基于实验教学改革的新工科人才培养实践
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作者:李钰洁 刘永葆 余又红 马睿
[摘 要] 新工科对实验教育教学提出了新的要求，为提高学生综合能力、创新能力，以适应新工科要求，从培育人才综合能力素质出发，针对工科课程的学习特点，分别在实验教学条件、教学内容、教学模式等方面进行了改革实践。通过建设综合实验教学平台，构建仿真实验室，建立精准化评价模型，实施互联网平台实验教学与仿真实验互为补充的教学模式等措施，对专业领域的人才培养进行了探索与实践，有力地推动了新工科的发展。
[关键词] 实验教学;新工科;仿真实验室;教学模式;评价模式
[中图分类号] TK 427 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）41-0379-04 [收稿日期] 2020-03-12
我国经济的迅猛发展带动了社会、政治、文化各个领域的快速发展，对教育改革创新提出了新的目标，掀起了新工科教学改革的热潮[1-3]。新工科对大学生的综合能力素质提出了更高的要求，尤其在实验教育教学中，更是体现了对学生创新能力、动手能力、协作能力的要求。
叶轮机械作为一门传统的工科课程，要求学生综合运用工程热力学、流体力学、机械设计等专业基础理论，对叶轮机械中的能量转换、气动特性、工作特性进行深入分析[4]，在掌握叶轮机械专业理论的同时，学会运用基础理论来分析和解决工程技术问题的基本方法，为今后熟练掌握操纵管理和维护设备机组基本技能，并为提高对设备故障的分析能力打下坚实的专业基础[5，6]。为加强叶轮机械与工程实际的关联性，通常通过设置相应的综合性实验帮助学生理解和掌握叶轮机械的基本结构形式[7-9]、运行性能与调节控制，通过叶轮机械综合实验课程，使学生掌握流体机械性能测试、叶片设计与仿真实验基本方法，提高动手操作能力、实验分析能力。但是当前叶轮机械实验还存在诸多问题。一是实验条件方面，针对本科教学开展的可运行叶轮机械或者设备单一，或者偏离工程实际，只考虑某一方面而不能实现对叶轮機械综合性能的全面考虑，不能满足学生动手实践需求，缺少在实践中发现问题、思考问题和解决问题的机会，不能很好地锻炼分工协作能力;二是教学模式方面，传统的实验模式是由教师讲解，学生重复实验操作，导致实验创新思想的匮乏;三是实验实施与评价方面，实施过程由老师统一安排，实验结束后没有形成有效的评价体系，忽略了对学生综合能力素质的评价。
针对实验教学存在的问题以及当前新工科对学生综合能力素质的新要求，为培养学生扎实的理论基础并突出综合能力素质的养成，围绕叶轮机械综合实验课程，从实验条件、教学模式、评价模型三个方面对叶轮机械实验教学重点进行了改革与实践。
一、以综合实验教学为牵引，通过科研创新反哺实验教学
在教学过程中，培养学生掌握基础知识的同时，更应注重能力素质的培养。在实验教学中，针对叶轮机械综合性能实验教学，建设了多级轴流式压气机、跨音速风洞等科研平台，通过科研创新来反哺实验教学，将科研优势转化为人才培养特色，在工程思维与理念训练层面进行实验创新教学与实践，在实验条件层面满足学生动手实践的需求，力求在实践中发现问题、思考问题、解决问题。
（一）多级轴流式压气机气动测试实验
压气机作为典型的叶轮机械，为了解压气机气动特性与能量转换原理，需要开展压气机特性实验。高速旋转的压气机实验台可以较好地模拟压气机流场的气动变化情况，因此通过精心设计与优化压气机的实验方案，实验室建设了压气机综合性实验平台。实验平台主要由试验台架和测量系统两部分组成，如图1所示。
