“工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與優(yōu)化探討

王志軍 鄧奇根 潘榮錕

（[1]安全工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（河南理工大學(xué)） 河南·焦作 454003；[2]河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院 河南·焦作 454003）

1 “工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)重要性

“工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)”是一門研究熱能有效利用及熱能和其它形式能量（機(jī)械能）轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)，目的是通過(guò)研究熱能轉(zhuǎn)換規(guī)律和熱傳遞規(guī)律，探尋熱轉(zhuǎn)化效率的途徑從而提高能源的有效利用率。[1]目前生產(chǎn)生活中廣泛涉及的許多工程技術(shù)問(wèn)題最終都可歸結(jié)為能量的有效利用及傳遞問(wèn)題，包括能源有效利用、節(jié)能環(huán)保、新能源開發(fā)利用等領(lǐng)域，因此，熟悉掌握工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)相關(guān)的理論知識(shí)與研究方法對(duì)本科生今后從事科學(xué)研究、工程應(yīng)用等工作都極為重要。[2]這門課的特點(diǎn)是專業(yè)名詞及概念較多，理論性、概念性較強(qiáng)，且原理較為抽象晦澀較難理解，[3]計(jì)算公式較多，限制條件較多，使用條件比較復(fù)雜，課本內(nèi)容和生活實(shí)際脫離較大，同時(shí)又具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，被認(rèn)為是一門“兩難”課程，即“老師難教”“學(xué)生難學(xué)”。[4]工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論聯(lián)系實(shí)際的主要環(huán)節(jié)，是學(xué)生深化理解和鞏固課程理論知識(shí)的重要途徑，是課堂教授知識(shí)的有益補(bǔ)充，有助于學(xué)生掌握和熟悉基本科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、?shí)事求是的科學(xué)研究工作作風(fēng)，也是解決課程教學(xué)“兩難”問(wèn)題的重要途徑。[5]因此，探索先進(jìn)、合理、具有創(chuàng)新理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)手段對(duì)于保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果具有重要意義。

2 課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問(wèn)題

（1）重視程度不夠，投入較少，實(shí)驗(yàn)設(shè)備欠缺。實(shí)驗(yàn)條件是實(shí)驗(yàn)室教學(xué)賴以開展的基礎(chǔ)，包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)設(shè)備。近年來(lái)隨著高校擴(kuò)招政策的實(shí)施，在校學(xué)生數(shù)量迅速增加，導(dǎo)致一些高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與學(xué)生數(shù)量不匹配，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地緊張，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足。[6]加上一些高校領(lǐng)導(dǎo)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)重視程度不夠，普遍存在重視課堂教學(xué)、忽視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)象，使得實(shí)驗(yàn)室建設(shè)相對(duì)滯后，投入明顯不足。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不合理。工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)課程理論性、概念性較強(qiáng)，且原理較為抽象晦澀較難理解，[3]計(jì)算公式較多，限制條件較多，使用條件比較復(fù)雜，學(xué)生學(xué)習(xí)和理解難度較大。實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要目的是彌補(bǔ)學(xué)生在課堂教學(xué)學(xué)習(xí)中的不足，進(jìn)一步加深對(duì)重點(diǎn)理論知識(shí)和難點(diǎn)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)。受課程總學(xué)時(shí)的限制，許多高校本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多設(shè)置為6 到8個(gè)學(xué)時(shí)，一般為3 到4 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)涉及的知識(shí)點(diǎn)偏少，不能涵蓋本課程的重點(diǎn)內(nèi)容，許多高校一般根據(jù)原有實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況，開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目全部是工程熱力學(xué)涉及的內(nèi)容，或者全部是傳熱學(xué)涉及的內(nèi)容，沒有做到均勻衡量，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容失衡。另外，受實(shí)驗(yàn)臺(tái)套數(shù)的限制，這些實(shí)驗(yàn)大都設(shè)置為演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生一般很難獲得親自動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，使得學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)基本沒有興趣，沒有去思考實(shí)驗(yàn)過(guò)程及其中的原理，很難達(dá)到啟發(fā)學(xué)生理解、應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的目的。

（3）實(shí)驗(yàn)手段單一，吸引力不足。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法比較單調(diào)，基本采用“學(xué)生課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書—老師講解實(shí)驗(yàn)原理及過(guò)程—實(shí)驗(yàn)操作演示—學(xué)生參照指導(dǎo)書做實(shí)驗(yàn)—得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果—撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告”這一灌注式教學(xué)模式。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)主動(dòng)地去學(xué)習(xí)，往往被動(dòng)地接受、模仿老師的操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及的實(shí)驗(yàn)原理及基礎(chǔ)理論沒有思考，基本是人在心不在。[7]在一些高校，由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)套數(shù)的限制，實(shí)驗(yàn)大都設(shè)置為演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生一般很難獲得親自動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，根本不可能起到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)動(dòng)手能力、強(qiáng)化理解所學(xué)理論知識(shí)的目的，更難說(shuō)培養(yǎng)學(xué)生主觀能動(dòng)性、提高實(shí)踐動(dòng)手能力和工程創(chuàng)新能力。

3 課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與優(yōu)化探討

（1）重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)投入，提高學(xué)生的重視程度。要高度重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)在提高教學(xué)質(zhì)量與培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力中的重要地位，高校教師和學(xué)生都要提高對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視度，要將實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)作為工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)課程教學(xué)必不可少的重要內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的好壞取決于能否有助于幫助學(xué)生破解課程的重點(diǎn)與難點(diǎn)內(nèi)容，能否激發(fā)學(xué)生的求知欲望、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師和理論課教師要積極正確引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，助力學(xué)生樹立積極的實(shí)驗(yàn)教學(xué)態(tài)度。同時(shí)，學(xué)生也要積極主動(dòng)配合，帶著問(wèn)題去實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中探索規(guī)律、尋找答案。做完實(shí)驗(yàn)后，要認(rèn)真填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不要照搬照抄實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，要根據(jù)自己的理解和掌握進(jìn)行必要的探討和總結(jié)。

