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1.1毕业设计团队的组建
1.1.1教师团队的构建团队培养模式下指导教师团队的构建是保证教学质量、实现培养目标的前提和基础.不同于传统单一毕业设计指导方式,基于团队培养的水利类毕业设计指导模式转变为团队指导,即由多名水利类专业教师组成教师团队对学生进行指导,有利于实现师资的整合与共享.指导教师团队的组建,应根据选题的类型采取不同的组建方式,一般可采取以下方式进行:(1)科研团队建设比较成熟的院校可选择以科研课题组为毕业设计指导团队;(2)校企合作比较密切的院校可采用由校内水利类各专业教师和校外企业导师组成的毕业设计指导团队;(3)科研团队尚未形成青年教师居多的新兴本科院校可由科研兴趣或科研方向相近、不同专业背景的教师组成毕业设计指导团队.指导教师团队一般由2-3名不同的学科专长教师构成,以达到优势互补;同时确定1名负责人,负责人由责任心强、专业业务素质高的教师担任,并由其负责组织协调团队内指导教师及优质教学资源的使用.在构建教师团队的同时,也要注重青年教师的培养,通过“以老带新”激励青年教师积极投身生产实践,增加工程实践经验,进而完善教师梯队建设.鉴于我校为新升本科院校,青年教师占的比重较大,且尚未形成科研团队,故采用后一种方式组团.
1.1.2学生团队的构建学生团队是水利类专业毕业设计团队培养模式的重要组成部分.学生团队的组建,可采取以下方式进行:(1)以教师科研团队为背景的毕设团队,该种模式下先由学生自愿报名,然后由指导教师团队再从中选择符合条件的学生进入设计团队;(2)以赛制项目团队及科研训练等课外科技活动团队为背景组建毕设团队,如学校立项的科研训练计划、省级大学生创新创业计划、大学生挑战杯等,以这些课外科技活动项目构建的团队组建毕业设计团队;(3)以学生研究兴趣为基础的自组团队,学生选择团队成员,自己联系指导教师,自己构思项目整体研究思路,该模式下学生参与程度最广的.水利类毕业设计团队一般由水利水电工程、水文与水资源工程、农业水利工程等多学科多专业组成,学生设计团队具体构成需根据项目内容及项目工作量来确定,可以同专业,也可以跨专业、跨学科组建团队,同时安排沟通能力好、责任心强的学生为作为团队负责人,负责整个项目的协调.由于学校水平及学生能力限制,我校水利类专业毕业设计团队组建一般是采用前面两种方式进行.
1.2团队毕业设计的选题毕业设计课题的选择是毕业设计教学的关键环节,直接关系到团队毕业设计的最终效果.好的选题应具有综合性、应用性与创新性,不仅能最大限度地调动学生自主学习的热情,也能较全面的提升学生专业能力.在进行团队毕业设计选题时要做好总课题与子课题的设计工作,每个子课题既要符合学校关于毕业设计选题所做的要求,同时各子课题之间要有密切联系,使得以团队毕业设计选题工作较传统方式要求更高,难度更大.团队毕业设计的选题一般可采取以下方式进行:(1)以教师在研或刚结题的科研课题作为毕业设计选题的来源,设计出团队毕业设计选题,这样一方面可以保证团队毕业设计课题的新颖度,同时又能较好地反映各学科的前沿技术;(2)以赛制项目及科研训练等课外科技活动项目作为毕业设计选题的来源,设计出团队毕业设计选题,课外科技活动的可持续性、综合性强的特点,能调动学生兴趣、充分发挥主体作用,也有利于学生创新能力和团队精神的培养;(3)以与地方施工单位或设计院所合作的实际工程项目作为毕业设计选题的来源,这种选题面向实践项目,有利于提高学生的工程实践能力;(4)由教师根据生产实际自拟毕业设计课题,该类课题一般多为校企合作的水利工程设计,如水库工程初步设计、中小河流治理工程等.在具体选题时,应根据学生的毕业去向有针对性定制相应课题,同时优化毕业设计课题内容.
1.3团队毕业设计的过程管理与传统毕业设计一样,团队毕业设计其过程一般可分为三个阶段,即毕设前期阶段、毕设中期阶段和毕设后期阶段.团队毕业设计需对每一阶段提出具体的任务和要求:(1)毕设前期阶段,以查阅国内外相关文献、熟悉课题研究背景为主,总课题负责人组织团队成员进行研讨学习,明确总课题与子课题的关系;分课题的指导教师按要求布置并详细讲解毕设任务,同时要求学生通过集中讨论的形式深入研读学习(.2)毕设中期阶段,团队安排专门指导教师定期检查并督促各个子课题的研究进度,学生要定期汇报工作进展;学生每天做好工作日志,同时,指导教师对工作日志给出评语;团队成员要定期进行讨论,尤其是对毕业设计过程中遇到的问题要共同讨论,提出问题的解决方案,对仍不能解决的问题,由相应的指导教师以毕业设计讲堂的形式进行专题讲解毕设后期阶段,指导教师要督促学生按照学校要求认真撰写毕业设计论文,期间可安排一场科技论文写作讲座,以更好指导学生撰写科技论文;撰写完论文后,先交具体指导教师进行审阅,再由评阅教师评阅,只有指导教师和评阅教师都认可后,才能参加答辩.
1.4团队毕业设计的成绩考核团队毕业设计模式中,学生成绩的评定既要考虑学生个人的贡献和工作水平,又要兼顾学生在团队中的协调配合能力和团队整体工作质量[3].因此,在团队毕业设计中,学生成绩由平时成绩、团队协作成绩、评阅成绩及答辩成绩4部分组成.团队毕业设计平时成绩根据该学生在毕业设计期间的学习态度、纪律、独立思考、创新能力及解决问题的能力进行评价,并由具体指导教师给予评分;团队协作成绩主要由指导教师团队根据学生日常汇报、平时讨论情况、中期评估对学生的团队协作能力进行评价;论文评阅成绩包括由指导老师对学生毕业设计完成情况和质量进行评价给予评分,以及由不同评阅老师给出评阅成绩;答辩成绩由答辩教师根据团队成员在答辩过程中的表现给予成绩.上述四方面成绩按一定比例加权得出该学生的综合成绩.
2水利类专业团队毕业设计的实践
南昌工程学院是一所水利特色鲜明、以工为主的应用型地方本科院校,培养的人才既要体现宽口径、厚基础的特点,又要体现应用型的特色.其下属水利与生态工程学院拥有水利水电工程、水文与水资源工程、农业水利工程、水土保持及荒漠化治理等四个水利相关专业.我校配置完善的专业群为开展水利类专业团队培养模式提供了良好的外部条件.