其基本工作原理是通过一台调速直流电机带动增速齿轮箱转动，从而驱动压气机试验段的转子旋转，气流经过进气罩沿轴向吸入通道，经过试验段的压气机增压后进入排气段部分，再由排气蜗壳排入大气。实验平台进气段中装有流量测量参数传感器，用于测量稳态的流量，尾部装有流量调节节气门装置，用于调节压气机的流量值。进气段、排气段可以与压气机试验段分离，便于快速更换试件和安装测量装置。各试验段采用模块化设计和联接，便于开展压气机特性和低工况性能改进等综合性试验，建成后的实验台如图2所示。
为满足压气机性能试验平台使用要求，该压气机除基本结构外，还包括进气畸变、进口导叶可调机构、机匣处理和级间放气模块。通过实验使学生掌握叶轮机械的基本结构形式、运行性能与调节控制，掌握舰船流体机械性能测试、流动测试、设计与仿真实验的基本方法，提高学生动手操作能力;另一方面，叶轮机械综合实验课程要成为本科生对专业仪器、实验操作、专业软件操作、数据分析等基本功训练的综合主战场。同时，实验课程将实验教学上升到工程思维与理念训练的高度，作为创新型人才培养的一种不可或缺手段。
（二）内流风洞跨音速实验
跨音速风洞试验平台主要针对旋转机械的气动热力性能展开。当前典型叶轮机械包括热力旋转机械，为深入理解热力旋转机械的做功机理，提高做功效率，利用跨音速风洞试验平台，结合气动热力学基础理论，进行热力旋转机械的实验教学。跨音速风洞试验平台主要包括气源系统、跨音速风洞系统、气动热力学参数测量系统、风洞控制系统等，如图3所示。
实验系统涵盖了跨音速燃气轮机气动热力性能的各项试验内容，可进行微观内流场的测试和重构、外流场模化试验，形成跨音速燃气轮机气动热力学性能、气动稳定性性能、“结构—流场—性能—控制”等多学科多物理场的试验能力，为高气动性能和长寿命燃气轮机的设计优化、性能分析、寿命预测打下技术基础，通过实验对科研进行创新，以创新成果为指引，实现对教学的反哺，提升教学质量与层次。
二、优化实验教学模式，充实实验教学内容
当前的实验教学主要立足于在规定的课堂时间内，由教师进行实验原理讲解，学生按照规定的实验内容进行实验操作，进而对实验数据进行分析完成实验报告。这种实验教学模式的优点在于学生可以在成熟的理论指导下，通过实验操作对理论形成更加牢固的认识，但是学生的创新思维与创新实践并没有得到很好的锻炼。 （一）构建开放式实验课堂
为适应当前对工科人才的新要求，实验室在实验教学方面建设开放式实验室，充分利用教学资源来培养学生的实践能力和创新意识。教师把叶轮机械当前研究热点、最新科研成果引入实验课堂，带领学生去体验科研创新，实现研究型实验与教学型实验的互动交流。在科研成果促进实验教学的同时，综合采用启发式、讨论式、开放式等教学方法，使实验教学活动真正建立在学生主动探索的基础上，通过查阅资料、分工思考、自主探究等方式获得实验的最佳方案
（二）创建仿真实验室
叶轮机械知识点概念抽象，流场结构复杂，看不见摸不着;因此在教学过程，针对这些问题，在压气机综合实验平台的基础上构建仿真实验室，开展虚拟教学实验与真实实验相辅助的教学模式。一方面将压气机防喘措施，如中间级放气、可转导叶、机匣处理等，通过真实实验的形式获取防喘效果;另一方面，在教师的指导下，建立压气机实验平台的有限元数值计算模型，结合数值仿真计算的方法，分析三种防喘措施的作用细节，增加实验形式的多样性。压气机实验平台数值仿真结合实验教学的模式如图4所示。
