“傳熱學(xué)”實(shí)踐教學(xué)改革

許亞敏

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

“傳熱學(xué)”實(shí)踐教學(xué)改革

許亞敏

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

新型的“傳熱學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是我院借鑒美國高校工程教育運(yùn)行模式而進(jìn)行的改革成果之一。以培養(yǎng)創(chuàng)新性人才為目標(biāo)，重視學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以學(xué)生為中心，通過綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)知識的掌握和實(shí)踐能力的培養(yǎng)；通過課程項(xiàng)目實(shí)踐，讓學(xué)生在解決實(shí)際問題中鍛煉專業(yè)能力、探究能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，加強(qiáng)溝通和合作能力。靈活多樣的基礎(chǔ)平臺建設(shè)和學(xué)習(xí)工廠建設(shè)為實(shí)踐教學(xué)改革奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，這種理論和實(shí)踐始終緊密結(jié)合的開放性學(xué)習(xí)，能有效提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和專業(yè)能力。

實(shí)踐教學(xué)改革; 傳熱學(xué); 創(chuàng)新人才; 綜合素質(zhì); 課程項(xiàng)目

0 引 言

作為首批國家試點(diǎn)學(xué)院，我院將創(chuàng)新型人才作為人才培養(yǎng)的目標(biāo)，注重學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)模式從知識傳授向能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變[1-2]。自2012年起，學(xué)院借鑒美國高校工程教育運(yùn)行模式[3-9]，逐步完成對機(jī)械工程與能源動力課程體系的改革突破，加強(qiáng)課程的實(shí)踐教學(xué)。一方面變傳統(tǒng)的基礎(chǔ)性驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，另一方面引入“項(xiàng)目式”的教學(xué)組織方式。該教學(xué)過程注重學(xué)生的創(chuàng)新意識、知識與技術(shù)集成能力、交流溝通能力、團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)。在實(shí)踐教學(xué)過程中，采用以“學(xué)生為中心”“教師多引導(dǎo)”的方式，給學(xué)生提供充分的思考空間和實(shí)踐空間，從而激發(fā)了學(xué)生的主觀創(chuàng)造思維，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力[10-12]。

傳熱學(xué)是我院學(xué)生的專業(yè)必修課，它是一門基于實(shí)踐的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)研究是最基本的研究方法，而且它與各工程領(lǐng)域關(guān)系密切，實(shí)踐性極強(qiáng)。作為本次改革的重要對象，自2012年起，已逐步完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。實(shí)踐證明，改革后的實(shí)踐教學(xué)能真實(shí)地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生的興趣。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足

傳熱學(xué)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常是根據(jù)教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃制定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，編寫相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，實(shí)驗(yàn)老師講授并一步步進(jìn)行示范，學(xué)生再模仿操作來進(jìn)行實(shí)踐練習(xí)的。這種教學(xué)模式雖然一定程度上鍛煉了學(xué)生的動手能力，但顯然該方式束縛了學(xué)生的主觀能動性與創(chuàng)新思維的發(fā)揮。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足之處具體如下[13-15]：

(1) 儀器設(shè)備產(chǎn)品化。傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往是從教學(xué)儀器公司直接購買或自主研發(fā)的產(chǎn)品，這種產(chǎn)品化的設(shè)備，其功能相對獨(dú)立、單一，操作性簡單，學(xué)生只需操作幾個按鍵便可輕松得出數(shù)據(jù)，既不利于學(xué)生對理論知識的掌握，也無法給學(xué)生提供發(fā)揮自主能動性的空間，教師也很難在教學(xué)方式上進(jìn)行教與學(xué)的互動。

(2) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏綜合性。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)居多，內(nèi)容簡單，單個實(shí)驗(yàn)的知識點(diǎn)較少。而且由于設(shè)備的產(chǎn)品化程度高，功能單一，很難在一個實(shí)驗(yàn)中對多個知識點(diǎn)進(jìn)行融合。然而在實(shí)際中遇到的問題往往是綜合的、復(fù)雜的，因此更需要綜合性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生綜合課程中的多個知識點(diǎn)去分析解決問題，從而培養(yǎng)出實(shí)際解決問題的綜合能力。