笔者在多年本科生毕业设计指导过程中,一直鼓励学生以团队形式完成毕业设计,不论是本专业的课题,还是跨专业的课题.在此过程中每人负责课题中的一部分,由于课题之间的联系,在做毕设过程中,学生为完成毕设,就需要主动交流、互相讨论,相互协作.以笔者所带的水利类跨专业团队为例,为了能使毕业设计课题更科学,指导教师团队在第7学期初就开始进行毕业设计选题工作.经过多次讨论,最终确定毕业设计团队的题目为“留金坝水利枢纽工程初步设计”,该课题来自工程实践.然后,将大题目拆分为两个子课题,分别为“留金坝水利枢纽工程初步设计—水工设计”、“留金坝水利枢纽工程初步设计———水文水利计算”.同时为方便学生选择,在各子课题下标明难易程度和具体指导教师.通过双向选择,最终组建了学生团队.该团队共有9名学生,3名学生来自水文与水资源工程专业(简称水文组),6名学生来自水利水电工程专业(简称水工组);团队指导教师有2人,由一名水文与水资源工程专业教师和一名水利水电工程专业教师组成,其中,水利水电工程专业教师是该项目的负责人.水文与水资源工程专业老师具体指导3个学生,其课题主要任务是通过对留金坝坝址处历史流量资料进行设计洪水及调洪演算,得到留金坝水库设计洪水位及校核洪水位,为水工组坝体设计计算提供数据支撑,除此之外,水文组还需自行编程,实现水文计算程序化.一名水利水电工程专业教师指导6个学生,其课题主要是通过水文组计算出的设计洪水位数据进行坝体设计,包括坝线、坝型的选择、枢纽布置方案比较、溢流坝的剖面设计、非溢流坝的剖面设计、细部构造设计等.由于本次团队毕业设计项目工程大、涉及的专业多,在毕业设计的各个环节,团队都安排指导教师进行指导,如查阅文献、熟悉课题研究背景、专题讲解、撰写毕业论文及毕设答辩等;同时,为督促学生毕设进度,要求学生每周做好工作日志,指导教师每周一对周工作日志给出评语,并现场就毕设做的情况进行提问,检查学生掌握情况,平时通过见面、发邮件或QQ进行指导,解决毕设过程中碰到的问题.通过团队各专业师生团结合作及相互配合,最终该团队较好地完成了毕业设计任务,其中,4人毕业设计成绩获优秀,5人获良好.通过这种基于团队培养模式的水利类专业本科毕业设计指导法,一方面培养了学生的团队合作精神,学生团队协作能力得到了较好的锻炼,另一方面,也拓展了学生的知识面;同时,通过这种团队培养模式,也锻炼了团队中的年青教师,使青年教师指导水平得到较大提升.总得来说,本次毕业设计取得了很好的效果,受到学生的普遍欢迎.
3结语
关键词:水利水电工程;毕业设计;教改
作者简介:孟艳秋(1971-),女,河南商丘人,长沙理工大学水利工程学院,讲师;张贵金(1964-),男,湖南慈利人,长沙理工大学水利工程学院,教授。(湖南 长沙 410114)
基金项目:本文系长沙理工大学教学改革研究项目(项目编号:CN1005)的研究成果。
中图分类号:G642.477?????文献标识码:A?????文章编号:1007-0079(2012)33-0071-03
当今社会对应用型优秀人才的需求越来越高,为适应这一发展需求,独立学院将应用型本科人才作为其培养目标,目的是培养具备较强实践动手能力的应用型人才。教学过程中,实践教学和理论教学在水利水电工程专业教学中处于同等重要的地位。本科生毕业设计无疑在整个实践教学环节中占有相当大的比重,是对学生能力的全面训练和提高,是培养学生沟通、协调、合作等综合素质的有效途径,对启迪学生思维、综合运用知识和技能解决实际问题发挥着重要作用。毕业设计不仅为今后从事水利水电工程及相关专业的规划、设计、施工、管理及科研等工作打下良好的基础,同时也是衡量高等学校教育质量和办学效益的重要评价内容之一。
一、毕业设计教学中存在的问题
随着高校扩招和毕业生就业压力的不断增大,传统的毕业设计模式逐渐难以适应社会对人才培养的需求。[1]
1.设计课题与社会需求不适应
毕业设计选题形式相对单一,相关单位和学生参与毕业设计选题的机会相对较少。一般是由教师选择毕业设计题目,虽然大部分课题源自设计院的真题,但有时并未考虑部分单位特别是学生签约设计单位的真正需求,也影响了学生的自主学习热情和创造力。
2.学生实习周期与岗位需求不适应
本科学生毕业后,需要一年左右的时间完成工作实习期。而当今的社会需求要求学生与技术人员的转化周期要尽量缩短。
3.毕业设计的考核与市场需求不适应
传统的毕业设计考核仅停留在校内,是否满足市场需求无从考证。毕业设计反映现实的教学水平、教学目的、社会需求变化及个性发展,具有显著的时代特征。为适应市场需求,需在现有的基础上进行创新,这是涉及到学校、社会、学生等方方面面的系统工程。
二、毕业设计教改研究与实践
针对社会需求及应用型人才培养目标,以水利水电工程专业为例,探索毕业设计不同的培养模式,尝试从以下几个方面进行研究与实践。
1.毕业设计选题
改变以往由指导教师指定选题的单一模式,以强化工程意识,培养工程实践能力为目的,让教师、单位和学生都参与到毕业设计选题中,根据水利水电工程专业的特点并结合学生特长、兴趣、能力及发展方向,加以指导与建议,既锻炼了学生的工程实践能力和综合素质,又服务于学生签约单位。
(1)毕业设计为企业服务。水利水电工程专业毕业设计,不仅要求独立钻研,同时强调要有团队精神;不仅鼓励创新,更强调熟练掌握设计规范,善于参考标准图集和同类设计。因此,水利水电工程专业毕业设计应该根据题目的性质和教师指导学生的人数进行选题,可以“一人一题”,也可以多人合作一题,以实现“真题真做”。
毕业设计选题阶段,依据水利水电工程专业人才培养方案,选拔学生到专业对口的设计院、科研院所等单位进行毕业设计,以企业为主导,企业、学校、学生三方共同讨论确定毕业设计选题。[2]毕业设计选题来自相关企业的设计任务。通过“实战”操练,极大地激发了学生的责任感和创造性,提高了学生分析和解决实际问题的能力。
(2)毕业设计为学生签约单位服务。学生在选择自己的毕业设计课题前,往往已与就业单位签约。部分学生签约单位的生产或科研任务较重,或从尽快让毕业生适应今后工作岗位的目的出发,急需学生参与其生产课题或尽早到签约单位实习。
毕业设计选题应坚持与生产实际相结合。学生签约单位为了解决实际问题或考察学生的实际操作能力,结合在研的实际课题,提出一些设计方案让学生解决。学生可结合自己的专长和兴趣,选择作为自己毕业设计的题目。有些单位虽未具体要求,但部分学生希望自己的毕业设计题目与将来的工作密切相关。这样,签约单位、校内指导教师及学生结合实际情况,可以联合提出毕业设计选题。一方面,让签约单位参与到毕业设计选题,以便于考察学生并解决工程实际问题。另一方面,让学生参与到毕业设计选题,使其既发挥了自己的主观能动性,又能很快适应今后的工作岗位。另外,校内指导教师要结合本专业培养目标,既保证专业基本要求,又考虑签约单位及学生实际情况,综合选定毕业设计题目。
(3)毕业设计与教师科研项目相结合。部分毕业设计选题来自教师的科研或生产课题。加强科研训练,让学生较早参与教师科研工作,以增强学生对实际工程的感性认识,提高学生实践动手能力。
