過程裝備與控制工程專業科教協同育人探究
——以多相流霧化科技創新平臺融入人才培養的實踐為例

楊矞琦，李世穎，張海鵬

（中國石油大學〔北京〕 克拉瑪依校區工學院，新疆 克拉瑪依 834000）

大學生創新能力培養一直是高等教育的重要任務，長期以來受到眾多教育專家的關注。各高校過程專業將學生創新能力培養作為重要目標納入本科教學體系的設計和構建，但就目前的實施情況看，大學生創新能力發展仍有提高的空間［1］。首先，現階段組織的創新類競賽等實踐活動范圍較窄，大學生在平時學習過程中的創新意識相對還較為薄弱，實際效果低于預期，學生參與創新實踐的積極性還需進一步調動［2］；其次，由于目前學生創新項目發展平臺等方面的建設仍在進行中，良好的學術創新氛圍還需進一步提升［3-5］。而以知識傳授為主的課堂教育和已形成既定內容的實踐模式，依舊難以促進大學生創新能力培養，大多數學生只有到了大四階段才能通過綜合課程設計、畢業設計等課程真正接觸科研。今后通過合理的教學方法改革，促進大學生實踐能力的提高，完善大學生創新能力培養與基礎理論課程相結合的教學模式勢在必行。

在教學實踐活動中引入科技創新環節，已經成為一種較好的培養過程裝備與控制工程專業學生綜合能力的方式，通過這種方式可以使學生在了解過程專業科技創新平臺與相關課程之間的內在聯系的基礎上，對創新平臺相關實驗臺架進行設計、優化及改造，為學生開展科技創新活動提供支撐和保障。同時，在專業基礎課程設置合理的“大學生科技創新”環節相關教學實踐內容，讓學生在大學四年不同階段都能有各種機會親身感受科研、認識科研、參與科研，將創新意識融入到學生的整個大學生涯。同時通過科研和創新實踐加深對課堂知識的理解，不斷完善教育教學體系和科技創新建設機制，從而為提高過程裝備與控制工程專業人才培養質量提供保障，達到創新型、綜合型人才培養的目標。

一、通過平臺搭建培養學生自主設計能力

多相流霧化實驗平臺的設計、優化及改造過程中涉及到多門過程裝備與控制工程專業課程，例如：多相流霧化平臺中的噴嘴、儲罐、壓縮機、儀器儀表等涉及“故障診斷”“過程裝備成套設計”“電工電子”“自動控制”等課程的教學內容。多相流霧化平臺（如圖1所示）一般包括：（1）儲液罐：設計容積0.2 m3，設計壓力2.2 MPa，設計溫度150℃；（2）儲氣罐：設計容積0.2 m3，設計壓力2.2 MPa，設計溫度150 ℃；（3）空氣壓縮機：容量160 L；（4）計量泵：立式多級離心泵，設計流量2 m3/h；（5）壓力表：量程0～4 MPa，2塊，量程0～6 MPa，1塊；（6）氣體流量計：滿度流量0.6～60 m3/h，壓力常壓，溫度常溫；（7）液體流量計：流量范圍0.04～0.4 m3/h，工作壓力2 MPa；（8）水箱：用于儲存提供實驗用水；（9）霧化噴嘴；（10）激光粒度分析儀；（11）箱體等。

圖1 多相流霧化科技創新實驗平臺機理圖（圖中字母Q代表流量計）

在平臺構建過程中，儲液罐和儲氣罐的設計需要使用“過程設備設計”“壓力容器分析設計方法”“過程裝備力學基礎”等課程中壓力容器的設計和校核相關內容；空氣壓縮機、泵的設計和選型需要用到“過程流體機械”課程中動設備的類型、結構特點分析；壓力表、氣體流量計、液體流量計的設計和選型需要結合管道流動阻力和壓力降，使用“工程流體力學”“過程裝備控制技術及應用”課程中的相關內容進行計算、校核，并設計數據采集方案；水箱、霧化噴嘴、箱體的設計需要使用“機械原理”“機械設計”“工程材料與機械制造基礎”等課程中的相關內容進行機械結構設計、材料選型和加工制造等；激光粒度分析儀是使用光學方法測試霧化液滴粒徑的大小，激光粒度分析儀的測試原理和方法需要使用“大學物理”中的相關內容進行理解和掌握。通過對創新平臺的設計可以促進學生對課堂知識的鞏固、加深理解和靈活運用，使學生更直觀地感受工程實際的復雜性、精確性以及專業知識在工程應用中的意義，在設計過程中不斷查閱教科書，根據平臺預期達到的效果和目的不斷改進設計方案，可更好培養他們的工程意識，增強自主設計能力，達到學以致用的效果。

