“工程熱力學”綜合設(shè)計性實驗教學改革探索
——以氣體定壓比熱測定實驗為例

車碧軒，黃敏超，李小康，王墨戈，李 健

（國防科技大學 空天科學學院，湖南 長沙 410073）

引言

近年來，為了滿足國家戰(zhàn)略發(fā)展新調(diào)整和國際競爭新挑戰(zhàn)對創(chuàng)新型工程技術(shù)人才提出的巨大需求，支撐由“中國制造”向“中國智造”和“中國創(chuàng)造”的全面產(chǎn)業(yè)升級，在教育部高等教育司的推動下，國內(nèi)各大高校掀起了新工科教學改革探索熱潮。新工科建設(shè)以立德樹人為引領(lǐng)，通過優(yōu)化教學內(nèi)容、創(chuàng)新教學模式，切實提高學生的工程實踐能力和整合創(chuàng)新能力，最終實現(xiàn)培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。

“工程熱力學”是一門從工程技術(shù)觀點出發(fā)，研究工質(zhì)的熱力學性質(zhì)、熱能與機械能轉(zhuǎn)化的規(guī)律和方法，以及有效利用熱能途徑的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是能源動力、醫(yī)療化工、航空航天、機械工程等諸多學科領(lǐng)域培養(yǎng)合格工程師的必備課程，在我國工科類專業(yè)中得到了廣泛開設(shè)?！肮こ虩崃W”的開課時間一般在“大學物理”“高等數(shù)學”等公共基礎(chǔ)課程之后，各學科專業(yè)課程之前，是公共基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程之間的紐帶和橋梁。從教學內(nèi)容上來看，工程熱力學既包含較為抽象的概念定義、基本定律，也包含對生產(chǎn)生活中各種工程實際問題的分析與討論，具有很強的理論聯(lián)系實際的特點，對于學生工程思維、實踐能力、創(chuàng)新意識的培養(yǎng)至關(guān)重要。

實驗教學作為理論聯(lián)系實際的主要環(huán)節(jié)，對幫助學生鞏固課堂理論知識、掌握科學實驗方法、鍛煉知識整合與運用能力、培養(yǎng)嚴謹務(wù)實的工作作風具有重要作用。然而，受高校實驗室保障條件相對滯后、實驗教學重視程度不足、實驗教學改革難度較大等因素的制約，實驗教學改革相較于課堂教學相對滯后，目前大部分高校仍主要采用傳統(tǒng)的演示性和驗證性實驗教學模式，學生的積極性和參與感不足，教學效果難以達到預(yù)期。

通過將傳統(tǒng)的演示、驗證性實驗轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合設(shè)計性實驗，讓學生參與實驗設(shè)計、實施和改進的全過程，突出強化學生中心主體地位，可有效增強實驗教學效果。本文針對“工程熱力學”課程實驗教學環(huán)節(jié)，對實驗教學現(xiàn)狀進行分析，以氣體定壓比熱測定實驗為例，探索傳統(tǒng)演示驗證性實驗向綜合設(shè)計性實驗的轉(zhuǎn)變方法，最后淺談對于開展綜合設(shè)計性實驗教學改革關(guān)鍵的理解和認識。

一、實驗教學現(xiàn)狀分析

我?！肮こ虩崃W”課程目前主要面向飛行器動力工程專業(yè)開設(shè)，含理論課30學時和實驗課2學時。其中，理論課共分七章，分別講授緒論、基本概念和定義、熱力學第一定律、熱力學第二定律、工質(zhì)的熱力性質(zhì)、流動過程熱力分析和化學反應(yīng)熱力學等內(nèi)容，實驗課則開展了可視性飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系實驗和氣體定壓比熱測定實驗兩個分組實驗。

以氣體定壓比熱測定實驗為例，其實驗系統(tǒng)如圖1所示，由風機、流量計、比熱儀主體、電功率調(diào)節(jié)及測量系統(tǒng)等組成。學生需要分別測定空氣在流量計出口的干、濕球溫度以獲得空氣的相對濕度，再測量空氣經(jīng)比熱儀前后的溫度、電熱器的輸入功率、流量和流量計出口的壓力，最后結(jié)合對應(yīng)的物性參數(shù)數(shù)據(jù)，計算被測氣體的定壓比熱。該實驗涉及溫度、壓力、熱量（電功）、流量等物理量的測量，計算中還需要用到比熱及混合氣體方面的知識，總體方案涉及穩(wěn)態(tài)開口系統(tǒng)能量方程和流動過程熱力分析等課程內(nèi)容的具體運用，如果組織得當，將有助于強化學生對相關(guān)理論知識的認識，具有較強的綜合鍛煉效果。盡管如此，在面對新工科建設(shè)對人才綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)所提出的諸多新的要求時，現(xiàn)有實驗教學模式還存在以下不足。