(3) 教學(xué)方法落后。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然是以“知識傳授”為主，先由老師講解和演示，然后，學(xué)生按老師的講解，根據(jù)指導(dǎo)書上的操作步驟進(jìn)行操作即可完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生缺少獨(dú)立思考和實(shí)踐的空間，缺少交流、討論的機(jī)會，學(xué)生的主觀能動性很難發(fā)揮。這樣的教學(xué)方法影響了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣、磨滅了學(xué)生的自主創(chuàng)新意識，限制了學(xué)生探究能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足之處是相互關(guān)聯(lián)的。要想得到根本性的改變，我們必須從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法和儀器設(shè)備上全方位改變，建立全新的實(shí)踐教學(xué)模式，重視學(xué)生的自主創(chuàng)新，加強(qiáng)綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

2 新型的實(shí)踐教學(xué)模式

2012年，我院對傳熱學(xué)課程進(jìn)行了全面改革，改革不僅體現(xiàn)在增加實(shí)踐教學(xué)時間上，還體現(xiàn)在實(shí)踐教學(xué)模式上，即打破傳統(tǒng)的講授+示范實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢?shí)施開放性的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式+課程項(xiàng)目教學(xué)模式。新型的實(shí)踐教學(xué)對學(xué)生更具吸引力，充分發(fā)揮了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，切實(shí)提高了學(xué)生的動手實(shí)踐能力和分析解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)。

2.1 綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

“傳熱學(xué)”課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)主要包括4個，見表1。

表1 傳熱學(xué)/傳熱傳質(zhì)學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)

1個基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)+3個綜合性實(shí)驗(yàn)構(gòu)成了“傳熱學(xué)”綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要模塊?！盁犭娕嫉闹谱骱托ｒ?yàn)”簡單、基礎(chǔ)，卻很有必要。熱電偶是一種最為常用、制作最方便、測量精度也較高的溫度測量工具。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了熱電偶的制作和校驗(yàn)方法，可根據(jù)需要做任意數(shù)量和多種類型的熱電偶用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)自主創(chuàng)新，即經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠，還鍛煉了學(xué)生的動手能力。

傳熱綜合實(shí)驗(yàn)是教學(xué)實(shí)驗(yàn)的主體組成部分。它全面涵蓋了熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種基本的熱傳遞方式，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)，卻不乏綜合創(chuàng)新性?，F(xiàn)以自然對流和強(qiáng)制對流特性實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說明，該實(shí)驗(yàn)的主要目的是學(xué)習(xí)橫置圓柱與周圍空氣之間的自然對流換熱與強(qiáng)制對流換熱特性，理解對流換熱系數(shù)的計(jì)算和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的特點(diǎn)。重點(diǎn)考察的問題如下：①通過實(shí)驗(yàn)測量確定平均對流換熱系數(shù)；②非穩(wěn)態(tài)能量平衡，考察集中參數(shù)法是否適用于實(shí)驗(yàn)條件下的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱；③風(fēng)速對平均對流換熱系數(shù)的影響；④自然對流與強(qiáng)制對流換熱的無量綱參數(shù)表征；⑤采用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算平均對流換熱系數(shù)。該實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了8個問題供學(xué)生思考和解答，包括對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察理解、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析，以及與書中經(jīng)驗(yàn)公式的比較等。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能較全面的掌握對流傳熱的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，既鞏固了理論課的教學(xué)效果，又鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式上，我們拋棄“步驟化”教學(xué)方式，注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)探索能力的培養(yǎng)，以學(xué)生為主導(dǎo)，營造一個寬松的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，鼓勵學(xué)生獨(dú)立思考、勤于動手，發(fā)揮自主能動性。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師只是給出實(shí)驗(yàn)的基本目標(biāo)，講解設(shè)備儀器的使用方法和操作規(guī)范，而在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作步驟上給予學(xué)生充分的自主和創(chuàng)新空間，例如材料的選用、熱電偶的布置等等。學(xué)有余力的學(xué)生還可以在完成基本的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)后，進(jìn)一步拓展和深入。實(shí)驗(yàn)涉及的知識點(diǎn)很多，在內(nèi)容上實(shí)現(xiàn)了綜合性，在設(shè)計(jì)方法上又體現(xiàn)了學(xué)生的自主創(chuàng)新性。

通過綜合實(shí)驗(yàn)的鍛煉，學(xué)生加深了對基礎(chǔ)知識的理解和應(yīng)用，掌握了基本的實(shí)驗(yàn)技能，提高了動手實(shí)踐能力，同時激發(fā)了創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了交流溝通合作能力。這些都為下一步的課程項(xiàng)目打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 課程項(xiàng)目教學(xué)模式

