創建創新型實驗平臺 開展創新性實驗教學

尚琳琳 馬利敏

摘? 要 創新性實驗教學是提高學生實踐能力和創新能力的有效途徑。大學生實踐創新能力的培養需要高水平的創新型實驗教學平臺，以實現基本實驗、綜合實驗、創新性實驗、研究性實驗的多層次實驗教學模式，最終實現動手能力、創新思維、科學研究能力、工程應用能力的多方面培養。通過與大學生科技創新項目相結合展開創新型實驗平臺的研發工作，設計制作熱管性能測試實驗裝置，研發出一種可以實現多層次實驗內容的熱管傳熱性能實驗臺，為大學生提供不同層次、不同難度的創新性實驗教學和科技創新平臺，并提出創新性實驗教學的新思路。

關鍵詞 創新型實驗平臺;熱管性能測試實驗裝置;大學生科技創新項目;實驗教學

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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

教育的任務是培養具有創造性思維和創新能力的人才。在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中把創新能力的培養提高到前所未有的高度，明確提出要著力提高學生的學習能力、實踐能力、創新能力，積極探索貫穿各級各類教育的創新人才培養途徑[1]。2014年6月9日，習近平總書記在中國科學院第十七次院士大會、中國工程院第十二次院士大會開幕會上發表重要講話，強調指出：我國要在科技創新方面走在世界前列，必須在創新實踐中發現人才、在創新活動中培育人才、在創新事業中凝聚人才，必須大力培養造就規模宏大、結構合理、素質優良的創新型科技人才[2]。因此，全面提高高等教育質量，培養創新型人才，是高校教育工作的重點[3]。

創新之根在實踐[4-7]。然而我國高等工程教育的實踐教學還有很多局限性，在校園內部，學生實踐活動多是驗證型的課程實驗，而走出校門的實踐活動則主要是學生實習[8]。

對于工科大學生創新素質的提升而言，僅靠這些實踐活動是遠遠不夠的，面向大學生的實踐教學機制還需要從理念到行動上進行革新。

工科大學生創新素質的提升，不僅需要理論上的學習，還必須切身實踐，這是工程的實踐性質所決定的[9]。因此，針對工科大學生創新能力的提升，大學在增強其文化知識的同時，還需要著力推進設備設施條件和學生創新實驗平臺的建設[10]。學生創新實驗平臺是進行培養人才的重要基地，是學生開展實驗教學、科學研究、技術開發和學術交流的重要場所[11]。

傳統實驗教學模式通常采用市場上廠家開發的實驗儀器，通常這些實驗教學儀器模式相對比較固定，各部分之間的連接閉合，主要偏重于驗證性實驗和少量的綜合性實驗，實驗內容固化，缺少設計性環節，實驗難度無法改變，無形中束縛了學生的創新型思維，限制了學生創新能力和綜合能力的提高[12-14]。因此，對高等學校來說，首先要建設高質量的創新實驗平臺，通過開放創新型實驗平臺可開啟學生的創新思維，開發學生的創新潛能。

另外，長期以來，我國高等教育普遍存在“重理論、輕實踐”的觀念，實驗教學被定位為輔助教學手段，僅僅是為了驗證理論以及實現基本技能的訓練。這種不正確的定位導致學生對實踐環節重視不足，積極性不高[13]。傳統的教育模式、教學內容和教學方法制約了大學生實踐能力和創新能力的培養。因此，探索創新性實驗教學模式，設立創新實驗項目，建立評估制度和激勵政策，是培養大學生實踐能力和創新能力的有效途徑[12，15]。

針對以上問題，本文結合熱管性能測試實驗平臺的研發成果，提出創新型實驗教學的新思路。通過與大學生科技創新項目相結合，設計制作熱管性能測試實驗裝置，研發一種可以實現不同工質、不同充液率、不同蒸發段長度、不同冷卻水水溫、不同冷卻水水流量、不同傾斜角度的熱管傳熱性能實驗臺，為大學生提供不同層次、不同難度的創新型實驗教學和科技創新平臺，為培養創新型人才提供良好的硬件基礎，并探索創新性實驗教學的新模式。

2 創新實驗平臺研發與大學生科技創新項目的有機融合

現有的實驗教學領域的熱管傳熱性能實驗臺可實現的實驗內容過于簡單，只能通過改變冷卻水流量和溫度的變化，得到熱管在不同的外部條件下的換熱性能。然而熱管的換熱性能還受其他因素的影響，比如熱管內工質的選擇、工質的充灌量、傾斜角度、蒸發段長度以及換熱方式等，而這些條件的改變在傳統的熱管性能測試實驗臺上是完全不能實現的。因此，在傳統的熱管傳熱性能實驗臺展開的實驗教學模式是固定而枯燥的，實驗內容對學生缺乏吸引力，很難引起學生的思考和共鳴，學生的創新性思維受到限制，動手能力得不到充分鍛煉，已經不能滿足創新型人才的培養需要。

