黄聪，朱志恒，范军，胡玉秋，张玉稳
（山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271018）
培养具有创新思维和创新能力的大学生已成为高校人才培养的核心目标，而学科竞赛是提高本科教育质量、培养创新型人才的一项重要举措[1-2]。学科竞赛可以拓宽大学生专业视野，使学生变被动学习为主动学习，培养工程创新思维和工程研究方法，提高解决工程实际问题的能力，全面提升工科类本科教育教学质量[3]。宛楠等[4-6]对学科竞赛促进创新人才培养开展了研究。工科类学科竞赛大多数是基于创新性实验展开的，通常是提出一个创新性的想法，然后用实验来验证。创新性实验激发了学生科技创新的积极性，培养了学生的研究兴趣和团队合作意识[7]。创新性实验能够培养学生自主学习和创新实验的能力，引导学生深入了解实验、参与实验，调动了学生学习的积极性、主动性，激发了学生的创造性思维与创新意识[8]。我校建筑环境与能源应用工程专业现开展的创新性实验项目较少，无法满足学有余力学生的学习要求和专业创新型人才培养的要求。针对这个问题，我们尝试进行创新性实验开发，并用于学科竞赛中，取得了较好的竞赛成绩和良好的教学效果。
1 创新性实验开发实践
为了参加相关的专业竞赛，我们开发了断桥式自保温砌块研制的创新性实验。该实验研发的砌块将用于日光温室墙体的建造。该实验首先要设计一个断桥式自保温砌块的块型，需要达到制作方便、成本低和保温效果好的目的。断桥式自保温砌块设计具有创新性，至少满足实用新型专利的申报要求。先制作空心砌块，然后用废弃聚苯乙烯泡沫制成保温浆料，填充砌块空心部分制成自保温砌块。为了保证使用该砌块直接砌筑外墙就能达到DB37/5026-2014《山东省居住建筑节能设计标准》[8]对外墙传热系数的要求，该砌块采用了断桥式的结构。
经过多次讨论，最终确定了S 型断桥式自保温砌块的结构[9]，如图1所示。
图1 断桥式自保温砌块结构示意图
该创新性实验包含了下列内容：
1.1 断桥式自保温砌块块型设计
这个实验的主要目标是让学生熟练使用AUTOCAD 软件及ANSYS 软件。要求设计的砌块块型结构简单、保温性能好、易于加工。
AUTOCAD 软件主要用于图形的绘制、3D 效果图的制作等。ANSYS 软件用于设计砌块的强度和保温性能的数值模拟，获得强度和保温性能综合最佳的砌块块型优化设计。
该实验锻炼学生熟练使用AUTOCAD 软件基本绘图命令，并且在此基础上学习和使用AUTOCAD 软件3D 建模，熟悉掌握ANSYS 有限元软件抗拉强度和抗折强度模拟的步骤和设置，熟练使用ANSYS 热模拟模块来模拟砌块的热阻等热工参数，从而得到保温性能的数据。
通过这个实验，使学生达到了熟练使用这两个软件的目的，锻炼了学生的基本科研技能。
断桥连接块的设计。断桥连接块将砌块断桥部位连接起来形成整体，是整个砌块的一个重要设计，连接材料的选择是该设计的重要内容。经过多次讨论，决定采用聚氨酯复合玻璃纤维增强筋的结构，如图2所示。
图2 连接块的结构图
因为玻璃纤维增强筋具有抗拉强度高（高于同一直径的钢筋）、导热系数低的特点，将该材料与聚氨酯复合制成连接块，满足了断桥式自保温砌块的设计要求。
该实验要求学生理论联系实际，根据实验目的来筛选连接材料，锻炼了学生的工程思维。
1.2 废弃聚苯乙烯泡沫制作保温浆料实验
学生可以参照《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统材料》JG/T158-2013[10]来开展这个实验，主要测试干表观密度、抗压强度、抗拉强度、导热系数、软化系数、线性收缩率等指标。
通过这个实验，学生明白了可以根据有关的规范来指导新的研究，并且熟悉了保温材料的一些测试方法和测试仪器的使用，锻炼了学生的动手动脑能力和严谨细致的工作态度。该实验可以将固体废弃物的废弃聚苯乙烯泡沫资源化利用，为该类固废的处理提供了一个新的思路。学生明白了这个重大意义后，做实验的积极性更高了。
1.3 砌块用混凝土配合比实验
学生可以根据《普通混凝土配合比设计规程》JG/J55-2011[11]来进行这个实验，经过该实验，学生可以熟练掌握普通混凝土的配合比的设计及相关实验的内容。然后根据设计好的配合比，制作标准式样来测试抗压强度、导热系数等参数。
通过该实验，学生明白设计的配合比必须满足设计和施工要求，而且经济合理，而不是片面追求强度越高越好。熟悉了配制强度的计算公式、强度标准差的计算、水胶比的计算、抗压强度的计算、掺外加剂时的用水量计算、外加剂用量计算、砂率计算、抗渗抗冻等。这个实验涉及的项目多，需要团队成员相互配合完成，锻炼学生的团队合作意识。
1.4 断桥式空心混凝土砌块模具设计及砌块制作实验
根据设计好的砌块结构图，设计制作砌块的模具，要求该模具制作简单、便于拆卸、成本低。然后根据设计好的配合比来制作断桥式空心砌块的实物并养护。
