基于开放实验教学的制冷专业创新实践能力培养探讨

刘晔，钱苏昕，张兴群

（西安交通大学 能源与动力工程学院, 陕西西安 710049）

随着我国国民经济的持续发展，我国正处于从制造大国向制造强国转变的过程中，加快建设支撑制造业高质量发展的创新型人才队伍已成为我国高等教育改革的重要目标之一[1]。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》也明确提出：提高高等教育质量，创新办学模式，深化产教融合，更加注重学生创新精神的培养[2]。由此可见，围绕人才培养质量目标，要以全面提升学生综合素质和创新实践能力为核心，着力优化创新型人才的培养模式，不断加强实践性教学环节的特色作用，有效促进本科学生创新素质培养，提高本科教学质量[3]。

实践教学是培养学生创新能力和实践能力的重要环节，在培养学生实践技能、创新意识和综合素质方面具有其他教学方式无法替代的作用，因此，实践教学和理论教学具有同等重要性[4]。为了适应当前社会对具备创新实践能力人才的需要，充分利用现有教学/科研实验平台的资源，促进实验教学课程改革，不断提高实验教学水平，根据教育部《高等学校实验室工作规程》《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》等文件的规定，西安交通大学优化了本科生开放实验实践教学环节，以面向全体、因材施教、形式丰富为基本原则，以重点培养本科学生的实践能力和创新意识为教学目的。

1 本科生开放实验教学模式

开放实验教学环节采取以学生为主体，教师确定选题进行引导启发的实践教学模式，教师和学生双选后在开放的实验活动平台开展教学活动。这种实践教学方式有利于深化对学生创新意识的培养，可有效提高本科综合教学质量与创新人才培养效果[1]。为了培养学生的创新意识和科研能力，让学生体验从自行选题到论证立题，再到实践设想，最终完成研究报告的全过程工作，有助于学生综合素质及创新能力的大幅提高。

开放实验教学的选题需要具备综合性、设计性和针对性。应加强学科知识点的交叉融合，强化基础，拓宽知识覆盖面，注重对学生知识探索方法、科学思维逻辑、实践动手能力和创新思维能力的培养。开放实验教学的内容与常规课程教学大纲所规定的教学实验以及专设实验课程的实验内容交叉设置，互相不重复，但与课程教学内容相关的拓展性实验可以列入开放实验教学范围。本科生开放实验教学的选题和内容按照难易程度可大致分为教学实验项目和科研实验项目两种类型。

2 课程类开放实验教学案例分析

以制冷与低温技术原理课程教学为例，选择制冷专业方向的代表性教学实验“制冷压缩机性能测试实验”，开展开放实验教学设计和实验教学方法改革分析。“制冷压缩机性能测试实验”的目的是让制冷专业方向的本科生了解冷冻冷藏领域的小冷量单级蒸气压缩制冷系统的工作原理、实际制冷系统构成和操作调节方法，掌握制冷系统和制冷压缩机主要性能参数的测试方法和测试原理，能够诊断和解决制冷系统常见故障并分析其成因。教师在实验过程中引导学生全员参与，在保证安全的前提下让学生自主讨论并提出个性化实验设计方案，指导学生结合理论知识调节控制实验台开展个性化实验方案验证，总结制冷系统性能变化规律和工况调节参数的耦合关系，通过实际操作、测量与计算等实验环节，使学生巩固和加深对相关课程核心内容的理解，拓宽学生的专业知识面，训练学生的动手能力，培养学生解决工程实际问题的思路与方法。本实验课程将传统能源动力类专业学生必须要掌握的热能与动力工程测控技术、现代化传感器测量与控制技术、计算机辅助应用技术等有机结合，形成了系统完整的实验体系，具有与工程实际结合密切、能反映新的测控技术发展与变化以及在工程中广泛应用等特点。通过该实验，一方面，完成了教学实验环节的任务，另一方面，对本科生来说也是专业科研实验的初次尝试，为学生顺利完成毕业设计和在研究生阶段开展科研实验提供了先期实践训练契机，为学生自主开展专业性科研实验奠定了良好基础。最终让学生全方位掌握制冷系统运行、调节控制、故障诊断方法等实践成果，完成制冷低温专业学生在制冷系统应用实践方面的教学目标。

