傳熱學(xué)多層次、創(chuàng)新性實驗教學(xué)模式的研究

侴愛輝 馮妍卉 張欣欣 郭美榮 高 婷

北京科技大學(xué) 北京 100083

傳熱學(xué)多層次、創(chuàng)新性實驗教學(xué)模式的研究

侴愛輝 馮妍卉 張欣欣 郭美榮 高 婷

北京科技大學(xué) 北京 100083

實驗教學(xué)作為傳熱學(xué)這門課程的重要組成部分，對于加深學(xué)生對熱量傳遞過程物理機制的認(rèn)識，了解其工程應(yīng)用情況，掌握基本的傳熱測試方法，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和對知識的綜合應(yīng)用能力，起著極其重要的作用。我們從對實驗教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化整合、實驗課件的開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)實驗教材的建設(shè)以及自主研發(fā)綜合性實驗臺，到學(xué)生自發(fā)進行創(chuàng)新性實驗，建立起了多層次的創(chuàng)新性實驗教學(xué)體系。

傳熱學(xué)；創(chuàng)新；實驗教學(xué)

傳熱學(xué)作為研究熱量及質(zhì)量傳遞規(guī)律的工程技術(shù)科學(xué)，是熱能與動力工程專業(yè)主要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是該學(xué)科工程技術(shù)人員的整體知識結(jié)構(gòu)、能力培養(yǎng)、素質(zhì)教育的重要組成部分，同時，也是學(xué)科基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的橋梁。通過這門課的學(xué)習(xí)可以達到兩個目的：使學(xué)生獲得比較寬廣和鞏固的熱量和質(zhì)量傳遞規(guī)律的基本知識，具備分析工程傳熱與傳質(zhì)問題的基本能力，掌握計算工程傳熱與傳質(zhì)問題的基本方法；為學(xué)生以后從事熱能的合理利用和轉(zhuǎn)換、熱工設(shè)備效能優(yōu)化以及換熱器的設(shè)計等方面的工作，打下必要的基礎(chǔ)。但是，該課理論性強，經(jīng)驗公式多且抽象難懂，須配合各類實驗才能使學(xué)生更好的理解、消化和吸收相關(guān)知識。

高校作為創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的基地，擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的歷史重任，以增強學(xué)生實踐創(chuàng)新能力為主的科學(xué)的實驗教學(xué)模式成為了主流。正是在這樣的大環(huán)境下，又恰逢傳熱學(xué)申報國家級精品課程之際，結(jié)合傳熱學(xué)的課程特點，為之配套了多層次創(chuàng)新性實驗教學(xué)模式。從實驗教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合、實驗課件的開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)實驗教材的建設(shè)到自主研發(fā)綜合性實驗臺、“背靠背式”的小組評分機制，涉及實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。通過教學(xué)實踐證明，這種科學(xué)的實驗教學(xué)模式不僅提升了教學(xué)效果，提高了學(xué)生的動手能力和參與實驗的熱情，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力及對工程問題的解決能力。

1 傳熱學(xué)綜合實驗平臺的建立

結(jié)合教學(xué)大綱的要求，根據(jù)傳熱實驗室的現(xiàn)狀，對傳熱學(xué)的實驗內(nèi)容進行優(yōu)化、整合，增大綜合設(shè)計性實驗的比例，建立起傳導(dǎo)、對流、輻射、復(fù)合傳熱四位一體的綜合實驗平臺。在此綜合實驗平臺上，根據(jù)實驗內(nèi)容將其分為基礎(chǔ)性實驗、綜合設(shè)計性實驗以及研究創(chuàng)新性實驗。以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、創(chuàng)新精神為核心，根據(jù)實驗性質(zhì)的不同對學(xué)生分別采取不同的授課方式，既增加了教師的教學(xué)自主權(quán)，又提高了學(xué)生參與實驗的積極性，做到“因材施教、因地制宜”。

1.1 基礎(chǔ)性實驗

基礎(chǔ)性實驗是做好綜合性、設(shè)計性實驗的前提，它的內(nèi)容較為簡單，但對學(xué)生深刻領(lǐng)會相關(guān)理論知識卻起到了事半功倍的效果，其目的是：使學(xué)生在生動活潑的環(huán)境中加深學(xué)生對熱量傳遞過程基礎(chǔ)知識、基本原理的理解，掌握基本的熱物理量的測量方法和技能以及實驗數(shù)據(jù)的處理手段。