断桥式空心混凝土砌块的制作包括下面的步骤：（1）模具组装。（2）断桥块制作。（3）混凝土配比确定。（4）将配制好的混凝土倒入模具中，振动密实，养护。（5）拆模并养护。
1.5 断桥式自保温砌块抗压强度和抗折强度实验
将制作完成的保温浆料填入断桥式空心混凝土砌块的空心处，便制成了断桥式自保温砌块。待砌块养护成型后，即可开展相关实验。根据《混凝土砌块和砖实验方法》[12]，对在标准养护条件下养护28 天后的多组断桥式自保温砌块进行抗压试验和抗折实验。通过这个实验，学生可以掌握压力试验机的使用方法、抗压强度和抗折强度的计算及有关数据处理。
1.6 断桥式自保温砌块墙体传热系数测定实验
将养护好的自保温砌块在HTW-1 型建筑围护结构传热系数检测仪里面砌好墙，两边用M5 水泥砂浆抹平，周边空隙用泡沫材料填充密实，如图3所示。待墙体充分干燥后再进行相关试验。通过该实验，学生可以熟练掌握传热系数测定仪的操作方法及有关数据的处理方法。
图3 砌墙测温设备
1.7 热电偶的制作与标定
实验中用到了温度传感器，制作热电偶。首先实验用热电偶点焊仪制作热电偶，然后放入恒温水浴中校准，利用高精度的数字万用表获得每根热电偶的温度-热电势的曲线。
通过该实验，学生了解热电偶的结构，学习制作热电偶，标定热电偶及数据处理的方法。在实践中，学生制作了T 型热电偶和K 型热电偶并进行了标定。
1.8 数据采集仪Agilent 34972A 的使用
在热电偶的标定及传热系数测定的实验中，需要用到Agilent 34972A 数据采集仪。学生需要熟练掌握该仪器的使用方法，板式热流计及热电偶与采集仪的采集板正确的连接方法，以及该采集仪与电脑的通信设置等。
使用步骤：（1）在电脑中安装Agilent Benchlink Data Logger 3 程序，（2）用网线连接采集仪和电脑并通信测试，（3）配置通道，（4）扫描及数据记录。
2 创新性实验训练的成果
依托山东农业大学建筑环境与能源应用工程专业温室节能研究平台，开发了断桥式自保温砌块研制的创新性实验，并参加了多个学科竞赛项目。先后获得了首届“能源智慧未来”全国创新创业大赛一等奖，第十一届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛二等奖，第五届全国大学生农业建筑环境与能源工程相关专业创新创业竞赛一等奖，第三届山东省科技创新大赛一等奖的好成绩。
通过该项目，学生申请了专利《一种断桥式自保温混凝土砌块》并获得了授权，专利号2018221641682。在核心期刊发表了相关的论文《S 形断桥式自保温砌块的强度和保温性能研究》。
成绩的取得，是对该项目的创新性及具体工作的认可。该创新性实验，增强了学生的动手能力和科研素养，使学生熟悉了有关规范的实际工程应用，培养了学生的创新性思维和团队合作精神，取得了良好效果。
3 创新性实验开发的建议
3.1 创新性实验的开发，要与指导教师的科研题目结合，或者与大学生创新创业计划项目结合
与指导教师的科研题目结合，探索研究生带本科生的模式，能让学生快速进入研究状态。与大学生创新创业计划项目相结合，指导教师定期检查学生实验进展，让学生积极动手、动脑自主解决问题，提高科研水平。指导教师要注意发挥每个学生的特长，提前做好任务分工，定期组织讨论，增强学生的团队合作意识。这种在学科竞赛中获得的综合能力可以使学生在完成第一课堂繁重任务的同时，以更多的毅力和恒心去解决其他学习、生活、工作中的困难。增强大学生的科技创新意识，锻炼大学生的逻辑创新思维，磨炼大学生的意志品质。丰富大学生的工程实践经验，拓展大学生与企业交流的桥梁，积累大学生创业的技术资本。
3.2 学院和学校要对教师开发创新性实验、积极指导学生参加学科竞赛给予大力支持，充分调动指导教师的积极性
为了促进学生的创新创业，山东农业大学完善校院两级工作体制和运行机制，加强组织领导，实行目标管理责任制，将创新创业工作纳入学院评价指标体系，定期对创新创业工作进行绩效考核，加大经费、场所投入力度，确保每个学院建有一处大学生创新创业实践场所。加大政策扶持力度，对优秀创新创业指导教师在教学工作量核算、职称评聘、评先评优等方面给予政策倾斜，设立专项研究课题，资助教师开发创新创业教育课程和科研项目。加强创新创业队伍建设，加大师资培养和引进力度，建设专兼职结合的师资队伍，营造创新创业的浓郁氛围。
3.3 对积极参加创新性实验和学科竞赛的学生，给予评奖评优优先的支持，充分调动学生的参与热情，提高教学的效果
建议对优秀创业学生在学分奖励、实践环节认定、研究生推免、先优评比等方面予以支持。开展大学生创新创业标兵、创新创业之星、优秀创新创业实践项目、优秀创业公司等先优评选表彰工作。形成人人爱创新，人人懂创新，人人做创新的良好氛围。
