“三傳”課程實驗體系改革研究

高建民

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，上海 200235）

《2030 年前碳達(dá)峰行動方案》是碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的頂層設(shè)計。根據(jù)“雙碳”目標(biāo)的安排，2025 年，我國綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系將初步形成，重點行業(yè)能源利用效率大幅提升。根據(jù)統(tǒng)計，公共建筑中，風(fēng)機和水泵設(shè)備的用電量占整個建筑用電量的30%～40%，約占整個動力用電(即除照明以外的用電)的40%～50%。風(fēng)機和水泵設(shè)備為流動、傳熱和傳質(zhì)的動力設(shè)備。建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)所牽涉的核心問題就是流動、傳熱和傳質(zhì)，既“三傳”現(xiàn)象。實驗教學(xué)作為“三傳”課程不可缺少的組成部分，對培養(yǎng)學(xué)生的知識運用能力、實驗操作能力、理論聯(lián)系實際能力，分析與解決問題的能力，以至于“雙碳”目標(biāo)的如期實現(xiàn)都具有重大意義。因此，按照“基礎(chǔ)扎實、知識面寬、動手能力強”的節(jié)能型人才培養(yǎng)模式，轉(zhuǎn)變教育思想、更新教育理念，實現(xiàn)實驗教學(xué)改革至關(guān)重要。

1 傳統(tǒng)的流體與熱工課程的實驗教學(xué)方式

流動、傳熱和傳質(zhì)為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的三大理論基礎(chǔ)，流體力學(xué)、傳熱學(xué)、熱質(zhì)交換原理與設(shè)備是專業(yè)基礎(chǔ)課程中的核心課程。這三門課程中的實驗課程約占總學(xué)時數(shù)的1/8，流體力學(xué)所開設(shè)的實驗有雷諾實驗、流體流動阻力的測定、離心泵性能曲線測定、流動流體能量轉(zhuǎn)換實驗，傳熱學(xué)開設(shè)的實驗有自流對流換熱系數(shù)的測定、法向輻射率測試，熱質(zhì)交換原理與設(shè)備開設(shè)的實驗有表面式換熱器性能參數(shù)的測定、熱管換熱器實驗。這些實驗對三傳理論進(jìn)行了驗證，基本覆蓋了理論教學(xué)的主要內(nèi)容，提高了教學(xué)效果。然而，這些實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)存在缺陷。

（1）實驗內(nèi)容上的缺陷。相似理論在流體力學(xué)、傳熱學(xué)兩門課程中為重要的教學(xué)內(nèi)容，是體現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，同時也是教學(xué)難點。熱質(zhì)交換原理和設(shè)備課程以相似理論為主線，以動量傳輸、熱量傳輸及質(zhì)量傳輸共同構(gòu)成的傳輸理論為基礎(chǔ)，研究發(fā)生在建筑環(huán)境與設(shè)備中的熱質(zhì)交換原理及相應(yīng)的設(shè)備熱工計算方法。然而，現(xiàn)有的實驗體系沒有牽涉到相似理論，這對于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才來說是一個重要缺陷。

（2）實驗性質(zhì)上的缺陷。這些實驗在性質(zhì)上基本為驗證性實驗，是通過實踐來驗證理論的正確性。這就決定了實驗教學(xué)效果的缺陷。通常實驗時基本上都是老師先講解實驗?zāi)康?、實驗設(shè)備、實驗步驟和操作，然后學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，按實驗指導(dǎo)書的要求，按設(shè)定的步驟進(jìn)行操作，觀察實驗現(xiàn)象，得到預(yù)期的實驗現(xiàn)象和結(jié)果。學(xué)生記錄實驗數(shù)據(jù)，寫出實驗報告。這種實驗方式對于學(xué)生理解和掌握教材的基本理論和基本概念是必要的，但對于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力、創(chuàng)新能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。它使學(xué)生對實驗的總體認(rèn)識模糊，不能融會貫通教學(xué)和實驗的整體內(nèi)容，降低了學(xué)生對實驗的興趣，使學(xué)生始終處于被動地位，得不到自主發(fā)揮和運用在課堂教學(xué)中學(xué)習(xí)的專業(yè)知識，缺乏從實驗設(shè)計、實驗準(zhǔn)備、實驗過程到實驗結(jié)果的成就感；嚴(yán)重地限制了學(xué)生的科學(xué)想象力、綜合實驗?zāi)芰?、自主策劃能力和?chuàng)造性思維能力。這種實驗方式與現(xiàn)代人才培養(yǎng)模式極不相吻合，極不適應(yīng)高等教育改革的發(fā)展需要。

