曲 燕, 仇性啟

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

卓越計(jì)劃下實(shí)驗(yàn)資源共享與創(chuàng)新能力培養(yǎng)

曲 燕, 仇性啟

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

高校科研、教學(xué)實(shí)驗(yàn)室資源是培養(yǎng)大學(xué)生科研意識(shí)、運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題、開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練的重要保障。以環(huán)路熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建為例,探討了學(xué)校、學(xué)院、課題組3個(gè)層面實(shí)驗(yàn)資源有效利用的措施,以及“卓越計(jì)劃”下高校實(shí)驗(yàn)資源對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要作用。

卓越計(jì)劃； 實(shí)驗(yàn)資源共享； 創(chuàng)新能力培養(yǎng)； 環(huán)路熱管； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃(簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”) 在2010年6月啟動(dòng),旨在通過(guò)校企合作培養(yǎng)造就創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的工程技術(shù)人才,是加強(qiáng)我國(guó)工程教育水平的重要舉措,具有鮮明的工科背景[1]。

近20年來(lái),高等工程教育的內(nèi)涵得到了新的詮釋。在國(guó)際上,美國(guó)的工程教育開(kāi)始重視工程教學(xué)的實(shí)踐性和創(chuàng)新性,從之前的注重科學(xué)和工程基礎(chǔ)教育轉(zhuǎn)向工程實(shí)踐,比如以麻省理工學(xué)院(MIT)為首的美國(guó)高校提出了“回歸工程實(shí)踐”的改革理念[2]。在國(guó)內(nèi),北京大學(xué)的“元培計(jì)劃”、清華大學(xué)的“蘇世民學(xué)院”、浙江大學(xué)的“竺可楨學(xué)院”、天津大學(xué)的“求是學(xué)部”, 都旨在推進(jìn)我國(guó)高水平研究型大學(xué)建設(shè)以及培養(yǎng)具有獨(dú)立性、創(chuàng)造性和國(guó)際視野的未來(lái)精英[3]。隨著“卓越計(jì)劃”等一系列針對(duì)工程教育改革措施的實(shí)施,中國(guó)的工程教育也越來(lái)越強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),許多大學(xué)都從課程設(shè)置、培養(yǎng)模式、教學(xué)方法、教學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)上進(jìn)行改革[4-8]。但在科研和教學(xué)設(shè)備資源的共享、高檔次大型科研設(shè)備的開(kāi)放、提高設(shè)備使用效率、助力大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面,還存在很多問(wèn)題。

本文將簡(jiǎn)要介紹我校化工裝備與控制工程系過(guò)程節(jié)能與傳熱強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室的基本情況,并以環(huán)路熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建為例,探討“卓越計(jì)劃”下高?？蒲袑?shí)驗(yàn)平臺(tái)與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合的有益做法。

1 過(guò)程節(jié)能與傳熱強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室介紹

中國(guó)石油大學(xué)(華東)化工裝備與控制工程系成立于1953年建校初期,現(xiàn)有“過(guò)程裝備與控制工程”和2011年全國(guó)第一批新建 “環(huán)保設(shè)備工程”2個(gè)國(guó)家級(jí)特色專業(yè)[9]。主要的研究方向有3個(gè):(1)多相流動(dòng)與分離過(guò)程及強(qiáng)化；(2)霧化燃燒與傳熱強(qiáng)化；(3)化工裝備安全工程。其中,霧化燃燒與傳熱強(qiáng)化方向,主要涉及多相流動(dòng)傳遞與反應(yīng)過(guò)程模擬、高效節(jié)能霧化與燃燒技術(shù)、兩相閉式循環(huán)傳熱技術(shù)、太陽(yáng)能熱利用技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)室大型科研儀器主要有可適性相位多普勒激光測(cè)速儀APV/LDV(adaptive phase/laser doppler velocimetry)和高速攝像儀。APV/LDV是目前世界上測(cè)量流體速度、粒子直徑和粒子濃度最先進(jìn)的非接觸式測(cè)試儀之一(見(jiàn)圖1)。系統(tǒng)速度測(cè)量范圍:0.1～500 m/s,常溫常壓下測(cè)速精度為千分之一；粒子直徑測(cè)量范圍:0.5 μm到mm級(jí),測(cè)量精度可達(dá)2%。該系統(tǒng)智能化程度高,對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,可用于測(cè)量流場(chǎng)速度、霧滴大小、空間分布及混合濃度,不受流體成分影響、可測(cè)范圍廣、測(cè)量精度高,結(jié)合相應(yīng)計(jì)算軟件為流體霧化及混合技術(shù)在研究手段上提供了可靠保證。

