创新意识驱动下实验教学模式转型的实践

徐 宁， 王 玫

(同济大学 化学系，上海 200092)



创新意识驱动下实验教学模式转型的实践

徐 宁， 王 玫

(同济大学 化学系，上海 200092)

为适应创新型人才的培养，借“精品实验项目”建设的契机，尝试对“离心泵特性曲线的测定”实验项目从单纯的测定型向设计型、探索型实验教学模式转变。通过对实验项目内涵的挖掘、实验手段的改进、以工程问题引导的实验教学方法和内容的设计，以及建立鼓励创新思维的实验水平考核模式等实验教学的实践，使得实验教学过程能够体现设计和探索的属性，实现了在创新意识驱动下的实验教学模式的转型。同时也体现了“精品实验项目”建设在实验教学中的引领作用。

化工原理实验； 离心泵特性曲线测定； 精品实验项目； 创新意识

0 引 言

以培养学生实践能力和创新能力为宗旨的“精品实验项目”建设，为实验教学提出了更高的要求[1]。实验教学内容不仅要符合认知规律的教学模式和方法，还要适应创新型人才培养的需要[2-4]。然而，针对单一的测定型实验项目进行“精品实验项目”建设，面临着诸多难题[5]，运行多年的实验项目无论在教学内容和教学方法上都已形成定式，在硬件上也受到制约。要按照校“精品实验项目”建设的要求，将实验项目建设成“有益于激发创新兴趣、有益于启发创新意识，有益于引导创新思维、有益于培养创新能力，但要与学生的实际知识水平相适应”的模式，具有一定的挑战性。修修补补式的变化、更新已不能满足要求，教学模式的转型势在必行[6-8]。只有在创新意识的驱动下，在符合学生认知的基础上，试图通过挖掘实验项目的内涵、设计适应创新型人才培养的实验教学方法和内容，才能达到建设的目标。实验教学的实践证明，此不失为一种较为有效的建设方法。

本文就以实验项目“离心泵特性曲线的测定”的“精品实验项目”建设为例，阐述实验教学设计的创新性探索过程，以及实验项目由测定型到设计、探索型的转型过程。

1 实验项目内涵的挖掘

实验项目“离心泵特性曲线的测定”是化工原理实验和化工实验课程中的一项重要单元操作项目，长期以来定位于实验测定的类型，实验过程中虽可对实验布点进行设计，实验数据也可按一定的程序进行处理，对掌握离心泵的工作原理和操作方法，以及掌握离心泵特性曲线的测定方法起到了重要作用。然而，面对“精品实验项目”建设的要求，还要充分挖掘其内涵，使之成为设计性、探索性的实验类型。

1.1 引入低碳、节能操作理念

紧扣时代背景，适时将低碳、节能操作理念引入实验教学之中，既强调了知识的实际运用能力的培养，也使该实验项目具有了工程上的意义。离心泵的操作是工业与民用中常见的单元操作，且数量庞大，引入高效、节能的操作，社会意义重大。同时将节能技术结合实验教学使实验教学增加了优化、探索的元素，也有助于增强学生的社会责任感。

1.2 体现设计、探索性实验教学的模式

本着培养创新型人才的需要，根据我校化工专业的特点，通过在“离心泵特性曲线的测定”的实验教学过程中增加体现与实际操作相关联的设计性和探索性的实验研究，突破先前验证性较强、实验内容简单的实验测定模式，使得对离心泵操作的相关知识有了较全面的掌握；同时通过引入工程实际问题，使实验设计和探索的过程更贴近解决工程实际问题。

2 实验手段的改进

实验手段的改造、升级应本着这样的原则进行，首先是应实验教学方法之需，通常是要引入新的技术或附件更新；其次是性价比，实验装置升级后，其综合功能的提升应能支撑实验教学的高效率。

2.1 实验装置的多功能改造、升级

原离心泵特性曲线的测定装置经多年使用，实验数据读取可靠、稳定，为本科生实验教学提供了硬件的支撑。为适应与时俱进的实验教学理念和实验教学方法之需，通过对原实验装置的改造和升级，使装置具备了变频调转速的功能，功率表也更新为智能仪表，为实验设计和探索提供了硬件的支撑。同时增加了轴转速测定，可以定性不同转速下的泵特性和其对诸因素的影响。实现了实验装置的多功能。为多命题的实验设计和实验教学的高效率提供了保障。

2.2 充分利用信息技术

实验手段还体现在充分利用计算机软件的教学手段，学生在实验前后可以通过仿真软件进行实验操作预习和数据验证；实验数据通过Excel平台进行处理；充分利用信息技术进行实验教学，学生可以用化学系实验教学中心的网络平台进行网上讨论、网上答疑，提高了实验教学效率。

