《傳熱學(xué)》創(chuàng)新性實驗教學(xué)體系的改革與建設(shè)

付越　王新偉

摘要：《傳熱學(xué)》作為重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一，其實驗教學(xué)體系的內(nèi)涵是實施精英型和研究型本科教育的評價體系之一。重組實驗項目，優(yōu)化改革實驗性質(zhì)，探索因材施教模式，提高實驗的準(zhǔn)確性，建設(shè)創(chuàng)新性實驗教學(xué)體系的改革和建設(shè)勢在必行。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；傳熱學(xué)；創(chuàng)新性；因材施教

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）12-0245-02

《傳熱學(xué)》是現(xiàn)代科學(xué)中最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一，是一門實驗研究和理論分析密切結(jié)合的學(xué)科，實驗教學(xué)在整個《傳熱學(xué)》教學(xué)中占有重要的地位。中國石油大學(xué)（華東）能源與動力工程系承擔(dān)全?！秱鳠釋W(xué)》理論和實驗教學(xué)任務(wù)，目前該課程已日臻完善，2013年已通過省級精品課的驗收。但最薄弱的就是實驗教學(xué)，以訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新性思維、培養(yǎng)研究型人才為出發(fā)點[1]，調(diào)整實驗課程內(nèi)容，從根本上提高實驗教學(xué)質(zhì)量，已成為能動系的一個重要課題。

一、《傳熱學(xué)》實驗課存在的問題

目前，《傳熱學(xué)》實驗開設(shè)兩項共4學(xué)時，均為綜合性試驗，雖能滿足基本實驗學(xué)時，但長期形成的實驗教學(xué)模式、教學(xué)觀念和方式?jīng)]有與時俱進(jìn)，多以理論驗證為主，實驗沒有體現(xiàn)出設(shè)計性和創(chuàng)新性。學(xué)生被動接受教師安排，實驗過程按部就班地完成規(guī)定程序，其學(xué)習(xí)自主性和個性發(fā)展被埋沒?！秱鳠釋W(xué)》實驗項目較少，實驗教學(xué)改革滯后于理論教學(xué)改革的進(jìn)程，實驗教學(xué)體系落后于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，沒有形成分門別類、因材施教的實驗教學(xué)體系；實驗過程中測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性亟待提高，否則對定理的驗證及參數(shù)的測定具有影響。

二、《傳熱學(xué)》創(chuàng)新性實驗教學(xué)體系的設(shè)計和構(gòu)想

（一）基礎(chǔ)性實驗

基礎(chǔ)性實驗是做好綜合性和設(shè)計性實驗的前提，重點是讓學(xué)生掌握基本的熱物理量的測量方法、熱工基礎(chǔ)實驗設(shè)備的使用以及實驗數(shù)據(jù)的處理[2]。在利用實驗室現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)置“探針法測泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)”和“熱電偶測溫”等實驗，在驗證《傳熱學(xué)》基礎(chǔ)理論的前提下，使學(xué)生具備基本的實驗操作技能，在實驗中掌握電位差計的原理與使用、熱電偶的焊接、熱電偶測溫線路和電路的連接方法，為綜合設(shè)計性試驗打下基礎(chǔ)。

（二）綜合設(shè)計性實驗

1.優(yōu)化“Bi<0.1的物體在空氣中的冷卻規(guī)律”實驗，使實驗步驟靈活化、操作過程自由化。教師只為學(xué)生提供銅柱、熱電偶、轉(zhuǎn)換開關(guān)、焊接器材等一些基本材料和工具，將原來制作好的銅柱、安裝好的熱電偶及連接好的測溫線路等改由學(xué)生自行制作和組裝，獨立設(shè)計多點測溫線路。改變原由學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書和教師講解的形式[3]，由學(xué)生組成實驗小組，在實驗教師的指導(dǎo)下通過查閱文獻(xiàn)自行設(shè)計實驗方案和實驗過程。