学生分组后，一方面充分利用压气机性能试验平台，分别进行压气机可转导叶、级间放气、机匣处理的低工况性能试验，通过监测通流部分流量、压力、温度的变化，以实验数据为依据，得到不同防喘措施对压气机工作特性的影响特点，通过对实验数据的计算分析，量化三种防喘措施对喘振裕度的具体影响程度;另一方面引导学生自行设计并仿真验证，对不同的防喘措施进行虚拟气动测试。通过计算机模拟计算得到压气机内部流场流动细节，制作压气机的二次流动动画，将抽象的概念原理与叶轮机械内复杂的流动过程形象地表达出来，在锻炼学生计算分析能力的同时，使学生对概念原理和实验流程的理解更清晰透彻。通过这种虚实结合的方式，降低在真实实验中的操作带来的风险，促进了知识的转化与拓展，同时也弥补了实验设备容量与学生人数不匹配的问题。
（三）促进网络先导学习
叶轮机械研究领域发展十分迅速，为及时更新本领域科技成果以及交叉学科的最新成果，利用互联网深度开放实验室，吸收叶轮机械领域最新的理论，开设精品资源网站。一方面针对现有课程要么只是讲述理论，要么只是单纯的CFD软件培训，将基本理论、先进技术及数值实践结合起来，形成一体化的课程，让学生在本课程完成后，不仅具备较为完备的理论知识，也同时能够具有创新素养和动手实践能力;另一方面，除了讲述基本理论之外，还设置研讨、答疑和在线互动等教学方法。同时，针对学生对知识点的把握、问题的统计分析，在基本课程体系建设之外，及时补充相关信息资源，并做好教学资料的更新和补充，特别是针对专业基础教学的先进性即创新需求，及时将最新研究成果补充到网络课程中，学生可以通过电脑或手机快速接收信息、预约实验，简化流程，节约时间。基于网络先导的实验模式案例如图5所示。
压气机实验平台的机匣处理模块目的是延迟叶片的失速，扩大压气机的喘振裕度。闭环实验模式的主要形式是利用互联网信息优势，教师与学生形成线上互动，在实验相关的各方面形成信息的及时交流，对实验安排、实验流程、操作规范、实验设计形成规范后，首先通过实验测试获取机匣处理的防喘效果，针对机匣内壁的环形空腔进行数值仿真并分析作用机理，然后通过软件计算改善内壁设计，利用增材制造等手段，实现内壁新型设计形成实物，更换新的内壁机匣（如图6所示），最后通过实验验证新设计的机匣处理防喘效果，形成实验教学的闭环，在设计能力、分析能力、动手实操能力等方面充分锻炼学生的综合能力。
三、更新实验教学评价模型，精准评价“教”与“学”
原先的实验课程评价主要由学生撰写的实验报告质量决定，这种评价方式无法全面评价学生对实验的掌握程度，对于叶轮机械这种专业基础类课程，对照相应教学质量国家标准，应着重考核学生研究探索能力、应用能力和实际操作能力，因此，建立新的精准化实验评价模型，在实验思路、实验内容、团队合作等方面进行综合评价。一是实验思路，占比30%，包括实验主题是否明确，逻辑是否清晰以及是否贴近实际应用等三个方面，对应的是学生思考与判断能力的评价;二是实验内容，占比40%，包括是否突出实验研究重点，是否体现实际操作是否具有创新性、实验数据是否准确等四个方面，对应的是学生动手实操能力以及创新能力的评价;三是团队合作，占比30%，包括分工是否合理，讨论是否充分，任务完成标准等三个方面，对应的是学生组织实施与协调能力的评价。
通过建立精准化评价模型，突出强化学生的主体地位，充分调动学习积极性和主动性，强调对实验过程的评价，并通过这种方式，引导老师不断更新实验教学理念，改革教学内容和方式，强化对学生学习的深度指导，加强师生交流，激发学生学习热情，使老师真正成为学生学习的引导者。
四、结语
新工科人才培养提出了“创意—创新—创业”人才教育培养目标体系，为加强创新和综合型实验建设以适应新工科建设内涵，针对叶轮机械课程的实验教学特点，通过建设综合实验教学平台、构建仿真实验室，利用互联网实现网络化实验教学平台和仿真实验室互为补充的教学模式，建立了精准化评价模型，对专业领域的人才培养进行了探索与实践，推动了新工科的发展。
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