伴隨著理論課的學(xué)習(xí)，綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)也相繼結(jié)束，學(xué)生的實(shí)踐能力得到了提高，于是，更高的要求提出來——設(shè)計(jì)并執(zhí)行課程項(xiàng)目。項(xiàng)目教學(xué)最顯著的特點(diǎn)是“以項(xiàng)目為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變了以往“教師講，學(xué)生聽”被動的教學(xué)模式，創(chuàng)造了學(xué)生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。在教學(xué)實(shí)施過程中重點(diǎn)考慮如何發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用，如何發(fā)揮學(xué)生的主體作用，如何讓學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的要求。課程項(xiàng)目的目標(biāo)是提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力和獨(dú)立科研的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。課程項(xiàng)目在整個課程教學(xué)中所占比重很大(25%)，學(xué)生非常重視。

項(xiàng)目的題目和要求，通常由任課老師來制定，任課教師從工程實(shí)踐中提煉問題，根據(jù)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)將之轉(zhuǎn)變?yōu)檎n程實(shí)踐項(xiàng)目，同時鼓勵學(xué)生自擬課題，但需經(jīng)任課老師認(rèn)可；項(xiàng)目采用團(tuán)隊(duì)合作方式進(jìn)行，學(xué)生自由組合，4或5名學(xué)生為一小組，各組課題不同；課題確定后，學(xué)生便開始進(jìn)行市場調(diào)研、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作與測試、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等，在這一系列教學(xué)環(huán)節(jié)中，體驗(yàn)實(shí)際工程中產(chǎn)品開發(fā)的各個環(huán)節(jié)；最后，各小組提交項(xiàng)目報(bào)告，進(jìn)行項(xiàng)目成果展示和答辯，接受教師和專家的評審考核；最終，任課教師會根據(jù)報(bào)告內(nèi)容和答辯情況給出課程項(xiàng)目的成績。

課程項(xiàng)目教學(xué)模式給學(xué)生提供了良好的科創(chuàng)平臺，在解決實(shí)際工程問題過程中，學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合工程能力得到較快提升，學(xué)生的科研興趣也由此被調(diào)動，一些學(xué)生會以課程項(xiàng)目為基礎(chǔ)，進(jìn)一步拓展和深入研究，參加校內(nèi)外的各項(xiàng)科創(chuàng)比賽，如大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目、節(jié)能減排大賽等。從此，“傳熱學(xué)”不再是紙上談兵?！绊?xiàng)目式”教學(xué)模式獲得了廣大師生的肯定和好評。

3 基礎(chǔ)平臺和學(xué)習(xí)工廠

實(shí)驗(yàn)的綜合性和靈活性決定了教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的性質(zhì)。以往的實(shí)驗(yàn)臺是成套的成熟設(shè)備，學(xué)生看不到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對測量機(jī)理無法深入理解，而且，儀器的用途單一，無法滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)的綜合創(chuàng)新性。改革后的實(shí)驗(yàn)平臺是一個個基礎(chǔ)性的操作平臺，包含風(fēng)洞、加熱平臺、水循環(huán)系統(tǒng)、先進(jìn)的NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等必備的儀器設(shè)備，以及風(fēng)速儀、流量計(jì)、萬用表等基本的測量儀表。實(shí)驗(yàn)對象也具有多樣性，以供學(xué)生自主選擇。

課程項(xiàng)目則更需要開放型、創(chuàng)新性平臺作為支持。我院教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心在教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的基礎(chǔ)上配備了相對齊全的熱動類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和先進(jìn)的測量儀器以滿足學(xué)生的個性化需求。另外，學(xué)院借鑒美國密西根大學(xué)、普渡大學(xué)及賓州州立大學(xué)等類似的學(xué)生學(xué)習(xí)車間或工廠模式，在我院教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)了產(chǎn)學(xué)合作基地——“學(xué)習(xí)工廠”，向?qū)W生提供學(xué)習(xí)加工車間以完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型制造?！皩W(xué)習(xí)工廠”由“通用實(shí)踐平臺”和“精密測試與加工平臺”組成，如圖1所示?？筛采w本科生的科創(chuàng)、企業(yè)產(chǎn)學(xué)合作的需求。在專業(yè)教師指導(dǎo)下，學(xué)生通過自主使用各類加工設(shè)備完成設(shè)計(jì)模型。

(a) 通用實(shí)踐平臺

(b) 精密測試與加工平臺

基本實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)和學(xué)習(xí)工廠的建設(shè)，為實(shí)踐教學(xué)改革奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是學(xué)生開展自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行開放式學(xué)習(xí)實(shí)踐的保障。