2.完善原“橫管自然對流傳熱規(guī)律”實驗。原實驗項目只包含“傳導(dǎo)”和“對流”的實驗項目，“輻射”涉及的部分如加熱管的黑度直接給出，學(xué)生操作部分也過于機(jī)械和程序化。完善“傳導(dǎo)”、“對流”和“輻射”等綜合實驗項目，增加“輻射時物體黑度測試”的實驗環(huán)節(jié)，使整節(jié)實驗課更加飽滿和充分[4]。教師給出實驗?zāi)康?，實驗裝置的連接和實驗方案的制訂由學(xué)生分成實驗小組，通過課外查閱資料完成。

3.增設(shè)“空氣強(qiáng)迫對流平均換熱系數(shù)測定”綜合設(shè)計性實驗，通過使空氣在橫掠單管、橫掠圓柱、橫掠平板時比較三種情況的強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)、邊界層內(nèi)速度分布和邊界層溫度的不同變化規(guī)律，整理出準(zhǔn)則方程式。增設(shè)“等截面伸展體內(nèi)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度分布的測定”的綜合實驗，掌握等截面穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱規(guī)律，鼓勵學(xué)生自由靈活應(yīng)用熱電偶、電位差計、畢托管、分壓箱、熱線風(fēng)速儀、微壓計等實驗器材，從實驗方案的擬訂到實行，從實驗儀器的組裝到調(diào)試，包括測實驗數(shù)據(jù)的整理全部由學(xué)生自主完成。

（三）開放研究性實驗

把科研引入教學(xué)，建設(shè)熱工開放實驗室，將課外科研活動與競賽相結(jié)合，鼓勵學(xué)生參與科學(xué)研究試驗。依托實驗室的條件積極參加國內(nèi)各類科技競賽，如“全國節(jié)能減排大賽”、“大學(xué)生科技競賽”及各種創(chuàng)造發(fā)明。實驗室根據(jù)科研項目情況發(fā)布開放研究型實驗題目，吸收優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)入實驗室參加實驗。本著以興趣出發(fā)的原則，根據(jù)自己的專業(yè)背景和興趣選作實驗項目。在實驗過程中，教師融入到學(xué)生中，與學(xué)生進(jìn)行雙向的交流，采用提示和設(shè)疑的方法讓學(xué)生運用專業(yè)知識去尋找問題和答案[5]。為了將課外科研活動經(jīng)常化、制度化和常規(guī)化，將學(xué)生參加開放研究性實驗的經(jīng)歷和成果與推優(yōu)保研相掛鉤，提高學(xué)生的參與意識。

三、《傳熱學(xué)》實驗準(zhǔn)確性的提高

在傳熱學(xué)實驗過程中，熱電偶測溫貫穿始終。在實驗課中發(fā)現(xiàn)，熱電偶測溫誤差的產(chǎn)生影響了理論驗證的契合度和測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜合分析實驗中包括系統(tǒng)誤差、粗大誤差和隨機(jī)誤差在內(nèi)的各種誤差的影響，其中由熱電偶低溫點帶來的誤差影響最大，因此對熱電偶測溫冷端補償十分關(guān)鍵。

1.0℃恒溫法（冰浴法）。在實驗課中，采用冰點參考端，即將水制成的冰用錘子制成冰塊，與水混合后裝入保溫瓶，再將熱電偶的參考端插入即可。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，此方法不佳。實驗環(huán)境因為多組燒杯中熱水的沸騰，使環(huán)境溫度較高，冰瓶雖然有保溫瓶的隔熱作用也不能保證冰在實驗過程中不融化。《傳熱學(xué)》實驗課作為全校專業(yè)的基礎(chǔ)課，上課班級多，冰屑需求量大，因不能及時向保溫瓶里添加新冰，導(dǎo)致冷端溫度很難保證一直為0℃。終上所述，冰浴法并不能很好的解決冷端補償問題。