圖1 氣體定壓比熱測定實驗裝置示意圖［8］（P37-38）

（一）學生中心主體地位不夠突出，部分學生參與度較低

盡管已經(jīng)經(jīng)過多輪教學方法改良和實驗條件建設(shè)，并引入基于全面質(zhì)量管理體系PDCA循環(huán)的實驗教學實施辦法，但實驗教學目前仍按照教師講授—學生操作的傳統(tǒng)被動教學模式進行（見圖2），學生中心主體地位不夠突出。以本實驗為例，在整個實驗教學過程中，學生更多的是實驗流程的操作者，按照實驗指導書劃定的步驟開啟設(shè)備，待溫度、壓力等參數(shù)穩(wěn)定10分鐘以上后，進行一次數(shù)據(jù)讀?。蝗缓笳{(diào)整電功率，再等待下一組穩(wěn)定狀態(tài)參數(shù)的出現(xiàn)……在整個實驗過程中，溫度、壓力的測量方法已經(jīng)固定，參數(shù)是否達到穩(wěn)定也給出了具體的判定標準，實驗可能出現(xiàn)的現(xiàn)象也都有具體描述，對于選擇哪一種實驗測量手段，采用什么樣的實驗整體方案，如何選擇具體參數(shù)等問題，自主選擇和研究創(chuàng)新的空間十分有限，很難調(diào)動學生的積極性。此外，受設(shè)備臺套數(shù)限制，實際教學過程中一般采用分組實驗的形式進行組織，部分學習主動性較差的學生干脆直接“搭便車”，甚至抄襲實驗報告，實驗教學的參與度幾乎為零。

圖2 現(xiàn)有實驗教學模式

（二）實驗教學內(nèi)容缺乏高階性，知識強化與能力培養(yǎng)作用有限

氣體定壓比熱測定實驗在測量儀器的選擇、比熱儀的保溫設(shè)計、壓力表的布置等方面的考慮本身就蘊含了豐富的熱力學知識。完全理解實驗設(shè)備的運行，需要系統(tǒng)掌握狀態(tài)參數(shù)及其特性、穩(wěn)態(tài)開口系統(tǒng)能量方程、流動滯止過程和傳熱學的相關(guān)基礎(chǔ)知識。盡管各項實驗都能涉及多個理論知識模塊，但學生在具體實驗過程往往只會關(guān)注實驗中的主體任務(wù)，對于相關(guān)的基礎(chǔ)性知識則直接略過。對于掌握較好的學生，只要嚴格遵循實驗指導書按部就班便能順利完成實驗，實驗步驟相對固定、缺乏挑戰(zhàn)性；對于掌握較差的學生，又容易出現(xiàn)儀器設(shè)備操作失誤、讀表錯誤、實驗條件控制不佳等問題，難以獲得預(yù)期的實驗現(xiàn)象。學生在開展實驗前的知識能力儲備不足，實驗本身的難度又相對較低，實驗所能達到的訓練效果就變得十分有限。同時，由于實驗流程對于學生深入思考的調(diào)動不足，實驗對于理論知識的強化作用并不明顯，甚至有學生反映，由于不理解時間過程的操作細節(jié)，實驗之后對于相關(guān)的理論知識反而更加困惑。

（三）實驗教學模式較為單一，師生之間和學生內(nèi)部交流互動不足

目前實驗教學仍然按照課前預(yù)習、教師講授、分組實施、報告撰寫的傳統(tǒng)教學模式進行，實驗步驟相對固定，學生之間相互討論和向教師提問的內(nèi)在動力不足。此外，受高等院校課時壓縮的外部趨勢影響，學生需要在短短兩個學時內(nèi)完成可視性飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系實驗與氣體定壓比熱測定實驗兩個實驗，實驗時間較為緊張。為按時下課，學生往往不假思考地照著實驗流程匆忙完成實驗，當出現(xiàn)不合理現(xiàn)象時也傾向于通過更換實驗設(shè)備、找同學代做、索要同學數(shù)據(jù)等方式解決問題，很少有時間進行深入細致的討論。同時，按照本門課程的教學進度安排，實驗課往往在理論知識學習完成后的最后幾堂課進行，實驗結(jié)束后課程教學也隨即結(jié)束，生生、師生間圍繞實驗結(jié)果再做進一步溝通交流的機會都十分有限。

