借助大学生创新平台,培养学生卓越能力的研究与实践

【摘要】

窑炉设计与实际生产过程结合紧密，课堂上难以深入讲解窑炉工程设计过程。本文介绍了借助大学生创新平台，运用计算机绘制了窑炉立体结构和流体动画，制作了窑炉实物模型并进行了新型流体模拟液试验。学生们在此实践过程中，培养了工程观念、提升了实践能力和创新能力。

【关键词】窑炉设计计算机制图模型制作流体模拟创新平台卓越能力

“卓越工程师教育培养计划”是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》和《国家中长期人才发展纲要（2010-2020）》的重点改革项目，是建设创新型国家、促进工程教育的重大举措。目的在于培养造就一大批具有理论紧密结合实际、创新能力强、适应经济发展需要的高质量各类型工程技术人才。本科生的工程能力培养是工科类大学高等教育的重要教改内容，也是难点之一。窑炉设计是无机非金属材料与工程专业本科生核心工程能力之一，与毕业课程设计和毕业设计密切相关，有助于培养学生树立工程观点、实践能力和创新能力。“大学生创新实验”项目是我校培养本科生卓越能力的重要实践平台。做该类项目的学生可以来自不同专业，如材料科学与工程专业同计算机科学与工程专业的学生等，他们可以发挥各自的特长，组成一个高效的研究团队。另外还有一年半的研究时间、经费和实验设备以改进和完成工程项目的全过程实验内容，同时师生间、团队组员间也有了更多的讨论交流时间。围绕提升学生卓越能力，借助大学生创新平台，我们开展了窑炉设计、模型制作与流体模拟的全工程过程探索性实验。

1.窑炉模型的三维设计与动画制作

由于高温窑炉结构的复杂性，仅靠课堂PPT讲解和公式计算，加之学生缺乏实际经验，即使有限时间内去企业生产现场参观，实际的高温生产线导致学生仅能从窑炉外部结构进行观察，不能深入理解窑炉内部结构和窑内流体流动的全过程，难以提高教学效果，学生的学习兴趣和主动性也就激发不起来，更难培养创造性和工程能力。

指导教师首先向学生介绍相关项目的国内外研究背景、目前本行业的需求和设计的主要专业知识等，启发学生从环保和产品质量等方面考虑课题内容的出发点。学生们利用已学的文献检索知识和专业知识，查阅了多篇国内外专业文献并去企业现场调研，了解到许多高性能光学玻璃和水晶玻璃会用到铅玻璃和硼硅酸盐玻璃。由于这类玻璃所用原料有高挥发的缺点，现有的传统火焰窑炉用于生产这种玻璃会产生严重的空气污染，产品质量也不稳定。全电熔窑是解决这种污染主要窑型的窑炉，但无论在理论研究和生产实际使用上同国外相比，国内目前还有不小的差距。以此为课题进行研究，学生们先以玻璃生产实际窑炉为参考，找出体积熔化率、电极材料和布置方式、电源功率等关键参数，简化后进行结构设计计算。考虑到窑炉结构较复杂，利用计算结果先运用AutoCAD和3dxsMAX等软件，绘成二维平面图。然后根据平面图再绘制了其结构的三维彩色立体结构图，如图1所示。最后以实际生产流体流动的过程为依据，设计了流体流动的动画，如图2所示（黑点表示粉料固体，白点表示粉料分解出的气体上升成气泡，白色细短线表示粉料熔融为液体）。学生们在设计和制作窑炉三维立体结构图过程中，对工程课程学习的主动性、积极性和兴趣明显提高，对窑炉整体结构有了很深的印象，在工程设计中必须的运用计算机设计和制图能力也有了很大提升，有效地培养了学生工程学习的综合能力，拓展和活跃了工程过程思维。

图1窑炉彩色立体结构图

图2窑炉内粉体到熔融体流动过程图

2.物理模型制作

物理模型模拟研究是高温窑炉研究的重要方法之一。 在窑炉立体结构和动画显示的基础上选出重点结构，学生们再对设计的模型进行物理实物模型制作，其过程中并不能全部照搬 计算机设计的结果，如模型材料需考虑力学强度和热学性能等；设计尺寸与加工尺寸的公差及实际加工精度、难度；配套的控制设备功率以及测量仪器精量与量程的选择等。在制作过程中学生们主动发现问题，动手动脑解决问题。如模型出现了液体渗漏的问题，经过师生多次研讨，对窑炉结构细节和密封材料进行反复改进，最后完成了仿真物理实物模型的制作，如图3所示。

图3具有固液转变模拟液的全电熔窑模拟物理模型

在此过程中学生们对窑炉的内在结构和细节间连接关系有了深刻的印象和理解，也体会到结构细节决定工程过程成败的含义。每一个结构细节来不得半点马虎，都要学生全身心投入，实验结果是在不足与完善的多次改进过程取得的。对培养学生独立思考能力、归纳分析能力、理论联系实际的工程能力都起着不可替代的作用。看到自己完成的实验成果，学生的成功快乐感油然而生，也提高了学生对工程研究的实践能力。

3.流体动态模拟

在静态的物理模型构成后，需模拟实际高温流体在窑炉中的液流过程，其中合适模拟液的选择是重要的前提。传统的窑炉流体全过程模拟液只用甘油与淀粉糖浆混合物这一种液态，与实际玻璃熔制过程不同：即从固态粉体熔融为液态，再由液态凝固成型为固态。指导教师启发学生去寻找熔点在40℃～80℃的不挥发的有机物，且在室温固态的无毒混合物。学生们分工协作，查找了十余种相关有机物的理化性能，经过多次熔融和凝固实验，比较了它们熔点、凝固点和凝固速度快慢，终于从中挑选出较理想混合物。然后采用正交设计法，研究混合物各物质含量因子对其熔融温度、电导率和粘度这些指标的影响以寻找最佳配方。经过反复试验测试，得到了符合相似条件、具有液固转换的新型物理仿真用模拟液。另外为了加快这种新型模拟液的凝固速度，缩短实验时间提高效率，学生们还自创了成型用冰块冷冻快速降温新方法。在寻找合适模拟液的过程中，不少想法超出原有课堂讲授的专业知识范围，学生们的创造力被大大激发起来，也增强了团队协作能力。同时他们可以直观地看到窑炉物理模型内液体的流动全过程，从而更易理解高温熔体的流动规律。

借助大学生创新平台，学生们通过对窑炉工程实验全过程的研究，对抽象复杂的窑炉结构和设计的理解有了显著地加深，有效地激发了学生学习兴趣和主动性，增强了团队合作攻关的精神，培养了实践能力、创新能力和工程能力。将学生们的研究成果反哺教学，活跃了课堂学习气氛，教学效果受到学生的好评。学生在实习现场也能更快理解企业指导人员讲解的内容和熟悉生产流程，为毕业设计和在相关企业从事生产和设计研究工作打下了良好基础。

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