(1)穩(wěn)態(tài)平面熱源法測定材料導(dǎo)熱系數(shù)實驗。導(dǎo)熱系數(shù)是物體的重要屬性，是反應(yīng)物體導(dǎo)熱性能的重要指標(biāo)，因此測定材料導(dǎo)熱系數(shù)實驗對學(xué)生認(rèn)識導(dǎo)熱現(xiàn)象的本質(zhì)和理解物體的特征屬性——導(dǎo)熱系數(shù)有重要的意義。導(dǎo)熱系數(shù)不僅取決于物質(zhì)的種類，還與溫度有關(guān)。本實驗以一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的基本原理為理論依據(jù)，可以進行材料導(dǎo)熱系數(shù)的計算，而且還可以通過改變工況來總結(jié)出導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系。

(2)中溫法向輻射時物體黑度的測定實驗。本實驗采用比較法定性地測定中溫輻射時物體的黑度，通過對3組加熱器電壓的調(diào)整，使熱源和傳導(dǎo)圓筒的測量點恒定在同一溫度上，然后分別測出恒溫條件下“待測物體”在具有原來表面和熏黑表面2種狀態(tài)時受到輻射后的溫度，從而計算出待測物體的黑度。

1.2 綜合設(shè)計性實驗

綜合設(shè)計性實驗是在理解、掌握基礎(chǔ)概念和基本定律的基礎(chǔ)上，鍛煉學(xué)生將各門知識綜合運用起來獨立地分析問題和解決問題的能力，這樣不僅可以檢驗學(xué)生對理論知識的理解程度，還能拓展學(xué)生的知識范圍，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際和科研創(chuàng)新的能力。如綜合傳熱實驗，該實驗臺可以通過干飽和蒸汽在經(jīng)過翅片管、銅光管、鋁管、銅方管、涂黑的銅管、加保溫材料的保溫管時產(chǎn)生的冷凝水量直接定性地觀察出他們的傳熱性能趨勢，還可以通過測量單位時間冷凝水量定量計算出每根管子的傳熱系數(shù)。另外，該實驗臺還配有1組可移動的風(fēng)機，可以進行自然對流和強制對流2種狀態(tài)下的實驗。通過對實驗方案的設(shè)計、對實驗現(xiàn)象的觀察、對不合理實驗現(xiàn)象的分析，學(xué)生充分掌握了實驗的主動性，不僅鍛煉了動手能力，還培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度。

1.3 研究創(chuàng)新性實驗

研究創(chuàng)新性實驗為選做實驗，主要針對學(xué)有余力、熱愛科研、勇于實踐的學(xué)生。如空氣橫掠圓柱的強迫對流換熱實驗，為學(xué)生自發(fā)組織進行的實驗項目，是對廢棄實驗臺的二次研發(fā)。從實驗方案的擬訂到實驗方案的實行，從實驗材料的選取、實驗材料的采購到實驗材料的組裝以至于最終實驗臺的調(diào)試、重整，包括測試數(shù)據(jù)的整理、測試報告的撰寫，全部由學(xué)生自主完成。在整個實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，學(xué)生創(chuàng)新性的通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)旋鈕來控制圓柱的實驗段管壁熱電偶測量點與來流空氣的夾角，從而解決了圓柱體圓周表面任何一點溫度的測量問題。由于其綜合性強、性能穩(wěn)定且運行良好，被編入了《傳熱學(xué)實驗講義》，成為熱能工程專業(yè)本科生的實驗內(nèi)容。在反復(fù)修改實驗方案，反復(fù)調(diào)試實驗臺的過程中，學(xué)生從失敗中得到的經(jīng)驗教訓(xùn)是書本上沒有的，分析問題、解決問題的能力大大提高了，科研能力和創(chuàng)新素質(zhì)也得到了提升。

2 自主研發(fā)綜合設(shè)計性實驗臺

鑒于目前常用的測量導(dǎo)熱系數(shù)的實驗裝置都較為簡單，試樣的形狀、尺寸相對固定，學(xué)生在實驗過程中只是被動的操作，創(chuàng)新性設(shè)計和自由發(fā)揮的空間很小的現(xiàn)狀，自主研發(fā)了“非穩(wěn)態(tài)熱帶法測量材料熱導(dǎo)率實驗系統(tǒng)”。該實驗系統(tǒng)不僅成本低、精度高、測量范圍廣，而且全程電腦采集數(shù)據(jù)、自動化程度高，采用USB接口數(shù)據(jù)采集器，開發(fā)了相應(yīng)的包括電壓信號測量、熱電偶測溫、多通道數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和熱參數(shù)實時計算多個功能的計算機程序，通過處理軟件可以同時得到被測材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)這兩個物性參數(shù)，為科研和教學(xué)提供了一個非常好的創(chuàng)新實驗平臺，有很高的推廣價值。通過此實驗臺，可以使學(xué)生更加深入地理解非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程的特點，還可以學(xué)習(xí)和掌握國際上先進的熱物性測量方法，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的實際動手能力和開發(fā)、應(yīng)用計算機軟件的能力，還提高了學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力和對創(chuàng)新性科研工作的熱情。