（四）實驗方法和技術(shù)相對落后，與學科發(fā)展前沿聯(lián)系不緊密

近年來能源動力和實驗測量技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)取得快速發(fā)展。課堂教學環(huán)節(jié)可以通過引入各類教學案例和補充相關(guān)教學內(nèi)容及時跟進，而在實驗教學環(huán)節(jié)，受實驗硬件開發(fā)周期限制，一直未能做到與時俱進。以本實驗為例，采用腰輪流量計測量空氣流量，采用干濕球溫度計獲得空氣相對濕度，這些方法不僅技術(shù)落后、精度較差，操作還較為不便，學生在實際實驗時容易出現(xiàn)失誤。行業(yè)內(nèi)部早已使用更加方便智能的流量計和濕度計產(chǎn)品，如果不能與行業(yè)熱點技術(shù)和未來發(fā)展趨勢結(jié)合，那么在培養(yǎng)學生與時俱進的工程應(yīng)用能力時實驗教學將顯得力不從心。

二、綜合設(shè)計性實驗教學改革方案設(shè)計

現(xiàn)有的實驗教學模式?jīng)]有跳出驗證性實驗范疇，實驗設(shè)備和實驗方案已經(jīng)固定，部分實驗甚至連參數(shù)范圍也已經(jīng)確定，學生需要做的僅僅是按照實驗說明復現(xiàn)教材中的現(xiàn)象和規(guī)律。前文分析已經(jīng)指出，以氣體定壓比熱測定實驗為代表的現(xiàn)有各類實驗項目本身已具有較強的綜合性，通過將現(xiàn)有驗證性實驗改造轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合設(shè)計性實驗，能夠以較低成本有效提升實驗教學效果。

開展綜合設(shè)計性實驗教學可以采用基于問題驅(qū)動教學法（PBL）的教學模式，按照如圖3所示的四個階段的順序推進，即實驗任務(wù)導入、知識學習與技能儲備、總體方案制定與實施、評價與改進，下面以氣體定壓比熱測定實驗為例，淺談各個階段的具體實施方法和注意事項。

圖3 綜合設(shè)計性實驗教學實施步驟

（一）第一階段，實驗任務(wù)導入

在課程進度前期的適當節(jié)點，比如第二章《基本概念和定義》完成之后開始實驗項目的導入工作，向?qū)W生詳細闡述實驗任務(wù)，并將試驗任務(wù)拆分為多個具體的子問題，引導學生確定完成任務(wù)所需要的知識點，它們分別分屬哪幾個章節(jié)。以本實驗為例，為實現(xiàn)對氣體定壓比熱的測定，需要完成溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)的測量，以及加熱量（或電功率）等過程量的測量，還要考慮環(huán)境散熱、水蒸氣雜質(zhì)等各種因素帶來的干擾。所涉及的知識點主要包括狀態(tài)參數(shù)的定義與測量、能量平衡、開口系統(tǒng)能量方程、混合氣體等教學內(nèi)容，分散在課程的第二、第三和第五章。在這一階段，強調(diào)相關(guān)知識點的結(jié)構(gòu)性，注意知識網(wǎng)絡(luò)的梳理，讓學生明白解決某一子問題所需要的知識點在整個知識網(wǎng)絡(luò)中的位置，做到心中有全局。

（二）第二階段，知識學習與技能儲備

完成實驗任務(wù)的問題拆分與關(guān)聯(lián)知識點的確定工作后，學生帶著問題投入課程理論知識學習，學習過程伴隨課程進度推進。當解決某個子問題所需的相關(guān)知識點講授完成后，便可通過課堂討論或課后作業(yè)的形式，讓學生思考該子問題的解決方法，再通過教員評審或分組討論等形式，對學生所提出的方法進行評價和改進。在這一階段，需要注意知識的基礎(chǔ)性，幫助學生理解各種實驗手段的原理，掌握基本的實驗技能，是整個綜合設(shè)計性實驗教學活動的基礎(chǔ)。以本實驗中涉及的壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)的測量為例，應(yīng)重點引導學生了解各類傳感器的原理和特點，學會根據(jù)具體問題選擇不同的傳感器型號。

