热能与动力工程课程融合的开放性实验平台探索

摘 要 在卓越工程师教育培养计划目标的指引下，根据专业特点，积极探索着眼于课程融合的开放性实验平台建设方案，从而改变传统专业课程实验内容单一的现状，以期改进学生解决问题的方法，提高实践能力和创新能力。

关键词 卓越工程师；课程融合；开放性实验平台

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）10-0151-03

Research on Open Experimental Platform based on Curriculum Integration of Thermal Energy & Power Engineering//XU Li

Abstract Under the guidance of excellent engineer training program，

active exploration was carried out for the open experimental platform based on curriculum integration according to the professional characteristics， which can change the status of the present single experimental content of the traditional professional courses， and the method to solve the problem can be enhanced and the practice ability and innovation ability can also be improved consequently.

Key words excellent engineer； curriculum integration； open experi-mental platform

1 前言

近年来，通过对国内一些高校的专业实验室建设进行调研，发现普遍存在建设投资较大，但利用效率相对较低、应用范围相对较窄的问题[1]。专业实验室的建设初衷是为了更好地培养学生的实验和实践技能，理应让专业实验室充分向本科生开放，然而目前国内大多数高校的实验室侧重服务于科研项目，参与人员基本上是研究生，专有的本科教学实验设备相对陈旧，一般仅仅按课程教学计划开展指定的实验，因而大多数本科生除了教材知识之外，对科研工作并没有足够的认识，缺乏新时代所需要的各种实践能力和创新能力。现今大学生参与科学研究的积极性很高，众多本科生都在申请自主创新基金项目、节能减排大赛等科技竞赛活动，因此，为提升创新实践能力，使本科生在将来的科研工作和生产工作中奠定良好基础，是本科教学实验改革需要重点关注的方向。

目前主流的实验教学改革思路是打破传统专业实验室相互独立的局限和过去只在课程内开设有限学时数实验的机制，在充分保证基础实验项目的基础上，以开设大型综合性实验和开放自主创新性实验为建设目标，通过相关联专业课程融合、跨实验室进行实验，使实验教学能够融入多学科理论知识和实验资源，既能有机结合各门课程的核心理论体现其关联性，又能让学生通过实验更深刻理解专业知识并运用知识。合理引导本科生参与科学实验工作[2]，充分理解科学研究的内涵，为大学生今后走入社会或融入科研工作起到促进作用，将有利于培养学生在多学科交叉并且快速发展的科学领域中发现问题和寻找解决问题突破口的初步科研能力。

本文结合武汉理工大学热能工程系实验教学现状以及科研项目特色，进行课程融合的开放性实验平台探索研究。

2 实验教学现状分析

热能工程系经过“十一五”和“十二五”前几年的实验室建设，取得一定成绩，但也还存在诸如设备严重老化、一些新设计实验甚至传统基础实验难以开展的问题。

1）动力装置设计平台方面：目前在船舶动力装置教学方面偏重于理论，与造船企业的实际需求有一定偏差。就现状而言，实验室购置的软件中已经包含船舶工艺设计的内容，但由于计算机数量的限制并且实验目的单一，无法实现在有限学时数内让本科生得到充分的实践机会。

2）动力装置实验室方面：船舶动力装置实验室设备老化较为严重，无法开展动力装置原理与设计、船舶动力装置课程教学大纲中要求完成的部分实验环节；同时由于相关基本物理量的测试仪器在动力装置实验室和热工实验室中大量重复配置，资源存在一定闲置。

3）热工实验仪器方面：主要服务于工程热力学、传热学课程，利用率相对较高，但也存在设备台套数不足、设备老化的问题；制冷实验设备现在主要用于每年少量的开放性实验教学，利用率非常低，未能充分应用于本科生创新性科技竞赛中。

不仅如此，本科生在完成各实验室的实验内容之后，对学科体系的认识依然不足，不知道专业基础课程工程热力学、传热学的理论如何应用到核心专业课程动力装置原理与设计的动力系统设计中，因而亟待建立一套服务于相关课程实验教学的综合实验平台。