2.補償導(dǎo)線法。熱電偶補償導(dǎo)線是在一定溫度范圍內(nèi)（包括常溫）具有與所匹配熱電偶熱電勢相同標(biāo)稱值的一對帶有絕緣層的導(dǎo)線，這些導(dǎo)線代替原有熱電極將熱電偶的自由端延伸出來，延伸到溫度穩(wěn)定的空間以保證冷端溫度恒定。每一種熱電偶都有與其相配的補償導(dǎo)線，選擇補償導(dǎo)線時一定要根據(jù)熱電偶的型號來選擇。否則不但起不到補償作用，可能還會加大誤差。如原來的熱電偶線為貴金屬線，延長導(dǎo)線可選用便宜金屬來降低成本。因為我系熱工實驗中所使用的熱電偶為廉價的鎳鉻考銅熱電偶，所以補償導(dǎo)線和熱電偶的材料相同。使用補償導(dǎo)線時，補償導(dǎo)線的正、負(fù)極必須與熱電偶的正、負(fù)極同名端對應(yīng)相接，正、負(fù)兩極的接點溫度t0應(yīng)保持相同。通過實驗驗證，在相同實驗條件下，可使相對誤差降低0.9%。

3.熱電勢計算修正法。熱電偶補償導(dǎo)線的作用只是起延伸電極的作用，補償導(dǎo)線冷端溫度依然不為0℃，儀表接點也不為0℃，沒有從根本消除冷端溫度變化對測溫的影響，因此還需要采取其他修正方法來補償冷端溫度T0≠0℃時對測量的影響。根據(jù)中間溫度定律，熱電偶回路兩接點（溫度為T、T0）間的熱電勢等于熱電偶在溫度為T、Tn時的熱電勢與在Tn、T0時的熱電勢的代數(shù)和，Tn稱為中間溫度。即：

E（T，T0）=E（T，Tn）+E（Tn，T0） （1）

式中：E（T，T0）——冷端溫度在0℃時的條件下熱電偶的熱電勢；E（T，Tn）——熱電偶在溫度為T、Tn時的熱電勢；E（Tn，T0）——熱電偶在溫度為Tn、T0時的熱電勢。

以《Bi<0.1的物體在空氣中的冷卻規(guī)律》為例，測試銅柱在沸水中的溫度。經(jīng)過實驗驗證，統(tǒng)計了某班級30名學(xué)生對銅柱初始溫度測得的電勢差平均值為5.2827mv，平均室溫為25.2℃，學(xué)生沒有考慮到當(dāng)冷端溫度不為0℃時，室溫與熱電偶之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，而是利用已知回路實際熱電勢5.2827mv查表求取溫度為78.7℃再加上平均室溫25.2℃，最終得到銅柱的初始溫度值為103.9℃。如果根據(jù)上式對熱電勢進(jìn)行修正，分別通過鎳鉻—考銅熱電偶分度表首先查得溫度在（25.2℃，0℃）之間的電勢差為1.6218mv，1.6218+5.2827=6.9045mv，查分度表為101.3℃，相對誤差降低了2.6%，大大提高了測量精度。

四、結(jié)語

此次《傳熱學(xué)》實驗改革在2012級各專業(yè)進(jìn)行了實踐，在重新構(gòu)建的實驗體系下，突出了實驗過程的綜合性和設(shè)計性，培養(yǎng)了學(xué)生獨立分析和解決問題的能力，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新性思維的發(fā)展。因材施教的授課模式，使學(xué)生由被動變主動，個人興趣、目標(biāo)和發(fā)展方向有的放矢。通過對熱電偶冷端補償，實驗結(jié)果的準(zhǔn)確率得到了大大提高。這次《傳熱學(xué)》實驗課改革，大大提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量，也更好地踐行了我?！皩嵤┚⑿捅究平逃⒋蛟焯厣捅究平逃?、推進(jìn)研究型本科教育”的辦學(xué)宗旨。

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