从多功能实验装置到仿真软件、网络平台利用，意在为学生提供实验教学的平台和兴趣氛围。

3 实验教学方法的设计

对于测定性实验项目的转型，首先要符合学生认知规律，从知识建构的角度，在实验教学中于知识运用层面加以完善。其次要能充分调动学生学习的主动性与积极性，重视实验中的设计、探索过程。

3.1 以工程问题引导的实验教学方法

以工程问题为引导的实验探索过程作为实验教学方法之一，是基于该实验项目性质决定的，因为单独讨论离心泵的特性而忽略管路因素是没有实际工程意义的[9]。而以工程问题作引导的探索过程，则能在实验教学中将工程实际问题作为研究对象，对解决问题能力的培养有积极的作用。

借助于变频调速，可引入管路特性的测定方法[10]，有了离心泵的特性和管路特性，工程实际操作问题可按实验教学理念的要求，进行节能、优化探索的设计；围绕离心泵工作效率问题进行设计；以及管路特性与泵特性结合的操作点问题的设计与探索等。

3.2 预留想象和探索的空间

实验教学方法的设计的指导思想之一是营造一个探索的氛围，能让学生在实验过程中充分发挥想象的能力。而以工程实际问题为导向的实验操作设计，为学生提供了想象空间。可以根据问题的不同，进行实验方案设计；实验数据处理过程也能考验学生的想象力，一改单一的泵特性按部就班式的数据处理模式，可以按感兴趣的问题将实验数据进行归纳、比较和分析，不受任何限制；实验结果的讨论也有发挥的空间，学生可以充分运用所学知识进行探索，有话可说。

总之，实验教学方法的设计要有利于拓宽学生的思维，有利于综合能力的培养，特别是分析问题和解决问题能力的培养。

4 实验教学内容的设计

实验教学内容设计是以工程问题为主线，既能拓宽视野，又能将知识灵活运用于实验操作的设计。通过实验操作和对工程问题的研究与探索，能够较全面地掌握离心泵操作的相关知识。

4.1 流量调节问题

在实验讲解时，介绍工程上离心泵操作过程的各种流量调节的方法以及适用场合。主要有：改变管路特性的操作方法，即用出口阀门调节，优点是操作方便、灵活，但此方法增加了管路阻力(尤其是在阀门关小时)，以增加能耗为代价，且离心泵工作点位于低效率区，不符合低碳操作；另一种是改变离心泵特性的操作方法，即采用车削离心泵叶轮和改变转速的方法，此类方法是在不额外增加管路的阻力下，且在一定的范围内可保持离心泵在高效区域内工作[11]。特别是变频调转速的方法，在操作上方便、灵活，此方法可以大幅度节能[12-13]，在经济上更为合理，符合低碳理念。

较系统地介绍工程上离心泵操作的流量调节方法，主要目的是引入变频调转速这一节能技术，并应用于实验操作之中。本实验分别采用出口阀门和变频调速两种方法调节流量。

4.2 离心泵节能操作与输入功率问题

采用不同的流量调节方法可得出不同要求下的实验数据。在一定转速条件下，改变管路特性而测得的离心泵特性数据，按以往的要求，只要测得此条件下的离心泵特性曲线，就完成实验操作任务。而通过引入变频调转速技术后，可测得在一定的阀门开度下，改变轴转速下的管路特性数据，即固定管路特性，变泵特性。取得了一系列研究和探索内容，其中离心泵节能操作与输入功率问题的探索是比较重要的内容之一。

变管路特性和变泵特性操作的节能和经济性的比较，可以通过实验设计对两种操作方法的输入功率曲线进行比较；进一步可对不同出口阀门开度下(高阻和低阻管路)，变泵特性的输入功率进行比较。通过实验设计，从得出的实验结果中，学生经过分析和讨论，从而得出了在操作流量的中、低范围内，变频调转速操作方法下的输入功率明显低于出口阀门调节方法下的输入功率，但在高流量范围内输入功率急速增加的结论。同时，通过实验数据的对比，高阻管路的输入功率明显高于低阻管路的输入功率。通过以工程上节能问题为引导的实验设计及操作过程，在知识应用的同时，也感悟了节能操作在工程上的意义。

4.3 转速对特性曲线的影响

由离开离心泵叶轮的速度三角形相似、泵效率相等的假设，有：流量之比等于转速的一次方之比；扬程之比等于转速的平方之比；而轴功率之比则等于转速的三次方之比[11]。

从轴功率与转速的关系就很好解释了上述变频调速在高转速时的输入功率急速增加的现象。说明任何一节能技术在应用时总有一定的限定条件，实验结果讨论时要综合地进行权衡。此项实验内容对实际操作有指导意义。