高速攝像儀是德國(guó)BASLER公司生產(chǎn)的型號(hào)為A504KC的數(shù)字CMOS面陣攝像機(jī),采用Camera Link輸出,外同步或內(nèi)部自主運(yùn)行,支持彩色/黑白圖像采集。攝像頭型號(hào)AF85mm,由日本尼康公司生產(chǎn)。拍攝時(shí)攝像機(jī)固定在可調(diào)節(jié)的三腳架上,通過(guò)調(diào)節(jié)攝像機(jī)的位置來(lái)滿足試驗(yàn)要求。高速攝像儀記錄的圖像信息通過(guò)后續(xù)的圖像處理軟件,將圖像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息,可以直觀反映流動(dòng)形態(tài)變化。圖2是單分散液滴蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置。圖3是高速攝像儀在單分散液體蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)(圖2)中拍攝到的不同形態(tài)的液滴圖像[10]。

圖1 可適性相位多普勒激光測(cè)速儀APV/LDV

圖2 單分散液滴蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 CCD拍攝到的不同規(guī)格噴嘴產(chǎn)生的單分散液滴流

2 環(huán)路熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

環(huán)路熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以科研項(xiàng)目為基礎(chǔ)建立的,同時(shí)面向過(guò)程裝備與控制工程系選修“傳熱強(qiáng)化技術(shù)”“化工過(guò)程節(jié)能原理與技術(shù)”專業(yè)課的學(xué)生，以及對(duì)該研究方向感興趣的本科生開(kāi)放,并為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目以及專業(yè)科技比賽提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐訓(xùn)練。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)旨在對(duì)兩相閉式相變循環(huán)傳熱系統(tǒng)進(jìn)行芯體制作、芯體性能測(cè)試和系統(tǒng)傳熱性能測(cè)試。

2.1 環(huán)路熱管系統(tǒng)性能測(cè)試

環(huán)路熱管(loop heat pipe,LHP)是一種高效的閉式相變傳熱裝置,是為適應(yīng)布局、距離、反重力等環(huán)境而發(fā)展的新型熱管系統(tǒng),主要由蒸發(fā)器、補(bǔ)償器、氣體管路、液體管路和冷凝器組成,具有高熱流密度、長(zhǎng)距離等溫傳輸、熱源/熱沉可靈活布置、無(wú)外加驅(qū)動(dòng)、控溫準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。最早的LHP航空飛行試驗(yàn)是1989年在俄羅斯的Granat飛船上進(jìn)行的,1997年美國(guó)分別在STS-83/87/94上進(jìn)行了LHP飛行試驗(yàn),1999年我國(guó)在風(fēng)云-1上應(yīng)用了俄羅斯生產(chǎn)的LHP[11],而我國(guó)國(guó)產(chǎn)的LHP的首飛是在2014年10月嫦娥5號(hào)載入返回飛行實(shí)驗(yàn)器上。環(huán)路熱管已成為各航天大國(guó)航天器熱控制的主要元件,同時(shí),在大功率LED、低溫相機(jī)CCD控溫,筆記本計(jì)算機(jī)顯卡散熱等地面領(lǐng)域也有很大應(yīng)用潛力。

圖4展示了以雙蒸發(fā)器環(huán)路熱管為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的平臺(tái)組成,主要包括雙蒸發(fā)器環(huán)路熱管系統(tǒng)、抽真空-充液系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電加熱系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以對(duì)實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行不同工況下的啟動(dòng)和運(yùn)行特性研究,典型工況包括:(1)熱負(fù)荷在雙蒸發(fā)器上的施加方式:1個(gè)空載、1個(gè)加載,或2個(gè)同時(shí)加載；(2)熱負(fù)荷的大小:階梯上升或循環(huán)變化；(3)熱沉溫度變化；(4)充液量變化；(5)補(bǔ)償器溫度控制；(6) 蒸發(fā)器初始汽液分布狀態(tài)等。

圖4 雙蒸發(fā)器LHP系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2.2 毛細(xì)芯的制作和性能測(cè)試

毛細(xì)芯是環(huán)路熱管蒸發(fā)器的核心,驅(qū)動(dòng)回路內(nèi)流體流動(dòng),完成熱傳遞，兼顧流動(dòng)、傳熱、強(qiáng)度的多孔芯研制一直是環(huán)路熱管技術(shù)地面應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。本試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行金屬多孔芯的粉末燒結(jié),主要包括篩分、混料、壓制、燒結(jié)、溶鹽、干燥6個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)[12]。圖5展示了燒結(jié)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)及設(shè)備,以及制備的多孔燒結(jié)鎳芯。燒結(jié)后的芯體能夠進(jìn)行初步的孔隙率、滲透率、有效導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定。圖6展示了對(duì)燒結(jié)鎳芯有效導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的幾個(gè)環(huán)節(jié)。

