楊矞琦，李世穎，張海鵬

（中國石油大學(xué)〔北京〕 克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000）

大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)一直是高等教育的重要任務(wù)，長期以來受到眾多教育專家的關(guān)注。各高校過程專業(yè)將學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)作為重要目標(biāo)納入本科教學(xué)體系的設(shè)計(jì)和構(gòu)建，但就目前的實(shí)施情況看，大學(xué)生創(chuàng)新能力發(fā)展仍有提高的空間［1］。首先，現(xiàn)階段組織的創(chuàng)新類競賽等實(shí)踐活動范圍較窄，大學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)過程中的創(chuàng)新意識相對還較為薄弱，實(shí)際效果低于預(yù)期，學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)踐的積極性還需進(jìn)一步調(diào)動［2］；其次，由于目前學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目發(fā)展平臺等方面的建設(shè)仍在進(jìn)行中，良好的學(xué)術(shù)創(chuàng)新氛圍還需進(jìn)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(nèi)容的實(shí)踐模式，依舊難以促進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，大多數(shù)學(xué)生只有到了大四階段才能通過綜合課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等課程真正接觸科研。今后通過合理的教學(xué)方法改革，促進(jìn)大學(xué)生實(shí)踐能力的提高，完善大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)與基礎(chǔ)理論課程相結(jié)合的教學(xué)模式勢在必行。

在教學(xué)實(shí)踐活動中引入科技創(chuàng)新環(huán)節(jié)，已經(jīng)成為一種較好的培養(yǎng)過程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生綜合能力的方式，通過這種方式可以使學(xué)生在了解過程專業(yè)科技創(chuàng)新平臺與相關(guān)課程之間的內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)上，對創(chuàng)新平臺相關(guān)實(shí)驗(yàn)臺架進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化及改造，為學(xué)生開展科技創(chuàng)新活動提供支撐和保障。同時(shí)，在專業(yè)基礎(chǔ)課程設(shè)置合理的“大學(xué)生科技創(chuàng)新”環(huán)節(jié)相關(guān)教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，讓學(xué)生在大學(xué)四年不同階段都能有各種機(jī)會親身感受科研、認(rèn)識科研、參與科研，將創(chuàng)新意識融入到學(xué)生的整個大學(xué)生涯。同時(shí)通過科研和創(chuàng)新實(shí)踐加深對課堂知識的理解，不斷完善教育教學(xué)體系和科技創(chuàng)新建設(shè)機(jī)制，從而為提高過程裝備與控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量提供保障，達(dá)到創(chuàng)新型、綜合型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

一、通過平臺搭建培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)能力

多相流霧化實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及改造過程中涉及到多門過程裝備與控制工程專業(yè)課程，例如：多相流霧化平臺中的噴嘴、儲罐、壓縮機(jī)、儀器儀表等涉及“故障診斷”“過程裝備成套設(shè)計(jì)”“電工電子”“自動控制”等課程的教學(xué)內(nèi)容。多相流霧化平臺（如圖1所示）一般包括：（1）儲液罐：設(shè)計(jì)容積0.2 m3，設(shè)計(jì)壓力2.2 MPa，設(shè)計(jì)溫度150℃；（2）儲氣罐：設(shè)計(jì)容積0.2 m3，設(shè)計(jì)壓力2.2 MPa，設(shè)計(jì)溫度150 ℃；（3）空氣壓縮機(jī)：容量160 L；（4）計(jì)量泵：立式多級離心泵，設(shè)計(jì)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(jì)：滿度流量0.6～60 m3/h，壓力常壓，溫度常溫；（7）液體流量計(jì)：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(shí)驗(yàn)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(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺機(jī)理圖（圖中字母Q代表流量計(jì)）

