基于學科競賽項目的創新性實驗開發探討

黃聰，朱志恒，范軍，胡玉秋，張玉穩

（山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安 271018）

培養具有創新思維和創新能力的大學生已成為高校人才培養的核心目標，而學科競賽是提高本科教育質量、培養創新型人才的一項重要舉措[1-2]。學科競賽可以拓寬大學生專業視野，使學生變被動學習為主動學習，培養工程創新思維和工程研究方法，提高解決工程實際問題的能力，全面提升工科類本科教育教學質量[3]。宛楠等[4-6]對學科競賽促進創新人才培養開展了研究。工科類學科競賽大多數是基于創新性實驗展開的，通常是提出一個創新性的想法，然后用實驗來驗證。創新性實驗激發了學生科技創新的積極性，培養了學生的研究興趣和團隊合作意識[7]。創新性實驗能夠培養學生自主學習和創新實驗的能力，引導學生深入了解實驗、參與實驗，調動了學生學習的積極性、主動性，激發了學生的創造性思維與創新意識[8]。我校建筑環境與能源應用工程專業現開展的創新性實驗項目較少，無法滿足學有余力學生的學習要求和專業創新型人才培養的要求。針對這個問題，我們嘗試進行創新性實驗開發，并用于學科競賽中，取得了較好的競賽成績和良好的教學效果。

1 創新性實驗開發實踐

為了參加相關的專業競賽，我們開發了斷橋式自保溫砌塊研制的創新性實驗。該實驗研發的砌塊將用于日光溫室墻體的建造。該實驗首先要設計一個斷橋式自保溫砌塊的塊型，需要達到制作方便、成本低和保溫效果好的目的。斷橋式自保溫砌塊設計具有創新性，至少滿足實用新型專利的申報要求。先制作空心砌塊，然后用廢棄聚苯乙烯泡沫制成保溫漿料，填充砌塊空心部分制成自保溫砌塊。為了保證使用該砌塊直接砌筑外墻就能達到DB37/5026-2014《山東省居住建筑節能設計標準》[8]對外墻傳熱系數的要求，該砌塊采用了斷橋式的結構。

經過多次討論，最終確定了S 型斷橋式自保溫砌塊的結構[9]，如圖1所示。

圖1 斷橋式自保溫砌塊結構示意圖

該創新性實驗包含了下列內容：

1.1 斷橋式自保溫砌塊塊型設計

這個實驗的主要目標是讓學生熟練使用AUTOCAD 軟件及ANSYS 軟件。要求設計的砌塊塊型結構簡單、保溫性能好、易于加工。

AUTOCAD 軟件主要用于圖形的繪制、3D 效果圖的制作等。ANSYS 軟件用于設計砌塊的強度和保溫性能的數值模擬，獲得強度和保溫性能綜合最佳的砌塊塊型優化設計。

該實驗鍛煉學生熟練使用AUTOCAD 軟件基本繪圖命令，并且在此基礎上學習和使用AUTOCAD 軟件3D 建模，熟悉掌握ANSYS 有限元軟件抗拉強度和抗折強度模擬的步驟和設置，熟練使用ANSYS 熱模擬模塊來模擬砌塊的熱阻等熱工參數，從而得到保溫性能的數據。

通過這個實驗，使學生達到了熟練使用這兩個軟件的目的，鍛煉了學生的基本科研技能。

斷橋連接塊的設計。斷橋連接塊將砌塊斷橋部位連接起來形成整體，是整個砌塊的一個重要設計，連接材料的選擇是該設計的重要內容。經過多次討論，決定采用聚氨酯復合玻璃纖維增強筋的結構，如圖2所示。

圖2 連接塊的結構圖

因為玻璃纖維增強筋具有抗拉強度高（高于同一直徑的鋼筋）、導熱系數低的特點，將該材料與聚氨酯復合制成連接塊，滿足了斷橋式自保溫砌塊的設計要求。

該實驗要求學生理論聯系實際，根據實驗目的來篩選連接材料，鍛煉了學生的工程思維。

1.2 廢棄聚苯乙烯泡沫制作保溫漿料實驗

學生可以參照《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統材料》JG/T158-2013[10]來開展這個實驗，主要測試干表觀密度、抗壓強度、抗拉強度、導熱系數、軟化系數、線性收縮率等指標。

通過這個實驗，學生明白了可以根據有關的規范來指導新的研究，并且熟悉了保溫材料的一些測試方法和測試儀器的使用，鍛煉了學生的動手動腦能力和嚴謹細致的工作態度。該實驗可以將固體廢棄物的廢棄聚苯乙烯泡沫資源化利用，為該類固廢的處理提供了一個新的思路。學生明白了這個重大意義后，做實驗的積極性更高了。

1.3 砌塊用混凝土配合比實驗

學生可以根據《普通混凝土配合比設計規程》JG/J55-2011[11]來進行這個實驗，經過該實驗，學生可以熟練掌握普通混凝土的配合比的設計及相關實驗的內容。然后根據設計好的配合比，制作標準式樣來測試抗壓強度、導熱系數等參數。

通過該實驗，學生明白設計的配合比必須滿足設計和施工要求，而且經濟合理，而不是片面追求強度越高越好。熟悉了配制強度的計算公式、強度標準差的計算、水膠比的計算、抗壓強度的計算、摻外加劑時的用水量計算、外加劑用量計算、砂率計算、抗滲抗凍等。這個實驗涉及的項目多，需要團隊成員相互配合完成，鍛煉學生的團隊合作意識。