让学生参与本专业的科研项目,根据专业培养目标对科研项目进行认真细致的筛选或分割,充分考虑其综合性、针对性、典型性和先进性,既要求全面的基础训练,又要侧重于培养某一方面深入解决技术问题的能力。这样既有利于学生巩固和应用所学的知识,培养综合解决问题的能力,又有利于他们加深拓宽某方面的专门知识。一般选拔基础理论扎实、钻研精神强的学生承担,同时指导教师加强指导和把关。[3]
特别是对于部分想继续深造的学生,选题不一定要局限于工程设计,可结合教师的科研课题及学生未来的研究方向,就课题中的某个子项目进行深入研究,最后可以以毕业论文的形式提交最终的毕业设计成果。
(4)参与教学课件的开发。计算机辅助教学在现代教学方式中逐渐推广普及,它直观形象、生动有趣、信息量大,能充分发挥优秀教师的作用,具有传统教学方式不可比拟的优势。通过让个别学生参与教学课件的开发,不但使学生对基础理论、专业知识和计算机技术有了全面的、更深一层的理解和认识,而且通过学生对课件的扩充和完善,将之真正引入课堂教学,无疑是一项有益的、具有探索性的尝试。从水利水电工程专业人才培养目标和培养方案出发,目前此类做法并未作为学生毕业设计的主要成果,仅作为毕业设计的一种补充和探索性尝试。
2.毕业设计进程控制
(1)提前开始毕业设计。水利水电工程专业学生毕业设计一般安排在第八学期,此时,学生毕业设计与部分学生考研复试及求职就业存在矛盾。部分已联系好签约单位的学生,认为已找好工作,此时也对毕业设计缺乏热情。
提前布置安排学生做毕业设计可以缓解冲突,使毕业设计时间弹性化,让学生有更多的时间和精力投入到毕业设计中。
1)实施方案。通过调整时间,充分利用第六或第七学期及寒假期间,提前布置安排毕业设计任务,缓解后期考研复试或求职与毕业设计之间的冲突问题。
2)实施办法。可能的情况下,在第六或第七学期以专题讲座、查阅资料调研、指导学生完成专题研究或文献综述等形式,使学生熟悉课题,提前介入毕业设计,充分做好毕业设计的准备工作。
提前安排布置毕业设计任务,给学生下达毕业设计任务书。指导学生毕业设计需要准备的基础及专业知识、设计规范等参考资料及相关注意事项,让学生在假期前及寒假期间进行知识准备、资料收集与整理及设计方案构思等,要求开学时提交外文翻译、文献综述及开题报告。毕业设计安排及考核可参见表1。[4]
表1 毕业设计安排及考核
阶段 对应学期 工作内容 工作时间 考核方式 指导教师
第一阶段 第六或第七学期 查阅资料、
知识积累 课余时间 文献综述 校内导师
第二阶段 第七学期 结合课题实习调研,制定开题方案 课余时间 文献综述、外文翻译、开题报告 校内导师
第三阶段 第八学期 毕业实习,深入研究毕业设计 全部时间 毕业设计及答辩 校内或校内外导师
3)实施效果。通过教改实践,将毕业设计工作时间前置,让学生有更充裕的时间做好毕业设计准备工作,在第八学期以饱满的热情和精力投入到整个毕业设计工作中,收到了良好的效果。
(2)校企双方联合指导。水利水电工程专业将毕业设计与生产实践相结合。毕业设计选题结合设计单位在研项目。有条件的学生,可自己联系设计单位或由指导教师推荐。充分利用学校和企业两种不同的教育环境和教学资源为毕业设计服务。将部分学生毕业设计“教室”由学校转到水利水电工程设计科研院所。学生以一名“准员工”的身份,参与实际工程设计和研究课题,由设计单位经验丰富的工程师担任学生校外指导教师,校内外指导教师联合指导学生毕业设计。企业委派的校外指导教师,在毕业设计期间与学生长期共同工作,主要负责理论与实际操作指导;学校安排校内指导教师,定期或不定期地深入企业进行指导,主要负责沟通和理论指导。学生不仅在水电设计单位结合工程项目实际“真题真做”完成了毕业设计,同时以“准员工”的身份提前进行了一次真实工作经历的锻炼,利于增强学生的事业心、责任感、工作能力,为今后较快适应工作岗位创造了有利条件。
将学生毕业设计“教室”由学校转到设计单位,不仅加强了与设计科研单位的沟通与交流,同时,设计科研单位带来的创新性和实践性较强的课题,对提高学生进行毕业设计的积极性,培养其综合应用与创新能力都有很大的促进作用。
校企联合真正体现了理论与实践相结合的教育方针,从根本上实践了“应用型人才”培养目标的要求。实践证明,对提高学生毕业设计质量,提升学生全面素质大有裨益。
(3)毕业实习与毕业设计一体化。水利水电工程专业学生毕业实习一般安排在第八学期的前三周。学生通过毕业实习,从理论到实际较为系统地了解了水利工程的规划、设计及施工等各个阶段的要求、设计的原则、方法等,加深了对相关内容的理解。通过接触课堂以外的实践知识,加深了解社会对本专业的需求,培养独立进行资料收集和解决问题的能力,并开阔眼界及思路,为毕业设计和今后的工作打下良好的基础,同时增进从事水电建设事业的自豪感和责任感。作为一个重要的实践教学环节,是学生进行毕业设计的重要基础。
考虑到部分学生要到签约单位进行毕业实习,并在单位“真枪实战”完成毕业设计,因此尝试将毕业实习与毕业设计一体化。首先,时间上不必拘泥于开学前三周,根据实际需要,甚至可提前至寒假期间,一直贯穿于整个第八学期。其次,也不必雷同于校内三周集中实习的内容,可根据单位具体情况及设计课题的需要,由校内外指导教师灵活安排实习内容,或将部分校内实习内容与校外实习相结合,更有助于毕业设计课题的高效高质完成及学生综合能力的锻炼与提高。签约单位和学生达到了“双赢”,得到他们的一致认同。
学生在单位实习与设计,学习的积极性更高,他们感到学有所用,利用实践的机会有意识地锻炼自己的综合素质和创新思维能力,乐于实践,在实践中不断运用自身所学的专业理论知识,亲身感受企业所面临的挑战与机遇。通过在单位工程实践,学生可以在现场近距离的向工程技术人员学习专业技术知识和技能,在运用中深刻理解并创造性地应用所学专业理论知识,逐步树立工程意识。[5]通过近一学期的毕业实习与毕业设计,学生已基本适应了工作岗位,从而缩短了岗位适应期,可尽快进入角色,为步入工作岗位打下了坚实的基础。校外毕业实习与设计不仅能收到与校内设计同样的效果,而且学生在此过程中得到了锻炼,增长了才干。过程的探索是学生追寻知识、构建知识和享受知识的过程,而非简单的复制知识,它远比结果更重要。[6]艰辛探索的过程也是自身素质不断提高的过程,更加符合创新精神和综合实践性强的应用型人才培养目标。
(4)多种方式灵活指导。根据不同选题,综合学校、单位和学生等各方面的要求,可采用校内教师指定课题、校内完成;校内教师指定课题,校外实习单位完成;校外选题,校内完成及校外选题,校外完成等不同的方式。
依据不同情况,指导教师与学生一起拟定具体进程安排、内容结构等,制定灵活合理的辅导方法与手段。条件成熟时,将毕业实习与毕业设计一体化,校企合作双方联合指导。
在设计过程中遇到的问题,采取现场调研与专题讲座、辅导答疑相结合的方式解决。理论与实践紧密结合,增强了工程的感性认识,学生易于理解和接受。