二、通過科技創新促進學生掌握專業知識

在原有的“過程裝備”專業課程教學基礎上，增加有“科技創新課題研究”和“創新平臺教學觀摩”的實踐、實驗環節。這不僅僅是簡單的增加內容，而是全面系統地融合在一起，體現“科教協同”“喻教于研”的特色。例如在“工程流體力學”“過程流體機械”“流態化”“多相流測量”“大學物理”“化學反應工程”等課程上，通過多相流霧化創新實驗平臺，開展一些與課程內容緊密相關的創新實驗設計、實驗操作、實驗數據分析、理論計算等，促進學生對課堂知識的鞏固、加深理解；對于專業課程的實驗教學不再局限于傳統的較為簡單的演示性實驗，而是具有較強實用性、前沿性和多學科交叉性的科技創新類實驗，需要用到多學科領域的知識，如霧化液滴的粒徑大小和變形規律需要用到“膠體界面化學”課程中的界面張力等知識分析，噴嘴的霧化角度、管程流動阻力以及水頭損失需要用到“工程流體力學”課程的伯努利方程等進行計算，為分析霧化效果建立多耦合霧化模型需要用到“高等數學”“數值分析”課程中BP神經網絡模型等知識進行建模分析。在科創活動中，學生將多學科領域的知識應用于實際，不僅有助于他們學習更加豐富的知識，同時也能增強他們對專業知識的靈活運用，并在應用中加深掌握，達到“學習—實踐—再學習—再實踐”的效果。

三、通過實驗研究增強學生實踐操作能力

動手能力差、解決問題能力弱、高分低能是當代大學生培養存在的弊病之一，原因在于目前大學的課程教學多局限于書本知識，直至大學四年級下學期的畢業設計才開始真正接觸科研，而在這之前動手實操和鍛煉的機會較少，導致大多數成績好的學生僅是學習書本知識能力強，但創新能力相對較弱。將多相流霧化科技創新平臺納入原有的“工程流體力學”“故障診斷”“過程裝備成套設計”等課程的教學內容、教學大綱以及教學計劃，根據學時安排，基于多相流霧化實驗平臺設置氣液兩相流壓力霧化性能實驗、空氣壓縮機工況分析實驗、霧化噴嘴設計等創新研究課題，不僅可加深學生對課堂知識的理解和應用，也可以增強學生實踐操作能力，多相流霧化實驗裝置圖如圖2所示。

圖2 多相流霧化實驗平臺裝置圖

在這個過程中，培養了學生的實際動手操作能力，例如泵和壓縮機的啟停、流量的調節與控制、霧化角的攝像記錄、霧化液滴粒徑的在線測試、實驗數據的實時采集以及數據分析等。促使學生在遇到問題后獨立思考如何解決問題，正確認識科研，培養學生認真、細致、勤勞、好學的科研精神。也能進一步促使學生正確認識自己，是否適合科研、是否對科研打心底里喜歡和感興趣，從而為國家篩選出更加具有科研創新潛力的優異人才。

四、通過學科競賽提高學生綜合創新能力

基于多相流霧化科技創新平臺，開展一些創新課題的研究，也能為積極參加全國大學生科技創新大賽，有目標、有重點地引導學生開展創新活動提供基礎。例如通過對不同結構噴嘴霧化特性的分析，優化噴嘴尺寸和結構，可用于設計催化裂化裝置的進料噴嘴、加熱爐中的燃燒器噴嘴、汽車中的燃油霧化噴嘴以及綠植灌溉中的噴嘴等，霧化效果直接影響相關裝置或設備的運行效率和穩定性，其優化設計具有重要的節能減排意義，一種進料噴嘴的結構設計如圖3所示。通過優化設計噴嘴可參加過程裝備實踐與創新大賽等國家級競賽，例如中國石油大學（北京）克拉瑪依校區基于多相流霧化創新平臺設計的“一種植物全生命周期智能監控與管理系統”，獲得“第十二屆過程裝備實踐與創新大賽”一等獎。在設計實際工業應用噴嘴的過程中，不僅僅是書本知識的應用和簡單裝置的設計，更要結合實際生產，綜合考慮行業背景、操作便利、自動控制、成本低廉等多方面因素，達到設計的噴嘴在實際生產中能夠真正用起來，促進學生綜合創新能力的提升。此外，通過學科競賽培養學生創新意識和設計能力，使學生更清晰地了解行業現狀，為學生將來的就業或進一步深造奠定良好的基礎。

圖3 進料噴嘴裝配圖

結語

通過將多相流霧化科技創新平臺融入過程裝備與控制工程專業人才培養的過程中，包括理論課程、專業實驗、綜合設計、畢業設計等教學環節上，制定新的實踐教學計劃和大綱，優化這些培養環節，并以創新課題為依托參加科技創新大賽，將創新意識融入到學生的整個大學生涯，彌補了目前大學生到大四年級之后才開始通過課程設計、畢業設計等課程接觸科研的缺陷。同時，通過科研和創新實踐加深對課堂知識的理解，通過學科交叉的實踐性教學，培養既有扎實的機械設計基礎，又具備較強的過程工藝知識，以及掌握過程裝備控制的基本原理和應用技術，既能進行成套裝備的設計、制造等工作，又能進行工藝的開發與研究，具有綜合分析能力和創新意識的高素質復合型人才。