（三）第三階段，總體方案制定與實施

在完成理論知識學習和基本技能儲備之后，便可以開展實驗總體方案的制定與實施工作。這一過程注意突出對學生訓練的綜合性，引導學生梳理各個子問題之間的聯(lián)系，整合前期學習的碎片化知識與技能，以小組為單位形成可行的實驗實施方案?？紤]到實驗室自身的條件限制，教師可以先給出部分儀器設(shè)備的備選清單，讓學生在此基礎(chǔ)上進行方案設(shè)計。隨后，由教師對學生提出的方案進行指導和遴選，確定2～3個具體可行的方案。根據(jù)實驗方案，結(jié)合實驗室已有條件開展前期準備工作，指導學生采購所缺設(shè)備器材、搭建實驗系統(tǒng)。最后，學生按照自行設(shè)計的實驗流程和實驗參數(shù)完成實驗，形成實驗設(shè)計報告和結(jié)果報告。

（四）第四階段，評價與改進

學生對各自的實驗方案和實驗結(jié)果進行分組匯報，通過學生互評和師生互評等方式對實驗方案和教學環(huán)節(jié)進行評價，討論改進措施。這一過程注意鼓勵學生的創(chuàng)新性和批判性。對不同小組的實驗方案和實驗結(jié)果進行橫向?qū)Ρ?，總結(jié)效果好的經(jīng)驗，分析效果差的原因，討論誤差的來源和可能的改進方向。對于具有突出創(chuàng)新性和取得較好實驗效果的實驗方案，引導學生進行深入挖掘，結(jié)合目前行業(yè)新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，幫助實驗教學本身持續(xù)改進。

通過以上步驟完成傳統(tǒng)演示和驗證性實驗向綜合設(shè)計性實驗的教學改革，實驗項目本身可以在一定程度上代替課程原有的綜合設(shè)計實踐項目，從而在不增加學生學習負擔的情況下，同步提升理論教學和實驗教學環(huán)節(jié)的教學效果，實現(xiàn)“減負增效”，其具體優(yōu)勢還體現(xiàn)在：（1）學生中心主體地位得到突出強化，學生由傳統(tǒng)實驗教學中的跟隨者、模仿者，轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計者、實施者，甚至是教學行為本身的改良者，其參與感和成就感將得到顯著提升，學習積極性更高；（2）綜合實驗任務(wù)被拆分為多個子問題，學生帶著問題學習相關(guān)知識，學習目的更加明確，學到的知識最后又被運用于具體問題的解決，理論聯(lián)系實際特色鮮明；（3）圍繞實驗任務(wù)和實驗相關(guān)的各項子問題，從課程初期到課程最后，教師和學生之間、學生和學生之間需要開展反復多次、不同形式的溝通交流，互動性得到大幅加強；（4）學生在知識點學習、子問題方案探討、實驗總體方案綜合設(shè)計等過程中引入的新方法、新技術(shù)，可以幫助教師對實驗方案和實驗教學方法本身進行持續(xù)改進，達到師生互利效果。

三、開展綜合設(shè)計性實驗教學改革的要點

開展綜合設(shè)計性實驗教學改革除教學過程本身的轉(zhuǎn)變以外，還需要在教學內(nèi)容、教學手段、軟硬件條件、評價考核體系、師資力量等多個方面進行持續(xù)創(chuàng)新與完善，形成有效托舉綜合設(shè)計性實驗教學的課程教學體系。

（一）統(tǒng)籌設(shè)計實驗教學內(nèi)容

相較于傳統(tǒng)演示和驗證性實驗，綜合設(shè)計性實驗時間跨度更長，對學生的要求更高，一門課程最多設(shè)置1～2個實驗項目即可。在有限數(shù)量的實驗項目中，實現(xiàn)教學效果的最大化，就需要對實驗內(nèi)容進行合理設(shè)計。本文僅淺談了對現(xiàn)有實驗的改革方案，未來在有條件的時候，應(yīng)當設(shè)計專門的綜合設(shè)計性實驗教學項目，其實驗內(nèi)容應(yīng)當圍繞教學重點及難點，覆蓋盡可能多的課程知識維度，成為課程教學的有機組成部分；同時，實驗任務(wù)還要充分考慮實驗的可行性和可操作性，實驗方案應(yīng)該具有多樣性和開放性，同時還應(yīng)當預(yù)判可能出現(xiàn)的各類問題，確保大部分學生能達到預(yù)期的訓練效果。