毕业设计指导方式灵活多样,除见面交流、电话答疑外,还充分利用了计算机网络进行过程指导。毕业设计小组建立网络交流QQ群,学生可以随时提问,教师随时答疑,且可资源共享,一些重要电子规范类参考书及主要问题、通知要求等也可以及时畅通交流。计算机网络QQ、Email等工具,使毕业设计指导及答疑方便快捷。
对在水电设计单位结合工程项目实际“真题真做”完成毕业设计,由校企双方联合指导的部分学生,校内指导教师要与校外设计学生及校外指导教师多沟通、交流,及时了解学生毕业设计进展情况,发现问题及时解决,使学生既受到实际工程真实训练,又能达到本专业培养目标的要求。
3.毕业设计考评
对在校外毕业设计的学生,采用较科学、客观的毕业设计考评标准。
(1)学校制度保障。严格按照学校有关毕业设计管理制度和管理办法的要求,由指导教师、评阅教师、答辩委员会进行质量监控。院系结合水利水电工程专业的特点将毕业设计过程按阶段细化,针对不同阶段,对教师和学生分别提出明确要求。建立有效的毕业设计管理制度和管理办法,并以全面检查、个别抽查等方式,使毕业设计的质量从制度上得到有效保证。
(2)单位评价。从用人单位和学生的角度出发,使用人单位和学生真正介入毕业设计过程,参与设计选题,尝试将部分学生的毕业设计由学校教室转到“设计院”,设计课题采用设计单位现有的真题,实行“双导师”制,校外导师和校内导师对学生的设计内容、安排及过程管理、考核评价进行联合指导,借助网络、通讯等灵活多样的辅导方式与手段,结合学生对课题的投入程度、出勤、单位同事的评价及最终成果等考评。目的是缩短学生与单位之间的距离,尽快完成“角色转换”,一方面使工程实践训练和工程思维训练有机结合,锻炼了学生的工程实战能力、团队协作能力、创新能力和人际交流能力,激发了学生自主学习、自主创新的热情,同时又能为社会生产直接提供服务,创造自身的劳动价值,体现了学校应用型人才培养的目标。
(3)校外导师参与。培养大学生的综合素质是毕业设计的目的所在,更是学校“应用型人才”培养目标的要求。同时,学生素质的提高,又促进了毕业设计质量的提高。通过校企联合,在企业进行毕业设计,以实践结合理论,有利于完善学生的知识结构,同时培养了大学生的自学能力、分析和解决问题的能力、团队协作能力以及创新能力等,这些能力的提高,都体现了学校“应用型人才”培养目标及培养卓越工程师的要求。
对在校外单位实习并完成毕业设计的部分学生,实行校内外导师联合指导的“双导师”制,主要由校外指导教师负责学生的实践指导。学生毕业设计成绩的评定由学校和实习单位共同参与,校内外指导教师结合学生在校外实习单位的评价意见、平时检查情况、完成设计成果情况、评阅教师评阅意见及答辩委员会答辩情况等综合评定。
三、结语
在推进高等教育事业改革的进程中,毕业设计改革是一项复杂而艰巨的工作。本文以水利水电工程专业为例,对基于应用型人才培养的毕业设计从选题、进程安排、辅导方法与手段、考核评定等方面作了相关研究,探索了毕业设计新模式,对提高毕业设计质量,培养应用型人才,促进教育质量和办学效益具有一定的现实意义。
1.基于工程实际的设计选题多元化
毕业设计选题中,考虑将学校、用人单位及学生三者有机结合,充分调动各方面的积极性,让单位和学生也参与到毕业设计选题中,拓宽了选题的范围,更有利于应用型人才的培养,提高学生的就业竞争力。
2.设计成果的多角度考评
部分毕业设计由“教室”转到“单位”,毕业设计管理更具有灵活性。毕业设计考评更科学、客观、合理。
毕业设计没有一成不变的模式,只有在教学实践中不断探索,才能找出适合本专业培养目标,体现专业特色的教学模式。
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要想提高小学作文水平首先就要从教学方法和教学思想下手。本篇例举了关于小学作文教学论文参考文献的范例来展示参考文献的写作规范格式,帮助大家更好的学习参考文献的写作方法。
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关键词:液压;凿岩机;设计研究;建议
中图分类号:TD421.2 文献标识码:C
Abstract: The paper analyzes various design and research literature on hydraulic rock drills in China, enumerates major arguments in some related papers, points out the imperative problems, and puts forward academic and policy-related advice on the R&D of the hydraulic rock drills industry in China.
Keywords: hydraulic; rock drill; design & research; opinion
1 我国液压凿岩机设计研究历史回顾
我国液压凿岩机的研制起步非常早,距今已近50年。我国液压凿岩机技术研究也很早,二十世纪七十年代,我国长沙矿冶研究院等就翻译了大量国外液压凿岩机专利和论文,七十年代后期,我国作者撰写了大量液压凿岩机的技术论文,直到现在,关于液压凿岩机的论文与专利仍然不断出现在各类期刊与网络上。
我国液压凿岩机设计研究方面的论文,有博士论文,硕士论文,学士论文,有期刊论文,也有网络论文,在整个液压凿岩机技术论文中,占据了很大一部分。
估计有20个高等学校(其中包括3所师范大学)和近10个研究院所的作者发表过液压凿岩机技术论文,其中大部分是关于液压凿岩机设计研究方面的论文。专利文献更是与液压凿岩机结构设计有关。可见,液压凿岩机设计研究在我国并非冷门。
我国液压凿岩机的技术论文与设计研究论文大量产出。与此形成鲜明对比,我国液压凿岩机产品发展很缓慢,独立开发的产品,很少能在市场站住脚。
2 我国液压凿岩机文献的分类
2.1 研究型论文
2.1.1 设计计算型论文
此类论文数量多。
设计计算型论文包括了仿真计算,优化设计,活塞间隙优化设计,蓄能器设计优化,换向阀设计优化,活塞缓冲设计,钎尾缓冲设计,冲击频率调节方法等等。
博士、硕士、学士的论文几乎全部属于此类。高校与研究院所作者的论文大都属于此类。此类论文数量多。
2.1.2 实验研究型论文
实验研究型论文包括实验方法介绍,实验设备和仪器介绍,实验项目介绍,测试结果与测试曲线分析,误差分析等等。
此类论文中介绍实验原理与实验方法的较多。专门介绍液压凿岩机测试结果与曲线,并且进行分析的论文较少,大多散见于设计计算论文中,作为计算正确性的证明。
高校与研究院所作者有些论文属于此类,此类论文数量不多。
2.1.3 材料热处理研究型论文
材料热处理研究型论文包括活塞、钎尾的选材与热处理,铜套的选材等等。关于活塞、钎尾的选材与热处理的论文较多,关于其他零件的论文数量少。
2.1.4 加工工艺型论文
加工工艺型论文包括凿岩机主要零件的机加工的设备,工装夹具,量具与测量方法,工序与工艺步骤,怎样保证尺寸精度与位置精度,等等,大概是技术保密的原因,此类论文数量极少。