“制冷压缩机性能测试实验”主要依托实验室设计定制的“冰箱压缩机量热计”设备开展，设备核心部件如图1 所示。该教学实验设备在设计搭建之初，考虑到教学需求，在原型机的基础上，专门配置改装了自动运行和手动运行两种操作控制模式。自动模式主要是按规定选择其试验类型后，由测试软件来对测试系统各个环节进行自动开启和自动停止，自动模式运行流程严格按照国标规定和行业标准流程来进行，也是目前压缩机生产厂家输出压缩机性能参数的主要方法。手动模式主要是按照实验设计方案对测试设备进行手动逐个操控方式进行。无论是自动运行模式还是手动运行模式，其关键操作流程和规范是一致的。

图1 制冷压缩机性能测试实验台部件及系统流程图

学生在手动模式操作过程中，一方面，可以熟悉制冷压缩机性能测试的原理和流程，了解各实验环节先后顺序对实验结果的影响；另一方面，可以掌握制冷或热工系统关键参数（温度、压力、流量）等的数据读取和采集方法。在制冷系统从开启到稳定运行状态的过程中，通过监测不同管路节点上的温度、压力、流量传感器实时数据，可对制冷系统在启动降温整个过程中的工况状态参数有初步的认识，这为后续指导学生开展制冷系统故障诊断和分析奠定了基础。实验设备系统图和软件数据监测界面如图2所示。

图2 制冷压缩机性能测试实验台软件数据监测页面

在制冷压缩机性能测试实验进行过程中，系统运行的大部分时间都是处于国标工况调节、自判稳阶段。在这个过程中，教师可为学生讲解制冷系统调节控制、故障诊断相关知识内容，引导学生通过一些细微的数据变化或现象改变来判断制冷系统运行中可能存在的故障，结合理论课堂所学制冷理论循环和实际循环的知识点，深入分析系统故障出现的原因，提出排除制冷系统运行故障所要采取的方法与措施，并以此推广至日常生活中的冰箱、冷柜、空调等常见制冷器具故障诊断分析，进一步使学生加深对制冷系统相关技术的掌握程度。

在教学环节，受到教学课时数的限制，不要求学生完成所有国标规定工况[5-6]下的完整测试内容，指导教师可选择具有代表性的工况测试点加入实验方案中。教师指导学生全流程手动操作完成实验方案设计内容，汇总实验数据，同时，开启设备自动运行模式，让实验设备在测试软件控制下逐项开启自动测试，将学生手动测试实验数据与设备自动测试实验数据相比对，主动查找数据差异出现的原因，以自动实验数据为标准，反推学生手动实验过程中存在的问题，并提出相应的改进措施。经过一系列完整的实验操作流程，学生最终需要呈现的成果有：（1）该制冷压缩机的性能变化曲线和性能参数表；（2）该制冷压缩机所属制冷系统的实际运行压焓图；（3）实验数据不确定度分析报告；（4）完整实验报告。

在完成“制冷压缩机性能测试实验”教学的同时，通过实际操作让学生深入了解了制冷系统的工作原理和运行工况参数的变化规律，可有效地将理论课堂上所学的知识点应用在实验实践教学过程中，利用压力传感器、温度传感器显示数值或亲自触摸来感知制冷系统压焓图上每个工作过程的实际表现。指导学生通过一些简单细微的数据变化判断制冷系统运行中可能存在的故障，结合理论课堂所学知识分析故障出现的原因，提出排除故障所需的方法与措施，并推广至日常生活中的家用制冷器具故障诊断分析，使学生加强对制冷系统相关技术的掌握。

3 科研类开放实验教学案例分析

近年来，西安交通大学制冷与低温工程系充分利用现有实验台的优质资源，在本科生课程教学大纲所规定的课程实验之外，每学期会额外设立10 余项超出教学范围的实验教学项目，积极组织学生申报并开展创新研究。“焓差法空调器性能测试实验”和“基于半导体制冷技术的空气取水系统设计”也是本单位设立的选课人数较多的开放性实验之一。

“焓差法空调器性能测试实验”是在环境实验室内，用人工方法模拟空调器工作环境或工况并测试空调器实际性能。该实验极大地缩短了产品研发周期，同时节省了研发费用，目前已获得了广泛应用[7-9]。“焓差法空调器性能测试实验”主要依托“空调器焓差法实验装置（3HP）”实验平台完成。该空调器测试实验平台主要包括两个独立控制的测试室，分别为室内机侧和室外机侧，另外还配备有空气循环再处理系统、室内侧风量测试装置、计算机数据采集及测控系统等。在实验过程中，学生可以参与空调设备拆装、温湿度参数采集点布置、风压校准、计算机测控系统操作等环节，这对学生以后就业、深造、参与科研项目奠定了良好的基础。针对“焓差法空调器性能测试实验”，为每一组学生制定了具体实验目标：完成一套给定房间空调器制冷、制热模式下的性能测试实验，对比房间空调器的实际功率与额定功率，得出房间空调器的最大制冷、制热量，绘制设备性能参数变化图表，完成低温、超低温制热实验，并撰写一份详细的实验报告。在此过程中，学生通过查阅大量资料能够强化对制冷低温课程理论知识的掌握，并获得专业相关设备和测量仪器的使用操作技能，对于学生以后独立开展科研工作有很大帮助。