3 營造多元化學(xué)習(xí)環(huán)境，進行實驗教學(xué)課件的開發(fā)

隨著計算機虛擬技術(shù)的普及，人們越來越多的認(rèn)識到了它在教學(xué)過程中的重要作用，為實驗教學(xué)的改革提供了嶄新的空間和思路。我們將虛擬技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，從實驗前的集中備課環(huán)節(jié)、實驗系統(tǒng)的虛擬、微觀實驗現(xiàn)象的模擬，以至于實驗課后的復(fù)習(xí)，無不滲透著計算機虛擬技術(shù)在傳熱學(xué)實驗教學(xué)中的優(yōu)勢，它使難于理解的物理概念和物理機理變得淺顯易懂，加深了學(xué)生的感性認(rèn)識，不僅豐富了實驗教學(xué)的內(nèi)容和形式，還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新性思維。

4 綁定實驗小組與“背靠背”式的測評機制有機結(jié)合

固定實驗小組與“背靠背”式的測評機制有機結(jié)合，強化了學(xué)生的團隊意識，更促進了學(xué)生互相監(jiān)督、互相進步。實驗課前，我們將所有學(xué)生按每組3人分成若干組，這3個人在整個傳熱學(xué)實驗過程中形成了固定的合作學(xué)習(xí)小組。另外，學(xué)期末我們會發(fā)給每個同學(xué)1份“組內(nèi)測評表”，要求學(xué)生以“背靠背”的形式為自己打分、為組內(nèi)其他成員打分，每個組最后的平均成績記入每個成員這門課最終的成績。這樣的“捆綁式”的學(xué)績評價方式突出了小組的作用，小組內(nèi)各成員成為捆綁的對象，每個組員的表現(xiàn)都將影響整個小組的考評，個人行為與小組行為息息相關(guān)，逐步形成“組內(nèi)互助，組間爭優(yōu)”的學(xué)習(xí)氛圍，使實驗室成為學(xué)生不斷進取的場所。

5 結(jié)束語

實驗教學(xué)作為提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)造能力的第二課堂，是理解、消化所學(xué)知識并將其應(yīng)用于工程實踐的重要途徑，是錘煉學(xué)生科研素養(yǎng)和創(chuàng)新意識的有力手段，是培養(yǎng)具有工程能力和創(chuàng)新素質(zhì)的研究型人才的有效途徑。而科學(xué)的實驗教學(xué)模式是達到上述目標(biāo)的前提條件，本文提到的多層次、創(chuàng)新性實驗教學(xué)模式與“傳熱學(xué)”的課程特點緊密結(jié)合，涵蓋的內(nèi)容豐富、廣泛，層次分明，且各層次間緊密結(jié)合、相輔相成，并且在實驗教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。今后隨著實驗室建設(shè)的進一步加強、教學(xué)改革思路的不斷擴展,我們將把這個實驗教學(xué)模式整合得更加完善,為熱能工程的學(xué)生奠定堅實的專業(yè)理論基礎(chǔ)，為培養(yǎng)21世紀(jì)“寬口徑”復(fù)合型高素質(zhì)人才提供保障。

[1] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)(第4版)[M].北京：高等教育出版社,2006

[2] 楊曉燕,錢偉興,陳寧.培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的實驗教學(xué)體系與模式研究[J].實驗室研究與探索,2009,28(11):156～158

[3] 楊宏偉.強化實踐環(huán)節(jié),促進研究性教學(xué)與素質(zhì)教育相結(jié)合[J].實驗技術(shù)與管理,2007,24(1)：14～16

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[5] 傳熱學(xué)實驗“水平熱圓管表面自然對流換熱”計算機虛擬的教學(xué)應(yīng)用.實踐與創(chuàng)新[C].北京科技大學(xué)本科教育教學(xué)改革論文集.北京：高等教育出版社,2007

Study on multi-level innovative heat transfer experiment teaching

Chou Aihui, Feng Yanhui, Zhang Xinxin, Guo Meirong, GaoTing
University of science and technology Beijing, Beijing, 100083, China

Heat transfer experiment teaching as an important component of this course plays its important role on for undergraduates bettering the physical mechanism of heat transfer process, understanding its engineering applications and controlling basic heat transfer test methods, improving creativity in undergraduates and the comprehensive application of knowledge. We establish the multi-level innovative experiment teaching system by optimizing the experimental integration of course contents, developing experimental courseware, building network experimental teaching material, independently developing a comprehensive test bed and for undergraduates conducting innovative experiments spontaneously. Proved through practice, the teaching good performances.

heat transfer; innovation; experiment teaching

2010-12-02 稿件編號：1012003

侴愛輝，碩士，工程師，機械工程學(xué)院實驗中心副主任。