2.2 综述型论文
2.2.1 产品品种型号综述型论文
产品品种型号综述型论文包括当时国内外液压凿岩机产品的厂家,系列,型号,主要性能参数等等。
此类论文数量较多,但大多是介绍阿特拉斯、山特维克公司的液压凿岩机产品,介绍国内产品的较少。
2.2.2 产品历史发展综述型论文
产品历史发展综述型论文包括介绍国内外液压凿岩机历史发展,产品型号推出的年代,市场情况等等, 此类论文数量不多,但大多是介绍蒙特贝塔、阿特拉斯、山特维克公司的液压凿岩机产品历史,介绍国内产品历史的较少。
2.2.3 产品技术综述型论文
产品技术综述型论文包括液压凿岩机结构类型,技术进展,等等。此类论文数量少而且内容重复较多。
2.2.4 产品市场调研分析指导型论文
产品市场调研分析指导型论文包括当时国内使用的液压凿岩机产品的主要型号,市场保有量,年销售量与销售额,备件销售量与销售额,市场的细分,将来市场的趋势预测,市场对液压凿岩机的性能与技术要求。
此类论文很重要,对于国家的产业政策和企业的产品规划指导意义很大。
此类论文数量极少,几乎没有,倒是在网络上各种市场调查公司的广告不少,只提供提纲,具体内容要付费才能提供。
由于我国缺乏市场液压凿岩机产品销售数据统计,要写出高可信度的此类论文,必然要花费巨大的人力财力,只靠个人或一个单位的力量难以完成,最好有行业组织与行政力量的参与。
2.3 使用维修型论文
2.3.1 产品使用方法型论文
产品操作方法型论文包括凿岩机冲击压力,旋转压力,推进压力的优化匹配,钻头直径与旋转速度的匹配,操作方法等等。
此类论文数量不多,有北京科技大学高澜庆教授等的论文“液压凿岩机主要工作参数对凿岩速度影响的试验研究”,有广东省水利水电第二工程局梁明华论文“液压凿岩机旋转速度与凿孔直径的关系” [1],是凿岩机使用实践总结,指导意义更大。
2.3.1 产品维修与故障分析型论文
产品维修与故障分析型论文多数为水电工程局、铁路隧道工程局的技术人员所写。此类论文来源于生产实践,言之有物,参考价值很大,数量不多,列举如下:
煤科总院北京建井所黄园月、李耀武、郭孝先“液压凿岩机的故障分析与防治”;
广东省水利水电第二工程局何雄彬“HDl35A和COPl238ME型液压凿岩机工作原理及常见故障处理” [2];
广东水电二局股份有限公司李同明“阿特拉斯ROCD7钻机使用中易出现的问题与改进” [3];
李强“Atlas 1838型凿岩机六种常见故障的排除”[4];
张兆钦“COP1238凿岩机技术特点及使用维护” [5];
田华军“HL500型液压凿岩机的日常维护保养” [6]。
2.4 产品介绍型论文
2.4.1 产品性能介绍型论文
产品性能介绍型论文多为介绍阿特拉斯、山特维克公司产品的论文,也有少量介绍国内海卓公司产品,乐清采矿机械厂的液压凿岩机产品的论文。
2.4.2 市场应用报道型论文
国外作者关于液压凿岩机市场应用报道型论文很多,国内此类论文数量很少,有少量关于YYT26支腿式液压凿岩机工程案例,使用成本效益分析的报道。
2.5 专利文献
最近的十几年关于凿岩机械的专利有六十多件,大都是液压凿岩机械的结构设计方面的专利。尚未见到有重大影响,或产生效益的专利。
3 我国液压凿岩机技术研究的不足
3.1 凿岩机文献的五多五少现象
通过对我国液压凿岩机文献的分析,我们发现有五多五少现象。
(1) 设计论文多,实验与工艺论文少;
(2) 研究论文多,使用维修论文少;
(3) 性能介绍型论文多,市场应用报道型论文少;
(4) 历史发展综述论文多,市场调研分析指导型论文少;
(5) 专利多,影响小。
3.2 缺少学术交流讨论
我国大概有20多年没有开过全国性液压凿岩机技术方面的交流会或研讨会。
我们众多的论文作者,都是在自说自话,没有交流,没有讨论,更没有争论。论文提出的论点,基本没有人跟进,进行理论与实践两个方面的证明或证伪,或补充,只是不加评价的引用。
我怀疑,很少有人认真阅读这众多的论文,如果不是博士生,硕士生,大学生因为做毕业论文的需要,阅读的人就更少了。我国关于液压凿岩机论文的影响力实在有限。
3.3 设计理论研究与产品生产脱节
我国大概可称得上液压凿岩机设计研究论文数量大国,但是我国自行开发的液压凿岩机产品多数从市场上消失,现在还能在市场上站住脚,有一定销售量的产品,多数为1980年代技术引进的产品。这种情况至少说明我们的设计研究和产品生产是脱节的,或者说明我们的设计理论还不成熟,还要不断改进。
4 我国液压凿岩机设计理论的主要论点
4.1 关于凿岩机冲击机构设计理论
4.1.1 三段法理论
认为活塞往复运动一个周期是由活塞回程加速、回程减速、冲程加速三个阶段组成的。4.1.2 设计变量理论
将一个无量纲数称为设计变量,这个无量纲数可以是:
(1) 冲程时间与活塞运动周期之比;
(2) 活塞回程加速度与冲程加速度之比;
(3) 活塞行程与可能最大行程之比;
(4) 活塞后腔受压面积与前腔受压面积之比,很明显,第四个无量纲数最直观,最易检验。
4.1.3 优化设计理论
根据以下5个设计目标,求得一个最佳设计变量。
(1) 蓄能器容积变化的最大值最小;
(2) 蓄能器隔膜震动次数最小;
(3) 能量利用效率最高;
(4) 冲程时,最大瞬时流量最小;
(5) 回程时,最大瞬时流量最小。
4.2 关于换向阀设计理论
4.2.1 换向阀中位正开口理论
换向阀在中位时,换向阀的高压窗口与低压窗口都有微小开启,叫正开口。认为正开口有益于冲击机构性能改善。主张应该采用正开口。
4.2.2 换向阀最优行程理论
换向阀行程的选取受到阀口通流面积,换向时间与阀耗油量三重制约,存在一个优化点。
4.3 关于蓄能器设计理论
4.3.1 高压蓄能器与活塞运动的最佳耦合理论
蓄能器的蓄油与排油量不仅与蓄能器的容积有关,而且与系统的工作频率有关,如果蓄能器固有频率选择不合适,即使加大蓄能器容积,也不能增大蓄能器的蓄油与排油量。
在蓄能器结构参数固定,凿岩机进油压力确定的情况下,可以改变蓄能器充气压力来改变谐振频率,使得系统处于最佳工作状态。
这个理论是极有理论研究价值与学术价值的,是一个动态的理论,是北京科技大学首先进行研究的,可惜无人跟进,这方面的论文太少。
4.3.2 蓄能器一次振动理论
在活塞运动一个周期内,蓄能器隔膜只有一次振动。这个理论已经包含在第4.1.2小节的优化设计理论中了,这是一个静态的理论。
4.4 关于信号孔位置
4.4.1 活塞回程换向信号孔位置的计算
这个理论是由北京科技大学与中南大学提出的,这是极其重要的计算,缺了这个计算公式,无法进行凿岩机的图纸设计。
4.4.2 活塞冲程换向信号孔位置的确定
这个理论是由北京科技大学与中南大学提出的,这也是极其重要的计算。既不能换向太早,使得撞击钎尾时,活塞已经被减速,也不能换向太晚,造成活塞二次打击钎尾。
4.5 钎尾反弹缓冲动力计算