在平臺構(gòu)建過程中，儲液罐和儲氣罐的設(shè)計(jì)需要使用“過程設(shè)備設(shè)計(jì)”“壓力容器分析設(shè)計(jì)方法”“過程裝備力學(xué)基礎(chǔ)”等課程中壓力容器的設(shè)計(jì)和校核相關(guān)內(nèi)容；空氣壓縮機(jī)、泵的設(shè)計(jì)和選型需要用到“過程流體機(jī)械”課程中動設(shè)備的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析；壓力表、氣體流量計(jì)、液體流量計(jì)的設(shè)計(jì)和選型需要結(jié)合管道流動阻力和壓力降，使用“工程流體力學(xué)”“過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用”課程中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算、校核，并設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集方案；水箱、霧化噴嘴、箱體的設(shè)計(jì)需要使用“機(jī)械原理”“機(jī)械設(shè)計(jì)”“工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)”等課程中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型和加工制造等；激光粒度分析儀是使用光學(xué)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(xué)物理”中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行理解和掌握。通過對創(chuàng)新平臺的設(shè)計(jì)可以促進(jìn)學(xué)生對課堂知識的鞏固、加深理解和靈活運(yùn)用，使學(xué)生更直觀地感受工程實(shí)際的復(fù)雜性、精確性以及專業(yè)知識在工程應(yīng)用中的意義，在設(shè)計(jì)過程中不斷查閱教科書，根據(jù)平臺預(yù)期達(dá)到的效果和目的不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，可更好培養(yǎng)他們的工程意識，增強(qiáng)自主設(shè)計(jì)能力，達(dá)到學(xué)以致用的效果。

二、通過科技創(chuàng)新促進(jìn)學(xué)生掌握專業(yè)知識

在原有的“過程裝備”專業(yè)課程教學(xué)基礎(chǔ)上，增加有“科技創(chuàng)新課題研究”和“創(chuàng)新平臺教學(xué)觀摩”的實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。這不僅僅是簡單的增加內(nèi)容，而是全面系統(tǒng)地融合在一起，體現(xiàn)“科教協(xié)同”“喻教于研”的特色。例如在“工程流體力學(xué)”“過程流體機(jī)械”“流態(tài)化”“多相流測量”“大學(xué)物理”“化學(xué)反應(yīng)工程”等課程上，通過多相流霧化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺，開展一些與課程內(nèi)容緊密相關(guān)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、理論計(jì)算等，促進(jìn)學(xué)生對課堂知識的鞏固、加深理解；對于專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再局限于傳統(tǒng)的較為簡單的演示性實(shí)驗(yàn)，而是具有較強(qiáng)實(shí)用性、前沿性和多學(xué)科交叉性的科技創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)，需要用到多學(xué)科領(lǐng)域的知識，如霧化液滴的粒徑大小和變形規(guī)律需要用到“膠體界面化學(xué)”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(xué)”課程的伯努利方程等進(jìn)行計(jì)算，為分析霧化效果建立多耦合霧化模型需要用到“高等數(shù)學(xué)”“數(shù)值分析”課程中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等知識進(jìn)行建模分析。在科創(chuàng)活動中，學(xué)生將多學(xué)科領(lǐng)域的知識應(yīng)用于實(shí)際，不僅有助于他們學(xué)習(xí)更加豐富的知識，同時(shí)也能增強(qiáng)他們對專業(yè)知識的靈活運(yùn)用，并在應(yīng)用中加深掌握，達(dá)到“學(xué)習(xí)—實(shí)踐—再學(xué)習(xí)—再實(shí)踐”的效果。

三、通過實(shí)驗(yàn)研究增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐操作能力

動手能力差、解決問題能力弱、高分低能是當(dāng)代大學(xué)生培養(yǎng)存在的弊病之一，原因在于目前大學(xué)的課程教學(xué)多局限于書本知識，直至大學(xué)四年級下學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)才開始真正接觸科研，而在這之前動手實(shí)操和鍛煉的機(jī)會較少，導(dǎo)致大多數(shù)成績好的學(xué)生僅是學(xué)習(xí)書本知識能力強(qiáng)，但創(chuàng)新能力相對較弱。將多相流霧化科技創(chuàng)新平臺納入原有的“工程流體力學(xué)”“故障診斷”“過程裝備成套設(shè)計(jì)”等課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)大綱以及教學(xué)計(jì)劃，根據(jù)學(xué)時(shí)安排，基于多相流霧化實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)置氣液兩相流壓力霧化性能實(shí)驗(yàn)、空氣壓縮機(jī)工況分析實(shí)驗(yàn)、霧化噴嘴設(shè)計(jì)等創(chuàng)新研究課題，不僅可加深學(xué)生對課堂知識的理解和應(yīng)用，也可以增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐操作能力，多相流霧化實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示。