作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必備硬件條件，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的質(zhì)量與數(shù)量對(duì)于保障實(shí)驗(yàn)效果至關(guān)重要。良好的實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境，高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是提高課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。高校教學(xué)管理部門要高度重視實(shí)踐教學(xué)，加大實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的投入，多方籌措經(jīng)費(fèi)對(duì)不能適應(yīng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行更新，增補(bǔ)需增設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)x器，并保證一定的臺(tái)套數(shù)，為學(xué)生創(chuàng)造更好的實(shí)驗(yàn)條件與環(huán)境。

（2）改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，突出教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為課程教學(xué)的有機(jī)組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目及內(nèi)容的設(shè)置至關(guān)重要。要圍繞學(xué)生普遍反映的難點(diǎn)內(nèi)容開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)重難點(diǎn)包括熱力學(xué)第一定律、理想氣體熱力性質(zhì)與熱力過(guò)程、熱力學(xué)第二定律、水蒸氣與濕空氣、導(dǎo)熱、對(duì)流換熱、輻射換熱等內(nèi)容。為了使實(shí)驗(yàn)平衡，建議工程熱力學(xué)部分與傳熱學(xué)部分各設(shè)置兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，或者工程熱力學(xué)部分設(shè)置三個(gè)實(shí)驗(yàn)，傳熱學(xué)部分設(shè)置一個(gè)綜合型實(shí)驗(yàn)。例如，在工程熱力學(xué)部分設(shè)置空氣絕熱指數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、二氧化碳臨界狀態(tài)參數(shù)觀察及p-v-T 關(guān)系測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及制冷供熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，為增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，這些實(shí)驗(yàn)均要由驗(yàn)證性或演示性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為設(shè)計(jì)性或綜合性實(shí)驗(yàn)。如空氣絕熱指數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，要讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中邊操作邊講解熱力系統(tǒng)經(jīng)歷的狀態(tài)，讓學(xué)生親眼觀察熱力過(guò)程中絕熱、定容及定溫等定值熱力過(guò)程的實(shí)現(xiàn)方法，觀察和分析熱力系的狀態(tài)和過(guò)程特征，熟悉以絕熱膨脹、定容加熱基本熱力過(guò)程為工作原理的絕熱指數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握理想氣體基本熱力過(guò)程這一章內(nèi)容，與課堂教學(xué)內(nèi)容融合貫通，從而讓學(xué)生產(chǎn)生更深刻的記憶。很多驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完全可以發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，從驗(yàn)證性向設(shè)計(jì)性或綜合性轉(zhuǎn)變。對(duì)于傳熱學(xué)部分的實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性傳熱實(shí)驗(yàn)，集合導(dǎo)熱、對(duì)流等傳熱過(guò)程，加深對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)的理解和認(rèn)識(shí)。

（3）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，采用多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力。先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段與方法對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果具有重要作用，嘗試采用多種有益的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力與思考能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)?？梢圆捎脭?shù)值模擬方法進(jìn)行傳熱學(xué)部分實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用專業(yè)CFD 軟件Fluent，讓學(xué)生模擬一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、二維雙熱源穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及二維導(dǎo)熱+對(duì)流溫度場(chǎng)，通過(guò)數(shù)值模擬，讓學(xué)生理解和掌握應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值求解傳熱傳質(zhì)問(wèn)題的方法，建立運(yùn)用計(jì)算機(jī)求解實(shí)際問(wèn)題所遵循的一般原理和步驟，讓學(xué)生學(xué)會(huì)操作計(jì)算機(jī)數(shù)值分析軟件進(jìn)行離散化，設(shè)置幾何、物理、邊界及時(shí)間條件，通過(guò)求解代數(shù)方程組，最終求得整個(gè)計(jì)算區(qū)域的場(chǎng)分布情況，最后通過(guò)彩色圖片或動(dòng)畫對(duì)傳熱過(guò)程進(jìn)行展示，讓學(xué)得到通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)難以得到的數(shù)據(jù)和結(jié)果，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，鞏固加深所學(xué)傳熱學(xué)原理，讓學(xué)生既學(xué)會(huì)了軟件的使用，學(xué)到了研究問(wèn)題的新方法，又加深了對(duì)專業(yè)理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)的理解。對(duì)熱能動(dòng)力裝置的理解是工程熱力學(xué)部分的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，由于熱力裝置均比較復(fù)雜，如何通過(guò)簡(jiǎn)單的表達(dá)與描述來(lái)準(zhǔn)確說(shuō)明熱能動(dòng)力裝置的工作原理對(duì)于解釋工程熱力學(xué)的學(xué)習(xí)目的至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)可以設(shè)計(jì)讓學(xué)生自己動(dòng)手制作簡(jiǎn)易的熱能動(dòng)力裝置，如走馬燈、汽轉(zhuǎn)球、壓氣機(jī)等實(shí)體模型，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力吸引學(xué)生注意力，提高學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在重視程度不夠，投入較少，實(shí)驗(yàn)設(shè)備欠缺；實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不合理；實(shí)驗(yàn)手段單一，吸引力不足等問(wèn)題，提出了重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)投入，提高學(xué)生重視程度；改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，突出教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)；通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法，積極采用多種有益的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，增強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造意識(shí)與能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與優(yōu)化方案，對(duì)于提高工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，增強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，培育適應(yīng)新時(shí)代要求的專業(yè)工程技術(shù)人才具有一定的借鑒意義與應(yīng)用價(jià)值。