研究这个理论的有浙江大学张新等人,广东工业大学机电工程学院刘智等人,中南大学机电工程学院赵宏强等人,杨国平等人,难能可贵的是,张新做了实验研究,有实验曲线图。
4.6 其他理论
(1)活塞密封间隙与长度优化理论;
(2) 活塞空打缓冲结构计算;
(3) 冲击频率无级调节自动换挡理论。
以上3种理论均有,就不一一论述了。
5 我国液压凿岩机设计研究亟待解决的问题
5.1 换向阀的结构尺寸问题
(1) 换向阀中位负开口的优缺点分析;
(2) 最优负开口量的计算与实验验证;
(3) 换向阀最优行程理论与实验验证。
5.2 活塞与缸体结构尺寸问题
(1) 活塞前后腔面积的确定及优化;
(2) 活塞回程换向信号孔位置的确定;
(3) 最优冲程换向信号孔位置计算与实验验证。
5.3 蓄能器与活塞运动的最佳耦合理论
研究蓄能器隔膜的动态频率响应,蓄能器最佳充气压力的计算。
5.4 钎尾反弹缓冲系统动力计算与实验验证
不但研究缓冲机构本身,进行静力学计算,更要研究钎尾反弹缓冲系统的动态响应,将缓冲机构,钎具与缓冲液压油路作为一个系统,研究缓冲活塞的频率响应,缓冲液压系统是否能有效吸收钎尾反弹的能量,又是否能迅速将钎头重新抵紧岩石。
5.5 凿岩机反打系统动力计算
既要研究反打机构本身,进行静力学计算。更要将反打机构与反打液压油路作为一个系统,研究反打活塞的位移,运动速度与冲击能量。
5.6 零件的气蚀与腐蚀问题
(1)活塞前后腔气蚀问题的计算与解决方法;
(2)凿岩机壳体联接平面点蚀的原因与预防。
6 我国液压凿岩机设计研究的学术建议
6.1 反求法
对国外高端液压凿岩机结构尺寸的分析,用反求法研究凿岩机冲击机构的设计计算公式与方法。反求法基本属于归纳法,反求法需要统计多台高端液压凿岩机的结构尺寸,统计数据越多,代数计算公式越接近实际,设计指导作用越大。这方面的工作似乎还没有人去做。
6.2 验证法
将我们国内的设计理论,如用最佳设计变量理论,换向阀最优行程理论,蓄能器设计理论,分析国外高端液压凿岩机的结构尺寸、充气压力等参数,检验是否符合我们的理论。如果大致符合,则验证了我们理论的正确性,如果相差很大,则要寻找原因。
6.3 代数计算公式研究
6.3.1 液压凿岩机设计研究方法的分类
理论分析与公式计算,实验研究,计算机数值仿真是凿岩机设计研究的三驾马车。
三段法,最佳设计变量等属于理论分析计算。
理论分析与公式计算是凿岩机设计研究的基础,是实验研究与数值计算的的基础与指导。
6.3.2 液压凿岩机代数设计计算公式的建立
公式计算必须将凿岩机的物理(实际)模型简化为力学模型,再进一步简化为数学模型,再简化为代数公式。简化必须是合理的,不能与力学模型有大的矛盾和冲突。
在不断的简化中,必然有失真,这时就要用经验系数去校正。这方面我们还有许多工作要做,对每一结构类型的凿岩机,都可以研究出一套基本通用的计算公式。
6.3.3 液压凿岩机代数设计计算公式的输入输出
代数公式计算输入的是冲击能,冲击频率,冲击末速度,进油压力, 输出的是活塞质量,活塞前后受压面积,活塞行程,信号孔位置,阀的结构尺寸,阀行程,开口量,凿岩机进油流量等等。
6.4 强化实验研究
6.4.1 液压凿岩机实验的分类
在理论分析指导下的实验研究是必不可少的,我们的力学模型,数学模型是否正确,简化是否合理,都需要实验验证。数值仿真计算就更需要实验验证了。
这里所说的实验主要是凿岩机内部机理实验,也可是型式实验,而不是出厂实验。
6.4.2 液压凿岩机实验的规范
实验的各种条件,包括样机,液压系统,测量方法,仪器仪表,都应该是明确的,实验的结果应该是真实的,可重复的,重复实验的误差应该进行分析。实验的时间、地点与参加人应该注明。
6.5 数值计算研究
6.5.1 数值计算的定义
数值计算就是虚拟样机技术,因此数学模型要尽可能逼近力学模型与物理模型,数值计算需要输入的数据很多,需要详细的凿岩机图纸数据,否则不能称之为虚拟样机。
数值计算又叫动态仿真,我国在数值计算方面的论文太多了。有基于AMESim的仿真,基于Simulink的动态仿真,基于MATLAB的计算机仿真,准匀加速度法仿真计算,键合图方法仿真,等等。
6.5.2 液压凿岩机数值计算输入输出的基本要求
冲击机构数值计算中,进油流量必须是输入值,而压力是输出值。
数值计算输出结果不能仅仅是冲击能,冲击频率等,必须能输出活塞运动速度、位移,换向阀的速度、位移,活塞前后腔压力的曲线。并且能够描述出液压油的空化与气蚀现象。
数值计算的结果曲线应该用实验曲线验证,未经实验验证的仿真计算是不可信的。
数值计算的结果应该是真实的,不能弄虚作假,其他人也可以重复运行程序。
6.5.3 液压凿岩机数值计算程序的基本要求
数值计算的程序应该模块化,数值计算需要花费大量的精力与时间,不是一个人短时间能够完成的,因此数值计算的程序应该模块化,可以由一组人员分工,进行编写。
数值计算程序应该界面友好,参数的改变,应在界面中进行,而不应在程序中进行。
数值计算的模型与程序应该是持续改进的,和所有的计算机软件一样,应该有版本号。液压凿岩机数值计算程序应该通用工具化,不要搞成专用工具。不能只有作者自己用,换一个人就不能用。
6.5.3 液压凿岩机数值计算程序的难点
虚拟样机技术是一项浩繁的工程,但是并不是遥不可及。内燃机的燃烧过程,牵涉到化学,燃烧学,热学,力学,都可以做到数值仿真,并且在发动机设计中起到重要作用。冲击机构的数值仿真也一定能做到,但是这要求有一个精干的团队和一个好的实验条件。
数值计算程序都是针对某一个特定的图纸的,因此通用性较差。不要指望适合于单腔回油的凿岩机,也能适合非单腔回油的凿岩机。也不要指望适合于芯阀结构的凿岩机,也能适合套阀结构的凿岩机。这也是数值计算应用的一个难点。我们至少应该做到,对某一相同结构类型的液压凿岩机,具有通用性。
7 我国液压凿岩机设计研究的政策建议
7.1 以企业为主体,产学研结合
过去几十年,我国液压凿岩机设计研究是以高校和研究所为主体的,和企业产品开发联系较少。事实证明,我国液压凿岩机设计研究进步不大,只有以有实力的大企业为主体,厂学研结合,学校与研究所自己不搞产品生产,只为社会和企业提供知识与技术,各自发挥自己的优势,才是我国液压凿岩机技术与产品的发展道路。
7.2 以行业协会为主体,组织技术交流
与凿岩机的生产、使用有关的行业有凿岩机械气动工具、煤炭、矿山、铁路、水电、冶金等等,在1980年代,矿山机械行业组织过液压凿岩机技术交流会, 1990年代初期, 煤炭建井行业组织过液压凿岩机技术交流会。
8 结语
(1)对我国液压凿岩机研究文献进行了分类,5大类,13个小类;
(2)分析了我国液压凿岩机技术研究的不足,3个方面的不足;
(3)列举了我国液压凿岩机设计理论的主要观点,6大类,13个观点;
(4)列举了我国液压凿岩机设计中亟待解决的5大类共11个问题;
(5)提出了我国液压凿岩机设计研究的5条学术建议;
(6)提出了我国液压凿岩机设计研究的2条政策建议。
参考文献:
[1] 梁明华.液压凿岩机旋转速度与凿岩直径的关系[J].工程机械,2001,32(6).