面向大學生開展科技創新活動是培養創新型人才的有效途徑。將大學生科技創新活動與實驗創新平臺的研發有機融合起來，既有利于學生創新能力的培養，又為實驗室創新平臺建設提供了源源不斷的創新性靈感。本實驗平臺的研發成果充分體現了這一點。

在充分調研、查找不足的基礎上，明確創新型實驗平臺研發的方向性，即開發一種可以實現不同工質、不同充液率、不同蒸發段長度、不同冷卻水水溫、不同冷卻水水流量、不同傾斜角度的熱管傳熱性能實驗臺，將此作為大學生科技創新項目的選題并立項申報，大學生采用競標的方式申請科技創新項目。通過與指導教師溝通，查閱各種資料，學生提出實驗臺的設計實施方案。在這個過程中，通過反復交流和討論，實驗平臺的設計思路得到不斷修正，創新性的思路和設計層出不窮。從實驗系統的總體設計到實驗內容實現的可操作性，從實驗平臺的設備連接到實驗外觀，都經過學生和教師的反復切磋。

在此過程中，教師只提出一些建設性的意見，鼓勵學生自主發現問題、解決問題;學生興趣濃厚，積極性得到充分調動，創新能力和動手能力得到有效提高。

3 熱管性能測試實驗創新平臺的特點

各系統分體設計，為學生自主地設計實驗內容提供了條件? 熱管傳熱性能測定實驗平臺由熱管本體、加熱系統、冷卻系統、真空與工質充灌系統、數據測量與采集系統五個部分組成，各系統并沒有固化為一個整體，而是分別相對獨立，各系統之間的連接拆卸簡單方便，為學生自主地設計實驗內容以及進行實驗平臺的進一步創新改進提供了條件。

創新性地增加了真空與工質充灌系統，增加了實驗內容和實驗難度? 針對傳統熱管性能測試實驗裝置的不足，特別增加了真空與工質充灌系統，真空與工質充灌系統由抽真空系統由真空機組和閥門、抽真空管道、工質罐、可輸出信號的臺秤、工質罐組成。該系統可操作性強，可實現手動和自動兩種模式的操作方式：

1）手動方式增加學生實驗過程中的手動操作環節，充分鍛煉學生的動手能力;

2）自動操作方式能讓學生在了解抽真空和充裝工質的實驗原理的基礎上，對自動控制原理有了深入了解。

熱工測量技術的多層次應用? 創新型熱管性能測試實驗裝置中的壓力、溫度、流量測量裝置兩端都設有螺旋接口或者管路快接裝置，方便學生采用不同精度的測量手段，學生可方便地拆卸、更換不同類型的壓力、溫度、流量測量元件，為學生了解不同的熱工測量技術的工作原理和操作過程提供了方便。

實驗內容的多層次性和多樣性? 由于該熱管性能測試實驗平臺設有真空與工質充灌系統，因此，對于同一根熱管可以反復充裝不同的工質，并可以精確控制工質的充液量，可實現的實驗內容更加豐富。熱管性能測試實驗創新平臺將實驗分為三個層次：

1）完成基本教學內容的基礎性實驗;

2）完成重在培養學生綜合能力的綜合性實驗;

3）完成重在培養學生研究能力的研究性實驗。

為大學生提供了不同層次、不同難度的創新性實驗教學和科技創新平臺。

密切結合多種工程背景，為學生的工程應用能力培養提供了平臺? 全面提升工科大學生的創新能力，不但需要高質量的創新實驗平臺，還需要密切結合工程背景[16-17]。熱管是換熱器中的一種，已經廣泛應用于余熱的回收、永久凍土層穩定、地熱的利用、空調系統等多個領域。在實驗平臺的設計過程中，充分考慮與不同工程背景相結合、提高學生工程意識的要求。熱管應用的工程背景不同，熱管本身的工質要求不同，熱管運行時的工作條件不同。應用于淺層地熱水的熱管大多是中低溫熱管，熱管內工質要求沸點比較低，與地熱水自然對流換熱，應用于該系統的加熱系統為恒溫水浴槽，工質選用氟利昂內的物質;應用于余熱利用的熱管大多數為中高溫熱管，熱管蒸發段所處的溫度比較高，為了模擬高溫環境，采用電加熱絲控溫加熱，熱管內工質要求潛熱大，工質選用去離子水。該實驗平臺與多種工程背景的密切結合，為學生提供了高質量的工程訓練、科研訓練場合。

4 創新型實驗平臺在實驗教學中的應用體會

不拘泥于固定實驗內容的本科實驗教學? 利用該實驗平臺，中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院在2011級熱能與動力工程專業本科生重要專業課換熱器原理與設計課程中開設熱管傳熱性能實驗，作為大學生本科實驗教學項目。由于實驗項目不局限于工質種類、工質充液量、蒸發段長度、傾斜角等影響熱管換熱的內外因素，因此可實現的實驗內容豐富，可作為綜合性實驗或者研究性實驗的教學平臺。該實驗教學項目不局限于固定的實驗內容和指導書，同組學生可以自行設計實驗方案和目的，按照必要的實驗操作指導自行進行實驗。這種模式更有利于學生主動性和積極性的發揮，有利于學生創新能力的培養。

