工程熱力學(xué)綜合設(shè)計性實驗項目改革*

陳慶東

(濱州學(xué)院理學(xué)院 山東 濱州 256600)

王俊平

(濱州學(xué)院航空工程學(xué)院 山東 濱州 256600)

1 引言

工程熱力學(xué)[1,2]以能量傳遞、轉(zhuǎn)移過程中數(shù)量守恒和質(zhì)量蛻變?yōu)橹骶€闡述了工程熱力學(xué)的基本概念，基本定律，氣體及蒸汽的熱力性質(zhì)，各種熱力過程和循環(huán)的分析計算及熱力學(xué)在化學(xué)過程中的應(yīng)用等內(nèi)容．它是很多專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程[3,4]，例如，能源動力類、化工與制藥類、航空航天類、機(jī)械類、交通運輸類、核工程類及土木類等專業(yè)．

工程熱力學(xué)課程內(nèi)容概念性很強(qiáng)，原理抽象晦澀，課本內(nèi)容和生活實際脫離較大，學(xué)生對其很難提起興趣，因此，做好工程熱力學(xué)的實驗教學(xué)是很有必要的，讓學(xué)生在實驗操作中增加對工程熱力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，更好地加深對物理原理的理解，將課本的原理在實際中的實驗操作中實現(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)．

2 工程熱力學(xué)實驗存在的問題

2.1 儀器臺套數(shù)少實驗項目設(shè)置不合理

最近幾年隨著高校的招生規(guī)模的擴(kuò)大[5]，在校學(xué)生的規(guī)模越來越大，但是很多學(xué)校的實驗室建設(shè)還是沒有跟上，很多高校對實驗教學(xué)不夠重視，認(rèn)為上好理論課就行，實驗課無所謂，所以就影響了學(xué)校對實驗室建設(shè)的投入．很多高校偏向于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，對于一些基礎(chǔ)的實驗投入較少，使得儀器臺套數(shù)太少，滿足不了實驗教學(xué)的要求．再一個就是外在的原因，對于工程熱力學(xué)的實驗儀器，儀器體積較大，儀器較為貴重，很多公司對工程熱力學(xué)的實驗室的開發(fā)和生產(chǎn)都投入不足，導(dǎo)致市場可以購買的工程熱力學(xué)的實驗儀器有限，就只有那么3～4種儀器，這就導(dǎo)致了各個高校的工程熱力學(xué)儀器套數(shù)偏少．

我校飛行器動力工程專業(yè)2015年第一次招生，工程熱力學(xué)實驗也于上個學(xué)期第一次開設(shè)．隨著實驗的開設(shè)，也暴露出一些問題，儀器設(shè)備臺套數(shù)少，3套儀器，分別為二氧化碳p-V-T關(guān)系儀，氣體定壓比熱測定儀，空氣動力學(xué)多功能實驗臺，每套儀器4臺，參與實驗的學(xué)生多，班級人數(shù)40多人，即使分組實驗，也往往4～5位學(xué)生圍著一臺儀器做實驗．

現(xiàn)在開設(shè)實驗總學(xué)時為16學(xué)時，開設(shè)實驗項目分別為：二氧化碳p-V-T關(guān)系測定，氣體定壓比熱測定，縮放噴管壓力特性測試實驗，縮放噴管流量特性測試實驗，漸縮噴管壓力特性測試實驗，漸縮噴管流量特性測試實驗，6個實驗項目只是涵蓋了p-V-T關(guān)系、定壓比熱和噴管一些特性研究，像壓氣機(jī)的熱力過程、氣體的動力循環(huán)、蒸汽的動力裝置循環(huán)、制冷循環(huán)、濕空氣等幾個章節(jié)的內(nèi)容都沒有涉及到．實驗項目設(shè)置不合理．

2.2 實驗內(nèi)容單一多為驗證性項目

工程熱力學(xué)課程概念多，公式推導(dǎo)過程多，基本理論學(xué)習(xí)起來晦澀難懂，目前，針對工程熱力學(xué)課程，各個高校開設(shè)的工程熱力學(xué)實驗的實驗項目只是驗證p-V-T關(guān)系、定壓比熱和噴管一些特性研究，實驗內(nèi)容過于單一，所開設(shè)的實驗項目也均為驗證性實驗項目，驗證最基本的熱工原理，學(xué)生對原理的驗證提不起多大的興趣，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)．

3 綜合設(shè)計性實驗項目改革方案

針對工程熱力學(xué)原有的實驗項目，從以下幾個方面對綜合設(shè)計性實驗項目進(jìn)行改革.

