好的材料制作,以尽量减少环境温度变化对箱内的影响,尽量减少热箱中通过箱壁传出的热流量。在测试系统持续运行达到热稳定状态,冷箱与热箱中的空气温度达到预定值,箱体内各部件及箱体表面温度均达到稳定的情况下,测定热箱中的加温热流量与通过箱壁传出的热流量,则可以计算通过覆盖材料传出的热流量,再结合试件面积与冷箱、热箱间的空气温度差,即可计算得出试件的传热系数等相关传热特性参数。模拟的试件传热过程,涵盖了导热、对流和辐射3种传热方式,而传热系数的计算依据是稳态传热理论,因此本测试平台与热工基础课程内容高度契合。
1.3 测试台构造
基于上述原理,测试台主体由计量热箱和冷箱组成,其中安装了加热、制冷、除湿,以及风机和气流整流装置,构造如图2所示。其中,上部为冷箱,模拟温室外环境,下部为计量热箱模拟温室内环境。
计量热箱的顶部安放待测的覆盖材料试件,其余4个侧面和底面做绝热处理,使计量热箱内的大部分热量通过试件向外散出。在计量箱顶部,安装模拟室外天空的天空辐射板;依靠冷箱内设置的轴流式风机模拟覆盖材料使用时的室外气流。
2 综合实验设计
2.1 实验目的
通过动手操作温室覆盖材料测试平台,开展温室保温被、塑料薄膜等覆盖材料的性能测试及数据分析,引导学生思考实验过程中的一些关键问题及解决方法,增强学生对导热、对流和辐射3种传热方式,热导率、传热系数、热阻等概念及其影响因素的感性认识,启发学生分析传热系数及热阻在生产实践中的意义,从而加深和巩固学生对理论知识的理解、掌握、应用与拓展,提升学生的学习兴趣,强化学生解决实际问题的能力、动手操作能力及创新实践能力。
2.2 实验教学内容
2.2.1 实验说明
介绍实验目的、测试内容、测试原理、实验台构造、数据测试及分析方法、课程要求等。
在此过程中,请学生思考,测试系统中的导热、对流和辐射3种传热方式是如何实现的?系统是如何实现目标温度控制的?
2.2.2 实验准备
测温热电偶零点标定。在保温瓶中加满碎冰与水的混合物,其中碎冰宜占有1/3~2/3的高度,将热电偶参考点浸入冰水混合物中,其结点的位置宜在冰水表面以下30~60 mm。测试前应搅动冰水混合物,使其混合均匀。
1.下加热装置 2.防护箱 3.计量热箱 4.斜支撑 5.调平垫框 6.后整流装置 7.方钢骨架 8.冷箱 9.除湿装置 10.前整流装置 11.制冷回液管 12.天空辐射板 13.风机 14.上加热装置 15.制冷进液管 16.观察窗 17.隔板 18.待测试件 19.滚轮 20.导轨图2 测试台构造Fig.2 Structure of test board
在此操作中,重点思考此标定方法的原理是什么?
2.2.3 试件安装
拉出计量热箱,将覆盖材料试件安装于热箱上部开口处。单层材料的上表面应与热箱上表面平齐(图3a);双层或多层材料试件,各层应分别安装固定,其最上层上表面与热箱上表面平齐(图3b)。
试件周边应采用绝热填充材料填充空隙,并用胶带进行密封固定。对于软质材料,为避免中部下垂,应采用带有张紧细线的试样框。安装完成后,将计量热箱推入就位。
在此操作中,请学生思考如果试件周边不密封会导致什么问题?
2.2.4 测试条件设定
综合考虑温室实际使用情况,按相关标准将测试条件设定如下[15]。
天空冷辐射板平均温度:-22~-18 ℃。
热箱内平均空气温度:22~26 ℃。
冷箱内平均空气温度:-4~0 ℃。
覆盖材料表面气流速度范围:(4.0±0.8)m/s;其平均值:(4.0±0.2)m/s。
在此操作中,重点思考相关标准中为何将测试条件设定为上述参数?
2.2.5 实验操作程序
(1)打开除湿系统空气开关,启动除湿系统,关好测试台箱门。打开风机开关和风机变频器空气开关,使风机运行。待排水管无水流出且冷箱内气温降低到5 ℃以下时,关闭除湿系统。
(2)将风机变频器调节到风速为4.0 m/s的频率,启动风机和制冷系统,使冷板平均温度在-22~-18 ℃。
(3)启动冷箱和热箱的加热系统。将热箱自动控制温度调节为24 ℃,冷箱自动控制温度调节为-2 ℃。监测热箱的加热功率。
(4)打开铜-康铜热电偶的温度采集系统。每隔30 min采集一次各点的温度数据,只有当各点3次连续采集温度的最大值和最小值的差值<0.2 ℃,同时该3次测得的温度值不是单调的上升或单调下降时,可认为测试达到了热稳定状态。检查设备的其他运行参数是否满足标准测试条件。反复调整,直到同时满足要求。
(5)测定热箱内的空气温度、冷箱内的空气温度、热箱内外壁面温度及热箱内部加热器的加热功率;30 min后再测量一次。分别计算传热系数,两次测试所得的传热系数值与平均值相比应≤±1.0%。反复测试,直到满足要求。
2.2.6 试件传热系数与传热阻的计算
根据传热学原理,试件的传热系数可按式(1)计算。
(1)
式中K——覆盖材料传热系数,W/(m2·K)
Φp——热箱中的加热功率,W
A——试件面积,即覆盖材料试件两侧分别与热箱空气与冷箱空气均接触部分的面积,m2
th,tc——热箱内空气温度和冷箱内空气温度,℃,分别取各自箱内空气温度测点数据的平均值
twi,i——热箱壁各内表面平均温度,℃
two,i——热箱壁各外表面平均温度,℃
Aw,i——热箱各壁面面积,m2
Rw,i——热箱各壁板导热热阻,(m2·K)/W