“焓差法空调器性能测试实验”兼具教学和科研的双重属性，学生在参与实验的过程中获得了较为全面系统的制冷与空调专业相关的动手操作和实践应用训练，培养了学生的工程意识和创新意识，引导学生初步建立解决科学问题的思维方式，从而提高了学生的综合素质与能力。通过参与该实验得到初步科研训练的学生，能够更快速、更准确地进入后期的项目设计、毕业设计等科研环节，相关科研成果的产出速度也有了明显提升。这一实践教学环节对提高能源动力类尤其是制冷与低温学科本科人才的综合实践创新能力有较大帮助。

基于半导体制冷技术的空气取水系统设计是基于半导体制冷原理（帕尔帖效应）基础知识而开展的开放实验教学[10-13]。半导体制冷技术在现有能源动力类冷模块本科生专业课程中一般会有提及，但是受限于现有理论课时，这部分教学内容大部分情况下都只是进行简单的基础原理讲解，学生对此知识点应用层面的认知会比较模糊。因此，专门开设此开放实验课程，让学生了解并掌握半导体制冷技术原理、空气调节技术原理和简单换热器设计原理，设计与半导体制冷模块相对应的、能够满足不同工况要求的冷热端换热器。通过理论设计计算验证半导体空气取水模型的可行性，选配组装完整的半导体制冷空气取水实验台，通过调节半导体制冷模块的控制参数，实现在不同温湿度工况下的空气中取水的目标。在此过程中，可以让学生掌握半导体制冷技术的控制方法，总结空气凝露结霜的规律和特性。学生在实验之初需要掌握建立半导体制冷系统的三种不同工作模式的理论计算模型和性能评价方法，分析对比选取本实验适用的半导体制冷系统设计方法；根据理论计算结果，设计加工相应技术指标的半导体制冷片；设计确定空气取水实验台的适用工况范围和运行参数范围，主要包括空气处理量、空气进出口温湿度、输入电参数等；根据这些参数范围，确定半导体制冷片的实际使用数量和冷热端散热量等；进而设计、选配合适尺寸和型号的冷热端散热器；最后选配直流供电电源，连接数据采集系统，组装好实验台，从而开展实验研究。

“半导体制冷技术的空气取水实验”是以指导学生参加学科竞赛为契机开展的科研型实验项目，通过该实验，可以让学生同时掌握半导体固态制冷技术、空气调节除湿技术和换热器设计技术等综合技能，对于拓展学生制冷技术相关专业知识，进一步拓展科研思路有积极作用。除此之外，通过该实验内容，也可以继续拓展研发出适用于淡水缺乏地区的小型空气取水装置，具备一定的商业推广前景，有助于提前培养学生的创新创业思维，产学研应用价值较高。

2019 年，基于此开放性实验，由本专业大三学生牵头提出了“半导体热泵式婴幼儿衣物烘干箱”科研训练项目，参与了“第十二届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”，最终获得二等奖。与此同时，该项目也获得了“2019 年西安交通大学国家级大学生创新训练项目”资助。半导体热泵式婴幼儿衣物烘干箱三维示意图如图3 所示。

图3 半导体热泵式婴幼儿衣物烘干箱三维示意图

4 结语

开放性实验是一项持续性实践教学过程，是培养实践人才、科研人才不可缺少的重要环节。教师要依托开放性实验引导本科学生多了解不同学术观点并开展讨论、追踪本专业知识领域的最新研究进展和热点，逐步锻炼学生自主学习和独立研究的能力[14-15]。紧密结合基于成果导向教育理念所开设的制冷低温专业教学实践实验，完成制冷低温专业学生在制冷循环系统理论知识学习和成果应用实践方面的教学目标，形成以学生掌握知识为中心、以教学质量改进为原则、以课程学习成果目标为导向的课程实践教学新模式，不仅为制冷低温专业本科生专业技能的培养提供新思路，也可为整个能源动力类本科生实践教学提供借鉴和参考。