3 實(shí)驗(yàn)資源共享助力學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

中國(guó)石油大學(xué)(華東)非常重視建設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性或創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,鼓勵(lì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革、鼓勵(lì)科研實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放,頒布了“教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革項(xiàng)目管理辦法”“教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)成果獎(jiǎng)勵(lì)辦法”“中國(guó)石油大學(xué)(華東)關(guān)于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的暫行規(guī)定”等文件,對(duì)大型科研儀器的使用率以及實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放原則、開(kāi)放形式和類型、開(kāi)放的具體要求和保障措施等方面做出了專門(mén)規(guī)定。

我校的化學(xué)工程學(xué)院在2011年底成立了化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,在重點(diǎn)面向化學(xué)工程與工藝、過(guò)程裝備與控制工程、應(yīng)用化學(xué)、環(huán)保設(shè)備工程4個(gè)國(guó)家級(jí)特色專業(yè)和2個(gè)山東省品牌專業(yè)學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步建成了面向全校本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)訓(xùn)練的重要基地。

圖5 芯體制作的相關(guān)環(huán)節(jié)圖示

圖6 芯體有效導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試圖示

近年來(lái),我校引進(jìn)的青年教師在開(kāi)展的科研項(xiàng)目以及學(xué)校人才引進(jìn)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的資助下,建立了一批規(guī)模小、實(shí)用性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái),在保證科研的基礎(chǔ)上,較好的與專業(yè)教學(xué)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、科技大賽相結(jié)合,對(duì)學(xué)生的科研意識(shí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)有較大的推動(dòng)。以環(huán)路熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例,學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)操作的可實(shí)現(xiàn)度,選擇確定實(shí)驗(yàn)工況,并學(xué)習(xí)正確操作相關(guān)設(shè)備及軟件。比如能熟練操作真空分子泵、冷卻水循環(huán)機(jī)、Agilent 數(shù)據(jù)采集儀,會(huì)用分析軟件將采集卡收集到的熱電偶信號(hào)進(jìn)行處理,并能根據(jù)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳熱系數(shù)的計(jì)算和分析。通過(guò)參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,學(xué)生將得到多層次的全面提高。首先,在知識(shí)層面,可以將熱工測(cè)試課上學(xué)到的熱電偶測(cè)溫原理、傳熱課中學(xué)到的傳熱計(jì)算等相關(guān)知識(shí)深化理解靈活運(yùn)用;其次,在科研素養(yǎng)培養(yǎng)方面,可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)中突發(fā)問(wèn)題的解決,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、在不斷解決問(wèn)題中進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力;第三,在動(dòng)手操作方面,可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)備原理和設(shè)計(jì)的深入理解,以及動(dòng)手操作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。 環(huán)路熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從2013年著手建立以來(lái),基于該平臺(tái)已經(jīng)成功申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目2個(gè)(其中一個(gè)是國(guó)家級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目),參加國(guó)家級(jí)大學(xué)生過(guò)程裝備實(shí)踐與創(chuàng)新專業(yè)大賽獲得特等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)當(dāng)前的工程教育存在教育意識(shí)弱化、教育模式單一、長(zhǎng)效運(yùn)行機(jī)制缺乏等問(wèn)題,其中最突出的問(wèn)題是教育資源不足。我國(guó)工程教育規(guī)模龐大,但政府、學(xué)校、社會(huì)、企業(yè)投入不足,導(dǎo)致工程教育資源相對(duì)匱乏,尤其是實(shí)踐教學(xué)資源不足。如何建立高校之間、科研院所之間、高校的院系之間、科研實(shí)驗(yàn)資源與教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源之間的長(zhǎng)效、高效共享,激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、鼓勵(lì)大學(xué)生的個(gè)性發(fā)展,培養(yǎng)卓越的工程人才,還有很多工作有待深入研究。

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Laboratory resources sharing and cultivation of innovative ability under excellent plan

Qu Yan, Qiu Xingqi

(College of Chemical Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

The excellent plan puts forward new demands for higher engineering education. The scientific research and teaching laboratory resources guarantee the undergraduate cultivation of scientific research consciousness, problem-solving ability and practice training. A case study of loop heat pipe experimental platform is illustrated. The effective and efficient utilization and its significance of the laboratory resources to develop the students’ innovation capability are discussed from three levels of university, school, and project group.

excellent plan; laboratory resources sharing; cultivation of innovative ability; loop heat pipe; experimental platform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.007

2016-11-24

中國(guó)石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項(xiàng)目(JY-B201409)

曲燕(1980—)，女，山東濟(jì)南，博士，副教授，主要從事強(qiáng)化傳熱與節(jié)能技術(shù).

E-mail：yanqu@upc.edu.cn

O51；G642.0

A

1002-4956(2017)5-0022-05