另外，學生自行完成從熱管的抽真空操作、工質的定量充灌到熱管傳熱性能實驗整個過程，動手環節大大增加，激發興趣，鍛煉動手能力。教師從學生實驗內容設計的合理性、實驗的創新性、實驗操作的規范性、實驗數據處理的正確性、實驗報告質量五方面進行評分，評價機制更加合理，學生的積極性和主動性明顯提高。

工程實際應用與大學生科技創新項目的有機結合? 該實驗裝置研發成功后，相繼多次作為大學生科技創新項目提供實驗平臺。由于該實驗平臺可以實現的實驗內容具有多層次性，熱管工程應用領域的多樣性，大學生科技創新項目已經從科技創新訓練向工程實際應用擴展，科技創新題目已經與地熱利用、基站制冷等工程實際緊密地聯系在一起。

對于不同的工程實際，學生利用此平臺對熱管加以優化，得到適用于不同工程實際的工質選擇方案、最佳充液率、最佳傾斜角度。不同的工程實際背景不僅提高了學生科技創新的積極性，而且擴展了學生的視野，培養了學生的工程意識，真正為學生理論知識與實踐技能的結合提供了條件。在科技創新項目進行過程中，學生興趣濃厚，積極性得到充分調動，創新能力和動手能力得到有效提高，科學研究能力和工程應用能力得到鍛煉。

5 結語

大學生實踐創新能力的培養需要高水平的創新型實驗教學平臺，以實現基本實驗、綜合實驗、研究性實驗的多層次實驗教學模式，最終實現動手能力、創新思維、科學研究能力、工程應用能力等多層次能力的培養。另外，創新型實驗教學平臺的研發過程與大學生科技創新項目有機結合，既有利于學生創新能力的培養，又為實驗室創新平臺建設提供了源源不斷的創新性靈感。創新型實驗教學平臺的建立為創新性本科實驗教學和大學生科技創新項目提供了有利條件。■

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）[DB/OL].http：//old.moe.gov.cn/

publicfiles/business/htmlfiles/moe/info_list/201407/

xxgk_171904.html.

[2]習近平.習近平出席中國科學院第十七次院士大會、中國工程院第十二次院士大會開幕會并發表重要講話[DB/OL].

[2014-06-09].http：//news.cntv.cn/2014/06/09/VIDE140

2312692641556.shtml.

[3]易紅.高校實驗教學與創新人才培養[J].實驗室研究與探索，2008，27（2）：1-4.

[4]楊叔子，張福潤.創新之根在實踐[J].高等工程教育研究，2001（2）：9-12.

[5]楊叔子，吳昌林，張福潤.再論創新之根在實踐[J].高等工程教育研究，2002（4）：1-6.

[6]楊叔子，吳昌林，張福潤.三論創新之根在實踐[J].高等工程教育研究，2003（2）1-5.

[7]楊叔子，吳昌林，張福潤.四論創新之根在實踐[J].高等工程教育研究，2006（2）：3-6.

[8]張鵬，于蘭，劉助柏，等.高校大學生創新能力培養現狀及對策研究[J].大學教育科學，2005（3）：50-53.

[9]閻國華.工科大學生創新素質的提升研究[D].中國礦業大學，2012.

[10]周錦蘭，王宏，聶進.多層次大學生創新實驗平臺的構建與實踐[J].實驗技術與管理，2011，28（4）：16-18，21.

[11]成麗，楊祖幸，湯潔，等.創新實驗平臺的建設與管理機制創新[J].實驗科學與技術，2010，8（3）：166-168.

[12]湯佳樂，程放，黃春輝，等.素質教育模式下大學生實踐能力與創新能力培養[J].實驗室研究與探索，2013，

32（1）：88-89.

[13]秦鋼年，黃大明，盧福寧，等.構建適應創新型人才培養的實驗教學體系[J].實驗室研究與探索，2012，31（1）：

101-104.

[14]張輝，張陽，陶冉.探索實驗教學的改革與創新：以水泵組合參數測控實驗平臺研發為例[J].合肥工業大學學報：社會科學版，2012，26（2）：119-122.

[15]曹榮敏，周惠興，文華強.設計創新實驗項目 培養工程創新能力[J].實驗室研究與探索，2011，30（10）：228-231，275.

[16]劉世軍.工程化教育背景下工科大學生創新能力培養研究[J].長春工業大學學報：高教研究版，2014，35（2）：

120-122.

[17]杭凌俠，高愛華.實驗教學工程化的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2006，25（2）：145-147，151.