[2]何雄彬.HDl35A和COPl238ME型液压凿岩机工作原理及常见故障处理[J].广东水利水电,2001(8).
[3] 李同明.阿特拉斯ROCD7钻机使用中易出现的问题与改进[J].四川水利,2004(3).
[4] 李强.Atlas 1838型凿岩机六种常见故障的排除[J].工程机械,2005,36(3).
关键词:明渠流;实验装置;创新性实验;实验平台;旋转式;水槽
中图分类号:G642.423 文献标志码:A 文章编号:16721683(2015)05100803
Development and application of comprehensive experiment platform for rotatable open channel flow
RONG Guiwen,YUAN Yue,XIAO Baiqing,XU Guangquan
(College of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)
Abstract:In order to cultivate the innovative ability of college students and overcome the disadvantages in the experiment device of single open channel flow,such as simple experiment content,occupation of large area,and high cost,a comprehensive experiment platform for rotatable open channel flow was developed based on the conventional hydraulic experiment apparatus and basic principle of fluid flow.The experiment platform used the rotatable method to integrate different open channel flow experiments,which can meet the demand of conducting various conventional open channel flow experiments in the same platform,and the demand of modern teaching including the comprehensive,designed,and innovative training plans.The platform has the advantages of perfect design,complete function,and convenient reestablishment,which is of important significance for the cultivation of innovative talents with water conservancy major.
Key words:open channel flow;experiment device;innovative experiment;experiment platform;rotatable mode;flume
天然河道、人工渠道以及水流未充满全断面的管道中的水流都属于明渠流[1],明渠流是水力学研究的重要内容。水力学实验在水力学学科发展中占有很重要的地位,是整个水力学理论教学不可替代的环节[23]。然而目前高等学校的水力学实验教学仍存在诸多与现代高等教育理念不相适应之处,例如实验平台不完善、功能单一,一个实验装置只能满足一类实验需要,实验多为演示性、验证性实验,缺乏新意,很难激发学生自主学习与创新的兴趣,不利于培养学生的创新意识和创新能力[4]。同时,现有的明渠流实验装置存在设备体积大、占用实验室面积多、成本高的不足,致使配置的实验装置台套数都较少,尤其是高校扩招后,传统的明渠实验装置难以满足实验教学和创新能力培养的需要,严重影响工科高校水力学的实验教学和创新驱动[5]。
本文在研究传统水力学实验装置和流体运动基本原理的基础上,采用旋转方式创造性地将多种水力学明渠试验集为一身,自主研发了一套旋转式明渠流综合实验平台。该实验平台能够满足学生在同一实验平台上进行多种常规水力学和流体力学实验的需求,能够满足高校创新创业训练计划等现代教学的要求。
1 综合实验平台
1.1 实验平台设计思路
长期以来,受传统观念等方面的限制,水力学实验大多以单一的验证性实验为主,综合设计性实验几乎没有,实验教学缺乏灵活性[6]。为了促进高等学校转变教育思想观念,改革人才培养模式,强化创新创业能力训练,增强高校学生的创新能力和在创新基础上的创业能力,培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才,高校要高度重视大学生创新创业训练计划对推动人才培养模式改革的重要意义,重视大学生创新创业训练计划实施的条件建设[7]。本文设计了一种旋转式明渠流综合实验平台,将传统的多种实验明渠水槽和回水槽通过旋转轴和弧形固定翼连接构成平台的旋转明渠系统,旋转轴通过两端支架支撑,旋转明渠系统主体为四个对称的旋转明渠水槽和四个对称的旋转明渠回水槽,旋转明渠回水槽设置在槽底与旋转轴之间。同时,综合实验平台设计有水箱和固定明渠系统。装置的特殊设计能够实现了在一个水箱、一个固定明渠系统和一个旋转明渠系统组成的实验平台上开展多种明渠流实验的目的,不仅节约水泵和水箱,而且节省实验占地面积和空间,符合我国资源节约型社会建设要求。
1.2 实验平台结构
旋转式明渠流综合实验平台由水箱、固定明渠系统和旋转明渠系统三部分组成,见图1。
1旋转明渠水槽;2明渠水槽底床;3水槽固定翼;4明渠回水槽进口;4明渠回水槽出口(三角量水堰);5旋转轴;6升降阀;7支架;8水泵;9压力管道;10刻度尺;11储水箱;12消能罩;13溢水回流管;14溢水过渡箱;15支架;16螺纹杆;17挡板滑动槽;18有机玻璃挡板;19稳水箱(源头);20梯形水流出口;21固定明渠水槽;22水槽衔接缝(卡槽);23活动水位测针;24测针滑动架。
图1 实验平台结构立体图
Fig.1 Stereogram of experiment platform