3 课程融合的开放性实验平台建设目的

基于如上分析，搭建一套课程融合的开放性实验平台显得尤为迫切和重要，建设目的包括：

1）通过利用实践环节反向补充理论教学，拓展传统热力循环理论框架，阐明热能与动力知识体系在工程应用中的基本规律和合理性；

2）按照通用标准和行业标准培养本科生的工程测试能力，能源与动力系统的设计、优化能力以及不断探索和创新的意识；

3）为本科生船舶动力装置原理、工程热力学与传热学、工程热力学、传热学、热能动力机械测试技术、机械振动分析与应用、轮机工程测试技术及船舶管理等课程提供完善的实验平台。

4 课程融合的开放性实验平台建设意义

早在2010年6月23日，教育部联合有关部门和行业协会共同在有关高校中组织实施“卓越工程师教育培养计划”[3-4]。武汉理工大学作为第一批“卓越工程师教育培养计划”高校之一，清晰的定位也对本校教育培养工作提出更明确的要求。“卓越计划”具有三个特点：一是行业企业深度参与培养过程；二是学校按通用标准和行业标准培养工程人才；三是强化培养学生的工程能力和创新能力。

本文提出的综合节能实验平台正是在“卓越工程师教育培养计划”的要求下，结合国际形势和行业背景，培养卓越工程人才，切实有效地应对航运业面临的主流问题。

5 编制的依据

在环境保护科学研究广泛开展的态势下，严格控制温室气体排放、保护大气环境问题已经受到航运界的普遍关注。CO2是最重要的人为温室气体。由于目前大多数船舶仍然依赖燃油燃烧获取的推进力来驱动船舶前进，而该结果必然产生大量CO2排入大气。为此，国际海事组织的部分成员国（包括欧盟国家、澳大利亚、新西兰和日本等）全力主张在航运界应不加区分地对所有船舶实行全球一致的温室气体排放强制标准。而船舶作为船旗国的浮动领土，能源系统具有一定的独立性，对能源的依赖性也较强，因而能源系统的合理有效应用及可再生能源的应用显得非常重要。

目前工业应用较多的能源综合梯级利用解决方案是冷热电联产系统（CCHP，Combined Cooling Heating and Power），其总的能源利用率可以达到75%～90%的程度。该系统一般以燃气（如天然气、生物质气等）作为一次能源，是将发电系统和供热、供冷系统相结合的一种综合供能方式，已经广泛应用于商用办公楼等处所，在大幅提高能源转换效率和降低温室气体排放方面，相较于常规能源转换系统具有很大的优势。在传统动力船舶上进行节省燃料或提高能效的设计或改造显得极为迫切，而作为热能与动力工程专业的本科生毕业后即将走向船舶、航运、能源企业工作，承担着节能减排这项责无旁贷的重要任务。因此，在本科实验教学中必须理论联系实际，进行相关的先进船舶节能系统的实验环节培养。本实验平台正是依据这样的能源技术进行搭建设计。

6 建设内容

本文所研究的“船舶CCHP综合节能实验平台”按本科专业教学课程的特点，可以构建工程热物理实验系统、工程测试技术实验系统、船舶节能优化实验系统三个相互关联的部分，本科生可以通过科技活动指导教师的启发，也可以结合纵向、横向科研项目或毕业设计任务书，利用开放性实验平台，选择合理的实验设计并有效地处理、分析实验数据。

1）工程热物理实验系统。

功能模块1：吸收式制冷模块。单效热水型吸收式制冷机组可以利用98 ℃左右的热水作为机组的热源，将冷剂水加热汽化，然后冷凝成液体去真空度较高的蒸发器中吸热汽化，对冷媒水进行降温达到制冷的目的。该设备具有的优点包括：①能利用柴油机的余热；②具有自动抽空的能力；③具有防止溶液结晶的保护功能；④能实现远程监控；⑤可以装在室外，节约实验室的使用面积。