实验装置已具备了测定转速与离心泵特性曲线关系的条件。并且，结合离心泵轴转速的测定，可以定量地确定转速与各特性之间的关系。

4.4 离心泵工作点的确定

离心泵的特性曲线是在特定的管路条件下测定的，因此，离心泵的工作点是由泵特性与管路特性共同确定的。先前，实验时只关注离心泵特性的测定，往往忽略管路特性对其的影响。在“精品实验项目”建设中，充分利用管路特性测定的方法，将管路特性的影响贯穿于泵特性测定的设计。这样的实验内容设计，直接与工程实际操作关联了起来，丰富了设计和探索的内涵。实验数据处理量也随之增多，给了学生较大的思维空间。

实验中可以将离心泵特性与不同的管路特性(高阻和低阻)下的工作点进行对比。

4.5 离心泵总效率问题

同样秉承低碳和节能的操作理念，作为离心泵特性之一的总效率在离心泵的操作中，无论从经济角度，还是从技术角度都占有重要的位置。总效率的高低直接反映了离心泵操作在技术上的可行性和在经济上的合理性。有了上述实验测定的测定数据，就可以对比用不同方法进行流量调节时，离心泵的总效率高低。

有意义的是，节能技术在实验中的应用、学生在实验结果讨论、结论得出的同时，也有助于低碳、节能理念的建立。

4.6 离心泵的组合操作的探索[14]

充分利用装置的特性，可以尝试用两台离心泵进行并联操作。工作点由管路特性和离心泵特性共同确定。由于管路不对称，存在扬程不匹配的问题[15]，既要考虑系统的管路特性，同时还要考虑总扬程与总流量之间的关系。实验设计的探索性成分较大。

通过此实验内容的安排，既可以使学生的知识运用能力得到发挥，学会充分利用现有条件，甚至在没有条件的情况下，创造条件来完成实验的设计和操作任务，也尝试了在实验教学过程中探索氛围的营造。

5 建立鼓励创新思维、客观公正评价学生实验水平的考核模式

以培养实践和创新能力为宗旨的“精品实验项目”建设，与其相适应的考核模式应建立在鼓励创新思维、客观公正评价学生实验水平的基础之上。实验考核体系从实验预习(占10%)、设计(占20%)、实验过程的探索性(占20%)、实验数据处理的合理性(占20%)以及实验结果分析讨论(占30%)等多角度进行考察，能较准确、客观地检验实验教学质量与效果。

鼓励创新思维则是考核模式制定中要考虑的另一因素。由于实验内容没有先例可供参照，随着学生的思维空间的不断开阔，考核模式的制定也应本着鼓励创新思维的原则进行，视学生在实验教学各环节中是否具有创新意识，给予一定的激励。经多年的实验教学实践得出一个可操作性的基本原则，就是：若能够按传统的要求，完成“离心泵特性曲线的测定”的实验内容的，则基本达到合格水准；若能将实验内容有所拓展，并进一步运用所学知识对实验现象和实验结果进行讨论的，则能达到良好的水准；而更进一步若在实验设计、操作和结果讨论中有创新意识和探索性过程的，才能达到优秀的水准。

总之，考核模式应是较全面、综合和可操作性的，同时又不失激励创新思维的实验教学评价体系。

6 结 语

“精品实验项目”建设已进入攻坚的层面，有条件的设计型、综合型实验项目已先后建成了“精品实验项目”，而对于验证、测定型实验项目的建设则更具有挑战性，这就需要借助于创新意识驱动下的实验教学模式的转型来实现。这种转型既不能推倒重来，也不能改变原有的实验教学认知，只能在传承的基础上作有所创新之举。从单纯的变管路特性到变管路特性与变泵特性共存的技术路线，再到从单一的泵特性的测定到泵操作问题探索的实验内容设计理念。而正是这实践与思考的过程，才体现了“精品实验项目”建设意在引领作用的意义所在。

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Practice of the Transformation of the Experimental Teaching Mode Driven by the Consciousness of Innovation

XUNing，WANGMei

(Department of Chemistry，Tongji University，Shanghai 200092，China)

In order to adapt the cultivation of innovative talents, the transformation of the mode of experimental teaching in experiment project of “determination of characteristic curve of centrifugal pump” was attempted. It transformed the simple measurement model to designing and exploring by the opportunity of building “the project of elaborate experiment”. Through the practice of exploring the connotation of experimental teaching, improving the experimental means and designing experimental teaching content by the guide of the engineering problems, and also through the establishment of the assessment models to encourage innovative thinking on experimental level, experimental teaching was attributed the principle of design and exploration, and the experimental teaching mode was transformed to that driven by the consciousness of innovation. Meanwhile, the leading role in the project of elaborating experiment has been realized.

experiments of chemical engineering principles； determination of characteristic curve of centrifugal pump； the project of elaborate experiment； innovation consciousness

2015-03-09

同济大学精品实验项目建设基金项目(1380104078)

徐 宁(1957-)，男，浙江衢州人，本科，高级实验师，研究方向：化工实验技术与实验教学。

Tel.: 021-65982354,13524612704;E-mail: xuning@tongji.edu.cn

G 642.423；TQ 016.1

A

1006-7167(2016)02-0220-04