4 結(jié) 語

此次的實(shí)踐教學(xué)改革在內(nèi)容和形式上都取得了全方位的突破。改革后的傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不但增加了基礎(chǔ)實(shí)踐課程的深度、廣度、自由度，增強(qiáng)了其綜合性和創(chuàng)新性，還引入“項(xiàng)目式”教學(xué)模式，將課程實(shí)踐項(xiàng)目和社會需求緊密結(jié)合，以項(xiàng)目為中心，通過解決實(shí)際問題鍛煉學(xué)生的專業(yè)能力、探究能力以及其他能力。在教學(xué)方式上，則是以學(xué)生為中心，把傳統(tǒng)的灌輸式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿魇綄W(xué)習(xí)，構(gòu)建了開放的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，為學(xué)生提供獲取知識的多種渠道。實(shí)踐證明，該教學(xué)實(shí)踐改革的效果是顯著的，在這種以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目標(biāo)，注重能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)培養(yǎng)的人才培養(yǎng)的模式下，學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)、綜合能力和創(chuàng)新意識都獲得了普遍提高。

[1] 顧秉林，王大中，汪勁松，等. 創(chuàng)新性實(shí)踐教育——基于高水平學(xué)科建設(shè)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)之路[J]. 清華大學(xué)教育研究，2010,31(1)：1-5.

[2] 張友琴， 王 萍， 朱昌平，等. 以大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃為契機(jī)培養(yǎng)創(chuàng)新性人才 [J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2001，28(7): 167-170.

[3] 周乃新，楊亞非.借鑒國外先進(jìn)教學(xué)理念，創(chuàng)建世界一流實(shí)驗(yàn)室[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010，27(4):153-158.

[4] 周 偉，李劍川. 國外高等工程教育的改革動態(tài)及啟示[J]. 高等教育研究學(xué)報(bào)，2012,35(4)：47-48.

[5] 續(xù)潤華，李建強(qiáng). 美國高等學(xué)校大學(xué)生的能力培養(yǎng)及其啟示[J]. 比較教育研究，2000(1)：21-24.

[6] 劉寶存. 美國研究性大學(xué)的高峰體驗(yàn)課程 [J].中國大學(xué)教學(xué)， 2004(11): 60.

[7] Hurtig Juliet, Yoder John-David, Rider Michael. Sharing laboratory resources across departments for a control systems curriculum[C]//ASSE Annual Conference and Exposition, Conference Proceedings,2006.

[8] Cheshier S R. A modest proposal regarding the future of engineering technology education in America[J]. Journal Of Engineering Technology, 2012, 29(1): 40-47.

[9] 郭仕恒，王東越. 創(chuàng)建國家級化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的探索與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011,30(10)：103-106.

[10] 王培俊， 張文桂，陳燕靈，等. 通過個性化實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)創(chuàng)新能力的研究與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008,25(2): 8-10.

[11] 郝麗萍，韓煥平. 深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革建立“以學(xué)生為本”的教學(xué)模式[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27(11)：139-141.

[12] 邢智強(qiáng). 制約大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的因素及對策探討[J]. 科學(xué)管理研究，2009，27(5)：75-78.

[13] 徐 平，鄒 丹，彭思思. 淺析大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的制約因素與對策[J].湖北師范學(xué)報(bào)(哲學(xué)社會科學(xué)版)，2010,30(4)：111-115.

[14] 樂伶俐. 制約大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的學(xué)習(xí)因素及對策[J]. 教育探索，2010(5)：32-33.

[15] 楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

Practical Teaching Reform for Heat Transfer

XUYamin

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The new experiment teaching mode for “Heat Transfer” is one of reform achievements in our college, by taking America as lessons. With the goal of cultivating innovative talents, we put a high value on the cultivation of students’ comprehensive quality and innovative ability. Instead of traditional experiment teaching mode, we focus on students. Firstly, students have some comprehensive experiments, in which, they could master the professional knowledge better and enhance the ability of practice; Secondly, students are trained to solve practice problems by having projects, in which, they could enhance the professional skills, exploration ability, innovation capability and cooperation ability. Basic platform construction and learning factory construction are solid foundations of the practical teaching reform. It has been proved that this open research learning is effective to enhance the students’ comprehensive quality and professional abilities.

practical teaching reform; heat transfer; innovative talents; comprehensive quality; curriculum projects

2016-04-12

許亞敏(1981-)，女，山東聊城人，博士，工程師，研究方向：流動與傳熱，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理。

Tel.：13611968956; E-mail: yaminxu@sjtu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)05-0196-03