功能模块2：换热器性能综合测试模块。换热器性能综合测试试验台的控制系统由工业控制台和工业过程控制软件组成。工业过程控制软件由专用的组态软件组成，能够进行数据采集、显示、信号处理及过程自动控制等功能。除此之外，还要求软件具有很强的数据处理功能，包括对数据值的记录、整理、保存和打印。数据整理结果可记录于数据表内，并可对数据进一步处理，如计算对数误差、传热系数或换热量等，并可根据这些数据和传热理论形成趋势曲线，拟合得出努谢尔特数（Nu）的实验关系式。

2）工程测试技术实验系统。

功能模块1：基本物理量测试模块。本系统主要检测的功能有：①天然气发动机主要性能参数的测试；②天然气发动机缸套水的流量、进出口温度测试；③冷媒水的流量、进出口温度测试；④电加热器的进出口温度、热水流量测

试；⑤制冷空调房间的温度、湿度测试；⑥天然气发动机实验房间的可燃气体检测与报警功能。

功能模块2：振动噪声测试模块。本系统主要检测的功能有：①实验区域噪声监测；②柴油机振动烈度测试分析实验。

功能模块3：DW电涡流测功测试模块。DW系列测功器具有宽广的测试范围，容许转速高，转动惯量小，测量控制精度高，对突变负荷响应快，不受冷却水进水压力变化的影响，且对外围辅助设施要求低，尤其适合于各种自动化的试验台架，与具有自动化控制功能的电控系统配套，能实现远距离操纵及数显测量。相对水力测功器而言，电涡流测功器在低速、小功率加载以及配套实现电控方面具有无可比拟的优越之处。

功能模块4：综合集成虚拟仪器模块。上述功能模块1～3需要对基本物理量、振动噪声和DW电涡流等物理量进行监测，可以对监测数据进行综合集成显示，建立虚拟仪器模块。虚拟仪表模块由传感器、数据采集卡、主控计算机和相关的虚拟仪器软件平台等组成。数据采集卡从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到主控计算机中进行分析、处理。基于LabVIEW开发相应的虚拟仪器软件平台，以动态曲线、虚拟仪表等形式实时地显示测试数据，并自动记录实验测试结果。此模块便于教师引导大学生开展相关实验，加强大学生的感性认识，有助于提高大学生的实际操作能力。

3）船舶节能优化实验系统。

功能模块1：船舶节能系统虚拟设计模块。该系统可以实现的主要功能：①船舶CCHP综合节能系统发电单元设计和改造模拟；②船舶CCHP综合节能系统制冷单元设计和改造模拟；③船舶CCHP综合节能系统热利用单元设计和改造模拟。

功能模块2：船舶节能系统优化模块。该系统结合相关测试数据对节能效能进行评价，并进行重新调整，优化CCHP零部件及系统，实现较为满意的节能效果。

7 结语

在国家实施“卓越工程师教育培养计划”的大背景下，为有效提升本科生的工程实践能力和科研素养，结合当前船舶行业节能减排的严峻形势，本文进行了将相关专业课程实验内容以整体形式有机融合的开放性实验平台建设的探索，从而寻求一种能有效提供本科生完成课程实验、参加学科竞赛、进行毕业设计等的基础平台，最终提高本科生创新实践能力，努力培养优秀的毕业生，使其为今后的科研工作和生产工作中奠定良好的基础。

参考文献

[1]刘燕，李晓波.开放的教学实验平台建设与创新性人才培养[J].实验室研究与探索，2014，33（3）：211-214.

[2]姜丽伟.教学实验设备使用与管理的优化[J].实验技术与管理，2011，28（10）：206-208.

[3]魏萍，周海霞，刘大双，等.基于卓越工程师培养的海洋工程与技术专业实践教学体系改革与探索[J].中国教育技术装备，2014（22）：153-154.

[4]石勇，马修真.能源动力类卓越工程师培养模式探索[J].中国电力教育，2014（17）：44-45，57.

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