（二）優(yōu)化豐富教學方法和手段

綜合設(shè)計性實驗教學的核心關(guān)鍵是不斷強化學生的中心主體地位，教師應(yīng)采用諸如翻轉(zhuǎn)課堂、討論課、情景教學等多種教學方法，吸引學生全身心地投入實驗學習。同時，還應(yīng)嘗試先進的實驗教學手段以進一步提高教學效果。在基礎(chǔ)性實驗測量手段的學習過程中，可以利用MOOC線上教學平臺，將傳感器、實驗設(shè)備等相關(guān)內(nèi)容以短視頻的形式發(fā)布，學生利用碎片化時間進行學習，從而在時間和空間上有效拓展課堂教學維度。在實驗總體方案設(shè)計階段，教師可以利用Fluent、Ansys、COMSOL數(shù)值仿真軟件，對實驗方案的流動過程、熱傳導過程進行仿真分析，幫助學生檢驗方案的可行性，同時讓學生理解和掌握現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)，加深對抽象物理過程的理解認識。

（三）持續(xù)改善實驗保障條件

開展綜合設(shè)計性實驗要求實驗室具有更加全面充分的保障能力。首先，為滿足知識點學習和能力儲備階段對各類基礎(chǔ)性實驗設(shè)備的教學需求，實驗室應(yīng)當儲備一定數(shù)量種類豐富、功能齊全的傳感器和常用元器件；其次，考慮到學生實驗設(shè)計方案的差異性，實驗設(shè)備應(yīng)當具有模塊化、可拆分的特點，可以便于根據(jù)學生所提出的方案進行組合、替換和改造；最后，實驗設(shè)備還必須考慮學生實踐探索過程中必然存在的誤操作和損耗等問題，具備可靠性高、質(zhì)量好、參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣、臺套數(shù)多等特點。

（四）適當重塑評價考核體系

目前，學生的成績構(gòu)成一般由期末考試（70%）、實驗報告（10%）、大作業(yè)（10%）、平時成績（10%）四部分組成，由于實驗成績占比較低、實驗完成難度較小，學生對于實驗環(huán)節(jié)的重視不夠。開展綜合設(shè)計性實驗教學改革，實驗設(shè)計本身完全可以代替大作業(yè)實現(xiàn)對學生綜合能力的訓練；同時，由實驗任務(wù)拆分出來的各項子問題，也能充分考核學生的平時學習情況。因此，為激發(fā)學生參與綜合設(shè)計性實驗過程的主動性，可以適當重塑現(xiàn)有評價考核體系，將實驗報告、大作業(yè)、平時成績并入綜合設(shè)計性實驗考核打分，并適當提高其分值比例。在評價過程中，建立分階段、全過程的效果評定方式，杜絕“搭便車”“抱大腿”現(xiàn)象，確保綜合設(shè)計性實驗對每一名學員的訓練效果。

（五）不斷提高教師自身素質(zhì)

綜合設(shè)計性實驗顛覆了傳統(tǒng)演示和驗證性實驗相對固定的實驗設(shè)備和實驗過程，對教師的知識儲備、工程素養(yǎng)和教學能力提出了更高要求。為了能夠指導學生處理從互聯(lián)網(wǎng)等途徑獲取的各類龐雜信息，教師必須在對本門課程內(nèi)容深刻理解的基礎(chǔ)上，積極拓寬相關(guān)學科知識廣度，時刻緊跟學科發(fā)展前沿；為了能夠更好地指導學生理論聯(lián)系實際，教師在注重充實自身理論知識的同時，還應(yīng)多參與行業(yè)相關(guān)的工程實踐，加強與企業(yè)的聯(lián)系，向一線工程師學習經(jīng)驗心得；最后，教師必須圍繞教學工作不斷豐富自身教學技能，持續(xù)跟蹤國內(nèi)外先進教學改革方向，創(chuàng)新教學模式，提高業(yè)務(wù)能力。

結(jié)語

“工程熱力學”作為一門重要的工科專業(yè)基礎(chǔ)課程，因其顯著的理論聯(lián)系實踐特色和哲學思辨特色，對于培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新思維意識具有重要作用。實驗教學作為工程熱力學培養(yǎng)學生實踐能力的重要環(huán)節(jié)，其傳統(tǒng)的演示性和驗證性實驗教學模式已經(jīng)難以滿足新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)提出的新要求。圍繞新工科建設(shè)背景，本文系統(tǒng)梳理了現(xiàn)有實驗教學環(huán)節(jié)的不足，探討了由演示驗證性實驗向綜合設(shè)計性實驗轉(zhuǎn)變的實驗教學實施步驟，并圍繞綜合設(shè)計性實驗的需求特點，總結(jié)了開展綜合設(shè)計性實驗教學改革的幾個要點。相關(guān)內(nèi)容可為本門課程的實驗教學改革提供一定參考。