图3 待测试件安装图Fig.3 Installation diagram of test material
根据热阻与换热系数关系,可以按式(2)计算出热阻。
R=1/K
(2)
式中R——覆盖材料的传热阻,(m2·K)/W
在此过程中,重点思考传热系数与热阻的物理意义及其在生产实践中的意义。
3 做法与成效
从2017年开始,开展了将项目成果转化应用到本科生热工基础等课程实验教学的改革,并在4年的教学实践中不断充实和完善,取得了满意的成果。
3.1 抽象概念生动化,促进学生对理论知识的理解、掌握与运用
在传热学的理论课中,学生学习了热量的传递是通过传导、对流和辐射3种方式来实现的,但是对导致这3种方式传热的机理,缺少感性认识。在本实验中,通过对测试台构造和原理的学习,使得抽象的理论与物化的设备建立联系,从而加深了学生对理论基础知识的理解,帮助学生学会理论知识的运用;特别是实验过程中,学生会认识到在热箱温度测量时,电加热装置发射的红外辐射会使检测到的空气温度高于实际温度,而通过使用防辐射罩就可以消除干扰,可以进一步直观感受辐射的作用。另一方面,学生也可体会到,对于不同材料生产的保温被,因材料的化学结构不同,其导热能力是不同的,要想更好地提高温室内部的温度,需要使用低热导率材料来制作保温被,即降低保温被的传热系数,提高保温被的热阻,这样,就可以使学生更加感性地从传热学的角度理解保温被这一覆盖材料的保温原理,以及传热系数和热阻等对温室生产的实践意义。
另外,通过对用同一材料制作的不同含水率的保温被保温性能的测定实验,学生会得到“含湿量越高、密度越大,热导率越大,其他传热条件相同的情况下,其保温性能越差”的测试结果,从而加深了学生对材料热导率及其影响因素的理解,也会启发学生认识到冬季生产过程中保持保温被干燥对温室保温的意义。
3.2 理论知识具体化,提升学生的学习兴趣
在涉及测试系统的PID控制理论时,课堂教学往往会先介绍PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成,然后分别讲授P、I、D的作用,这会比较抽象。在本实验教学过程中,结合热箱温度控制讲解P、I、D的作用,学生就很容易理解每个参数作用。比如,为使热箱内空气温度保持在24 ℃的目标温度,这时如果热箱内部的空气温度比设定值低很多,在P的作用下,就会让加热器“开足马力”工作,尽快让热箱内的空气温度达到目标附近;但是,仅靠P的作用,热箱内部的空气温度会在24℃附近来回抖动,很难稳定,就像一个弹簧,在平衡位置时用手拉它一下,它就会振荡起来,需要很长时间才能回到平衡位置。而D的作用,就是减少振荡,使温度的变化速度趋于零;在D的作用下,会使热箱内部的空气温度保持在一个稳定的值。但是,这里也有一个问题,就是这一稳定的值也未必就是设定的目标温度,因为在P的作用下,热箱内部的空气温度会慢慢上升,在接近24℃时(如23 ℃)加热功率会变小,这时,如果加热器产生的热量和通过保温被散发的热量相等,在D的作用下,热箱内部的空气温度就会停留在23 ℃,永远到不了设定的24 ℃。于是,这时候就需要I的出场,来完成将热箱内部空气温度稳定在24 ℃的任务。I是一个积分量。尽管23 ℃和24 ℃相差不太大,但是随着时间的推移,只要没达到目标温度,这个积分量就不断增加;当增加到目标温度,假设温度没有波动,积分值就不会再变动。这时,热箱中加热器的加热功率仍然等于通过保温被散热功率,但是可以使热箱中的空气温度始终保持在24 ℃。
通过利用此实验平台的演示和上述层层递进、深入浅出的讲解,PID控制系统中的P、I和D的作用就被形象地刻画出来,大大加深了学生对PID控制系统的理解和印象,有效激发了学生的学习兴趣。
3.3 表面现象深入化,提高学生发现问题和解决问题的能力
在实验过程中,学生会发现加热器的加热功率经常出现波动,哪怕是使用了交流稳压器也无法完全改变加热功率波动的现象,导致测试结果不准确,基于这一现象,让学生思考问题所在及解决问题的方法。在充分思考的基础上给出原因,即电压的波动导致了功率的波动,比如在加热功率只有30 W的情况下,功率的波动即使只有2~3 W,也是相对较大的波动,从而导致实验结果的较大偏差。然后,再进一步给出解决此问题的方法,即为了避免因电压波动对实验结果造成影响,将加热系统由交流供电改为直流供电;这样一来,设备的加热功率即使达到320 W的最大加热功率,波动也只有±0.1 W,极大地提高了测试精度。
一个问题点的聚焦和深入,不仅让学生学到了相应的专业知识,也拓展了学生思维方式和专业视野,促进了学生创新思维和创新实践能力的培养。
4 结束语
目前我国已进入向创新型国家迈进的进程中,创新型人才培养是教育界普遍面临的挑战和任务,因此,本研究开展了将最新科研成果及时转化为本科生实验教学的探索,至今已在4届、约200名本科生的教学过程中进行了实践,获得了学生的广泛认可与欢迎;特别是通过学生实验过程的参与积极性、操作过程的表现、问题提出与思考,以及实验后的分析和总结等,发现这一教学改革和探索,能很好地激发学生的学习兴趣,拓展学生的思维方式,促进学生对抽象概念的理解和对理论知识的掌握,提升学生的动手能力和解决问题能力,为涉农高校工科专业的实验课程改革及创新人才核心能力培养提供参考。