1.4 斷橋式空心混凝土砌塊模具設計及砌塊制作實驗

根據設計好的砌塊結構圖，設計制作砌塊的模具，要求該模具制作簡單、便于拆卸、成本低。然后根據設計好的配合比來制作斷橋式空心砌塊的實物并養護。

斷橋式空心混凝土砌塊的制作包括下面的步驟：（1）模具組裝。（2）斷橋塊制作。（3）混凝土配比確定。（4）將配制好的混凝土倒入模具中，振動密實，養護。（5）拆模并養護。

1.5 斷橋式自保溫砌塊抗壓強度和抗折強度實驗

將制作完成的保溫漿料填入斷橋式空心混凝土砌塊的空心處，便制成了斷橋式自保溫砌塊。待砌塊養護成型后，即可開展相關實驗。根據《混凝土砌塊和磚實驗方法》[12]，對在標準養護條件下養護28 天后的多組斷橋式自保溫砌塊進行抗壓試驗和抗折實驗。通過這個實驗，學生可以掌握壓力試驗機的使用方法、抗壓強度和抗折強度的計算及有關數據處理。

1.6 斷橋式自保溫砌塊墻體傳熱系數測定實驗

將養護好的自保溫砌塊在HTW-1 型建筑圍護結構傳熱系數檢測儀里面砌好墻，兩邊用M5 水泥砂漿抹平，周邊空隙用泡沫材料填充密實，如圖3所示。待墻體充分干燥后再進行相關試驗。通過該實驗，學生可以熟練掌握傳熱系數測定儀的操作方法及有關數據的處理方法。

圖3 砌墻測溫設備

1.7 熱電偶的制作與標定

實驗中用到了溫度傳感器，制作熱電偶。首先實驗用熱電偶點焊儀制作熱電偶，然后放入恒溫水浴中校準，利用高精度的數字萬用表獲得每根熱電偶的溫度-熱電勢的曲線。

通過該實驗，學生了解熱電偶的結構，學習制作熱電偶，標定熱電偶及數據處理的方法。在實踐中，學生制作了T 型熱電偶和K 型熱電偶并進行了標定。

1.8 數據采集儀Agilent 34972A 的使用

在熱電偶的標定及傳熱系數測定的實驗中，需要用到Agilent 34972A 數據采集儀。學生需要熟練掌握該儀器的使用方法，板式熱流計及熱電偶與采集儀的采集板正確的連接方法，以及該采集儀與電腦的通信設置等。

使用步驟：（1）在電腦中安裝Agilent Benchlink Data Logger 3 程序，（2）用網線連接采集儀和電腦并通信測試，（3）配置通道，（4）掃描及數據記錄。

2 創新性實驗訓練的成果

依托山東農業大學建筑環境與能源應用工程專業溫室節能研究平臺，開發了斷橋式自保溫砌塊研制的創新性實驗，并參加了多個學科競賽項目。先后獲得了首屆“能源智慧未來”全國創新創業大賽一等獎，第十一屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽二等獎，第五屆全國大學生農業建筑環境與能源工程相關專業創新創業競賽一等獎，第三屆山東省科技創新大賽一等獎的好成績。

通過該項目，學生申請了專利《一種斷橋式自保溫混凝土砌塊》并獲得了授權，專利號2018221641682。在核心期刊發表了相關的論文《S 形斷橋式自保溫砌塊的強度和保溫性能研究》。

成績的取得，是對該項目的創新性及具體工作的認可。該創新性實驗，增強了學生的動手能力和科研素養，使學生熟悉了有關規范的實際工程應用，培養了學生的創新性思維和團隊合作精神，取得了良好效果。

3 創新性實驗開發的建議

3.1 創新性實驗的開發，要與指導教師的科研題目結合，或者與大學生創新創業計劃項目結合

與指導教師的科研題目結合，探索研究生帶本科生的模式，能讓學生快速進入研究狀態。與大學生創新創業計劃項目相結合，指導教師定期檢查學生實驗進展，讓學生積極動手、動腦自主解決問題，提高科研水平。指導教師要注意發揮每個學生的特長，提前做好任務分工，定期組織討論，增強學生的團隊合作意識。這種在學科競賽中獲得的綜合能力可以使學生在完成第一課堂繁重任務的同時，以更多的毅力和恒心去解決其他學習、生活、工作中的困難。增強大學生的科技創新意識，鍛煉大學生的邏輯創新思維，磨煉大學生的意志品質。豐富大學生的工程實踐經驗，拓展大學生與企業交流的橋梁，積累大學生創業的技術資本。

3.2 學院和學校要對教師開發創新性實驗、積極指導學生參加學科競賽給予大力支持，充分調動指導教師的積極性

為了促進學生的創新創業，山東農業大學完善校院兩級工作體制和運行機制，加強組織領導，實行目標管理責任制，將創新創業工作納入學院評價指標體系，定期對創新創業工作進行績效考核，加大經費、場所投入力度，確保每個學院建有一處大學生創新創業實踐場所。加大政策扶持力度，對優秀創新創業指導教師在教學工作量核算、職稱評聘、評先評優等方面給予政策傾斜，設立專項研究課題，資助教師開發創新創業教育課程和科研項目。加強創新創業隊伍建設，加大師資培養和引進力度，建設專兼職結合的師資隊伍，營造創新創業的濃郁氛圍。

3.3 對積極參加創新性實驗和學科競賽的學生，給予評獎評優優先的支持，充分調動學生的參與熱情，提高教學的效果

建議對優秀創業學生在學分獎勵、實踐環節認定、研究生推免、先優評比等方面予以支持。開展大學生創新創業標兵、創新創業之星、優秀創新創業實踐項目、優秀創業公司等先優評選表彰工作。形成人人愛創新，人人懂創新，人人做創新的良好氛圍。