3.1 從驗證型到設(shè)計型轉(zhuǎn)變

工程熱力學(xué)的實驗大部分實驗項目都是去為了驗證一些基本的熱工原理，例如，二氧化碳p-V-T關(guān)系測定實驗，為了讓學(xué)生了解CO2飽和狀態(tài)、臨界狀態(tài)的觀測方法，加深對飽和狀態(tài)、臨界狀態(tài)等基本概念的理解，實驗操作過程就是調(diào)整好實驗儀器后，設(shè)置好標(biāo)定溫度，然后對裝置進(jìn)行加壓，觀察CO2變化的各種狀態(tài)，并測量記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，實驗過程完全為驗證性的實驗過程．對于此實驗，完全可以根據(jù)實驗要求達(dá)到實驗?zāi)康?，讓學(xué)生在理解實驗原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)要觀察的實驗狀態(tài)，在熟悉儀器的基礎(chǔ)，采用不同參數(shù)設(shè)置，設(shè)計完成實驗，最終觀察到想要觀察到的狀態(tài)，這樣更能加深對物理原理的理解，增強(qiáng)對飽和狀態(tài)、臨界狀態(tài)概念的感性認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)生的實驗興趣，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)．再例如，對于噴管中氣體流動基本特性實驗，實驗?zāi)康木褪菫榱俗寣W(xué)生觀察當(dāng)氣體的流速小于音速、等于音速、大于音速3種狀態(tài)下噴管的界面應(yīng)該是什么樣子的，這個實驗也完全可以讓學(xué)生在理解實驗原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)實驗儀器，通過操作儀器，改變不同的參數(shù)，達(dá)到自己所要觀察達(dá)到臨界狀態(tài)，從而使學(xué)生感覺到很多實驗原理沒有想象中那么抽象，其實在實驗過程中很容易實現(xiàn)，從而更好地激發(fā)學(xué)生的求知和探索的欲望．

通過這兩個例子，可以發(fā)現(xiàn)，很多驗證性的實驗項目，完全可以發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，增加實驗內(nèi)容的設(shè)計性比例，推動實驗項目從驗證性向設(shè)計性轉(zhuǎn)變．

3.2 從單一型到綜合型轉(zhuǎn)變

工程熱力學(xué)中的熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、卡諾定理、熵方程、制冷循環(huán)章節(jié)中的公理、定理、公式方程較多，同時又是工程熱力學(xué)的重點和難點．實驗只是針對某一個特定的方程或者定理進(jìn)行驗證，缺乏綜合性實驗，例如，縮放噴管壓力特性測試實驗，縮放噴管流量特性測試實驗，這兩個實驗項目可以放在一個實驗項目中去完成，把實驗項目做成綜合性的實驗項目，讓學(xué)生有時間去完成其他的實驗項目，再例如，漸縮噴管壓力特性測試實驗，漸縮噴管流量特性測試實驗，這兩個實驗也是可以合并為一個綜合性的實驗項目的．本文只是簡單列舉了兩個例子，工程熱力學(xué)的實驗項目，通過擴(kuò)展實驗內(nèi)容，驗證更多的實驗原理，很多都是可以設(shè)計成綜合性的實驗項目．

3.3 增加一些設(shè)計型綜合型的實驗項目

工程熱力學(xué)，由于儀器體積大，儀器價格高，所以就導(dǎo)致實驗儀器臺套數(shù)少，儀器生產(chǎn)的廠家也少，很多儀器還有待于進(jìn)一步開發(fā)，例如，活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)、蒸汽動力循環(huán)、制冷循環(huán)等等，這些課本上的章節(jié)都還沒有實驗內(nèi)容的支撐，可以在這幾個方面再增加一些設(shè)計性、綜合性的實驗項目．

大學(xué)物理實驗和普通物理實驗有很多關(guān)于熱學(xué)和熱工基礎(chǔ)的實驗，可以將其中的實驗儀器改進(jìn)一下，作為工程熱力學(xué)的實驗儀器，例如，大學(xué)物理實驗中的也有空氣的定壓比熱容測定實驗項目，熱力學(xué)第一、第二定律的演示，制冷循環(huán)的實驗項目在熱工基礎(chǔ)的實驗項目中也有，可以將此類實驗項目改進(jìn)一下，增加一些設(shè)計型、綜合型的實驗項目．

4 結(jié)束語

本文針對工程熱力學(xué)實驗中實驗項目單一，驗證性實驗項目居多的問題，提出了綜合設(shè)計性實驗項目改革方案，從3個方面推進(jìn)實驗項目的改革．綜合設(shè)計性實驗項目的改革和創(chuàng)新是一個長期的任務(wù)，需要各個高校和儀器廠家不懈的努力，實驗項目的改革對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的鍛煉至關(guān)重要，推進(jìn)工程熱力學(xué)綜合設(shè)計性實驗項目的改革具有長遠(yuǎn)的意義．