水箱为两层、三箱结构,包括下层的储水箱、上层的稳水箱和溢流箱,在储水箱靠近固定明渠水槽一侧的壁面上设有三角量水堰,三角量水堰与固定明渠回水槽出水口连通,在稳水箱靠近固定明渠水槽一侧的壁面上设有梯形出水口,储水箱和稳水箱通过压力管连通,压力管上设有抽水泵,储水箱和溢流箱通过溢水回流孔连通,稳水箱和溢流箱之间通过在挡板活动槽中活动的溢流板分隔,明渠中的流量通过旋转螺纹杆调节溢流板高度来控制。
固定明渠系统位于水箱和旋转明渠水槽之间,由固定明渠水槽、固定明渠回水槽构成,固定明渠水槽位于固定明渠回水槽正上方,固定明渠水槽截面为梯形,固定明渠回水槽截面为弧形,固定明渠水槽的进水口一端连接固定在稳水箱的梯形出水口,固定明渠回水槽出水口与储水箱上的三角量水堰连通。
旋转明渠系统主体为四个对称的旋转明渠水槽和四个对称的旋转明渠回水槽。如图2所示,相邻的明渠水槽和明渠回水槽之间通过30°弧形固定翼和旋转轴连接,旋转明渠回水槽设置在槽底与旋转轴之间,旋转轴两端通过支架支撑。明渠水槽和明渠回水槽之间是明渠试验水槽底床,每个明渠水槽的槽底末端均设置有许多出水孔,出水孔与明渠回水槽进口相通,在明渠水槽和明渠回水槽右端设有挡水板。在旋转明渠系统靠近固定明渠系统的一端设有用于密封衔接的橡皮圈和卡扣。旋转明渠系统每次旋转90°后,其中一个旋转明渠水槽恰好与固定明渠水槽完全吻合,明渠通过橡皮圈和卡扣密封衔接后连接为一个整体,相应的回水槽也连接为一整体,并与水箱相通组成一个可循环系统。旋转明渠水槽底坡可调节1°~5°,不同的旋转明渠水槽中设置不同类型的水工建筑物。旋转明渠上的活动水位测针用来测量明渠中的水位。通过储水箱外壁的刻度尺读数和三角量水堰流公式[8]计算明渠水流流量。
图2 旋转明渠横截面
Fig.2 Cross section of rotatable open channel
1.3 实验平台功能
1.3.1 开展常规明渠流实验
利用该综合实验平台提供的水箱、固定明渠系统和旋转明渠系统,学生在此实验平台上进行简单改装,即可完成常规性明渠流实验和测量实验[5,911]。
在水力学中,把顶部溢流的泄水建筑物称为堰,过堰的水流,当没有受到闸门控制时为堰流。堰流的特点是水流的上方为仅受重力作用而降落的连续变化的光滑曲面,水流的下方受到堰体型的控制。堰流的过流能力与堰的体型有很大的关系,不同体型的堰,其堰上水流的形态也不同。在某一条旋转明渠水槽中分批设置不同体型的薄壁堰、实用堰和宽顶堰,能够开展矩形薄壁堰流实验、三角形薄壁堰流实验、曲线型实用堰流实验、折线型实用堰流实验、宽顶堰流实验以及宽顶堰的堰顶水深实验。
在水利工程中,为控制过堰流量,常在堰顶安装闸门,当过堰的水流受到闸门控制时为闸孔出流。闸孔出流的特点是水流上方受闸门控制形成不连续变化的曲面,水流下方受到堰体型的控制。影响闸孔过流能力的主要因素不仅有堰的体型,还有闸门的型式和控制方式。为了观察闸孔出流现象,可以在另一条旋转明渠水槽中分批设置平板闸门和弧形闸门,开展平板闸门流量实验、弧形闸门流量实验。
圆柱绕流问题是研究流体绕物体流动的典型水动力学问题。通过实验测量实际流体绕圆柱流动时的表面压强分布规律,能够更好地帮助学生理解圆柱绕流中的前后驻点、最小压强点、压强系数特征,观察圆柱后部发生的流动分离现象。在第三条旋转明渠水槽中设置不同数量、不同布局的圆柱,可以开展圆柱绕流实验。
水跃和水跌是明渠非均匀流中常见的急流与缓流过度的急变流。当明渠中的水流由急流过渡到缓流时,会产生一种水面突然跃起、剧烈旋滚的水跃现象,常发生于泄水建筑物的下游;当处于缓流状态的明渠水流遇到陡坡或突然扩大的渠道断面时,水面会迅速降落产生一种由缓流向急流过渡的水跌现象。在第四条旋转明渠水槽设置潜坝或跌坎,观察明渠的水跃和水跌现象。
1.3.2 开展设计性明渠流实验
实验设计训练是培养学生创新精神、创新能力和创新思维的有效手段,该综合实验平台具有开展水力学相关的设计性、创新性明渠流实验的功能。如,在旋转明渠系统中,布置模型沙进行泥沙推移(跳跃、滚动、滑动)运动和悬移运动等观察实验和量测实验[12],设置丁坝、顺坝或锁坝开展水工整治建筑物附近流场、自由水面变化和紊动现象等观察实验[13],布置水草开展植被水流运动特性实验[14,15],增加消能工开展底流消能、挑流消能和面流消能等消能演示实验[16],修改溢流堰剖面形状开展坝体优化等探索性实验,在明渠水槽中布置弯道开展弯道水流运动综合实验 [17]。学生通过自行设计、改造和加工模型,能够激发自身的主动性、积极性和创造性,能够从自身所长与兴趣出发,积极参与实验实践活动,在探索、研究、创新的实践训练过程中,提出自己的观点与见解。
2 实验平台使用模式与实践
2.1 实验平台使用模式
在综合实验平台的使用过程中,坚持“开放式、启发式”实验模式,最大限度地发挥学生的主动性、能动性和创造性,促进学生主动探索性学习,提高学生的学习兴趣。实验平台的使用模式可归纳如下。(1)使用前,教师提出实验目的和要求,学生自行拟定实验方案、设计实验思路。这一阶段注重培养学生的独立思考能力和创新设计能力。(2)使用中,学生独立摸索实验平台水箱、固定明渠系统和旋转明渠系统各组成部件的功能和使用方法,根据拟定的实验方案、实验思路亲自动手实施,必要时,允许学生自己制作、改装相应的部件进行探索性实验。这一阶段注重培养学生的动手能力和实践能力。(3) 使用后,学生独立从实验数据和实验现象中分析相关实验的水动力特性,查阅国内外相关实验资料,撰写实验报告,并做实验成果汇报。这一阶段注重培养学生的分析能力和表达能力。对有创新性的实验成果,教师鼓励和指导学生撰写学术论文,在学术刊物上发表或在学术会议上交流。
2.2 实验平台应用实践
综合实验平台建成以来,先后开展了一系列的综合性、设计性和创新性实验研究,取得了非常理想的教学成果。许多师生在此实验平台上进行了“曲线型实用堰剖面设计实验”、“折线型实用堰剖面设计实验”、“平板闸门流量实验”、“弧形闸门流量实验”和“明渠水跃和水跌实验”等自主创新性实验,完成了多篇毕业设计和毕业论文。目前,学生正在该实验平台上进行智能化操作的探索研究。
3 结语
本文介绍了由水箱、固定明渠系统和旋转明渠系统组成的旋转式明渠流综合实验平台,通过旋转和对接方式将不同的明渠水槽及相应的明渠回水槽与同一个固定明渠系统贯通,实现了仅在一个水箱、一个水泵提供水源的前提下进行一系列明渠水流自主创新设计实验研究的目的,克服了传统明渠流实验装置功能单一、占地面积大、建设成本高等缺点,为水力学传统基础实验教学向综合设计性实验教学转变提供了新思路。具有系统灵活、改造方便、水资源节约、功能强大和适应性强等特点,有重要的实用价值及推广应用前景。
参考文献(References):
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