圖2 多相流霧化實(shí)驗(yàn)平臺裝置圖

在這個過程中，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動手操作能力，例如泵和壓縮機(jī)的啟停、流量的調(diào)節(jié)與控制、霧化角的攝像記錄、霧化液滴粒徑的在線測試、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集以及數(shù)據(jù)分析等。促使學(xué)生在遇到問題后獨(dú)立思考如何解決問題，正確認(rèn)識科研，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真、細(xì)致、勤勞、好學(xué)的科研精神。也能進(jìn)一步促使學(xué)生正確認(rèn)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(chuàng)新潛力的優(yōu)異人才。

四、通過學(xué)科競賽提高學(xué)生綜合創(chuàng)新能力

基于多相流霧化科技創(chuàng)新平臺，開展一些創(chuàng)新課題的研究，也能為積極參加全國大學(xué)生科技創(chuàng)新大賽，有目標(biāo)、有重點(diǎn)地引導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新活動提供基礎(chǔ)。例如通過對不同結(jié)構(gòu)噴嘴霧化特性的分析，優(yōu)化噴嘴尺寸和結(jié)構(gòu)，可用于設(shè)計(jì)催化裂化裝置的進(jìn)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(guān)裝置或設(shè)備的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，其優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的節(jié)能減排意義，一種進(jìn)料噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)噴嘴可參加過程裝備實(shí)踐與創(chuàng)新大賽等國家級競賽，例如中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)基于多相流霧化創(chuàng)新平臺設(shè)計(jì)的“一種植物全生命周期智能監(jiān)控與管理系統(tǒng)”，獲得“第十二屆過程裝備實(shí)踐與創(chuàng)新大賽”一等獎。在設(shè)計(jì)實(shí)際工業(yè)應(yīng)用噴嘴的過程中，不僅僅是書本知識的應(yīng)用和簡單裝置的設(shè)計(jì)，更要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，綜合考慮行業(yè)背景、操作便利、自動控制、成本低廉等多方面因素，達(dá)到設(shè)計(jì)的噴嘴在實(shí)際生產(chǎn)中能夠真正用起來，促進(jìn)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的提升。此外，通過學(xué)科競賽培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和設(shè)計(jì)能力，使學(xué)生更清晰地了解行業(yè)現(xiàn)狀，為學(xué)生將來的就業(yè)或進(jìn)一步深造奠定良好的基礎(chǔ)。

圖3 進(jìn)料噴嘴裝配圖

結(jié)語

通過將多相流霧化科技創(chuàng)新平臺融入過程裝備與控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)的過程中，包括理論課程、專業(yè)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)上，制定新的實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃和大綱，優(yōu)化這些培養(yǎng)環(huán)節(jié)，并以創(chuàng)新課題為依托參加科技創(chuàng)新大賽，將創(chuàng)新意識融入到學(xué)生的整個大學(xué)生涯，彌補(bǔ)了目前大學(xué)生到大四年級之后才開始通過課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等課程接觸科研的缺陷。同時(shí)，通過科研和創(chuàng)新實(shí)踐加深對課堂知識的理解，通過學(xué)科交叉的實(shí)踐性教學(xué)，培養(yǎng)既有扎實(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，又具備較強(qiáng)的過程工藝知識，以及掌握過程裝備控制的基本原理和應(yīng)用技術(shù)，既能進(jìn)行成套裝備的設(shè)計(jì)、制造等工作，又能進(jìn)行工藝的開發(fā)與研究，具有綜合分析能力和創(chuàng)新意識的高素質(zhì)復(fù)合型人才。