2 “三傳”實驗教學(xué)體系改革

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的最重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，也是現(xiàn)在比較薄弱的環(huán)節(jié)， 充分發(fā)揮作用的教學(xué)環(huán)，高質(zhì)量的實驗教學(xué)將為教學(xué)改革畫龍點睛，教學(xué)既要改革實驗教學(xué)方法與手段，又要強化學(xué)生的工程實踐能力與創(chuàng)新能力，還要注重學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力。因此，我們從以下3 個方面入手，進(jìn)行了實驗體系改革。

（1）對三門課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整，如流體力學(xué)與傳熱學(xué)兩門課程中相似原理方面內(nèi)容重復(fù)，因此，在傳熱學(xué)課程教學(xué)中可以忽略基本原理部分，適當(dāng)增加傳熱方面的相似現(xiàn)象內(nèi)容，這樣可以節(jié)約兩個學(xué)時，用來增加一個熱傳導(dǎo)方面實驗，使實驗牽涉到傳熱的三種方式，覆蓋了理論教學(xué)的主要內(nèi)容，通過調(diào)整教學(xué)重復(fù)得內(nèi)容，總共在這三門課程中調(diào)整出六個學(xué)時用于增加實驗教學(xué)學(xué)時。

（2）對實驗的教學(xué)方式進(jìn)行了一些改革，傳統(tǒng)的實驗通常是先在課堂上學(xué)習(xí)了理論然后做實驗進(jìn)行驗證。這種傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式使學(xué)生始終處于被動地位，只是通過實驗去尋找符合理論的數(shù)據(jù)和結(jié)論，這違背了實驗本身的意義，即通過實驗來發(fā)現(xiàn)事物本身的規(guī)律，這樣就會抑制學(xué)生的思維，不能鍛煉他們探索自然規(guī)律的能力，同時也會降低他們對學(xué)習(xí)的興趣。因此，我們改變以老師為主，講得過多束縛學(xué)生手腳的辦法，樹立學(xué)生的主體作用，鼓勵他們勤于思考，敢于動手。在實驗過程中針對學(xué)生的遇到的問題，采用引導(dǎo)而不是告訴的方式讓學(xué)生去解決問題。由于學(xué)生位于主體地位，因此，在實驗過程中積極活躍，思維和動手能力得到了充分的發(fā)揮。另外，我們對于一些理論上并不是較為復(fù)雜教學(xué)內(nèi)容和對應(yīng)的實驗進(jìn)行調(diào)整，先讓學(xué)生通過預(yù)習(xí)理論教學(xué)內(nèi)容，再去做對應(yīng)的實驗，在實驗過程中，通過現(xiàn)場邊實驗邊指導(dǎo)，然后在課堂上對這些理論內(nèi)容實驗中沒有體現(xiàn)的方面進(jìn)行講解，并實驗進(jìn)行總結(jié)。而對于雷諾實驗的教學(xué)內(nèi)容則完全在實驗室進(jìn)行，獲得了良好的教學(xué)效果。在這些實驗中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的求知愿望和學(xué)習(xí)興趣空前高漲，人人積極地參與思考和動手操作，這與平時表現(xiàn)完全不同，而且詢問指導(dǎo)教師的問題深度有了很大提高，實驗教學(xué)氣氛特別良好。當(dāng)詢問學(xué)生為何這次實驗如此積極時，學(xué)生回答說這個實驗就像網(wǎng)絡(luò)游戲，有很大的未知性和挑戰(zhàn)性，因此實驗對此很感興趣。通過實驗報告的披閱發(fā)現(xiàn)實驗報告的總體水平有了很大提高，一些同學(xué)在實驗報告中所提出的問題顯示了強烈的求知愿望。在以后的課堂提問以及期末考試發(fā)現(xiàn)，采用這種教學(xué)模式后，學(xué)生這部分教學(xué)內(nèi)容掌握得相牢固。

（3）積極開設(shè)綜合性、創(chuàng)新性實驗。我校實驗的場地較大，但投入的實驗購置經(jīng)費有限，因此我們積極思考，如何在實驗投入不多的情況下開設(shè)一些綜合性、創(chuàng)新性高水平的實驗，提高實驗教學(xué)效果。一方面，通過工程教育專業(yè)認(rèn)證的機會積極申請到20 萬實驗建設(shè)經(jīng)費；另一方面，在實驗項目的建設(shè)上考慮了能為教師的科研提供方便，這樣就可以獲得一部分科研經(jīng)費的支持。由于總的經(jīng)費有限，我們自己設(shè)計了一個簡單的水槽及相應(yīng)控制裝置，購置了一套工業(yè)攝像機以及一些簡單的模型加工根據(jù)和材料。我們根據(jù)一些教師的科研方向開設(shè)實驗。例如，有的教師從事建筑群的風(fēng)環(huán)境模擬，我們開設(shè)了簡單的風(fēng)環(huán)境模擬實驗。具體是要求學(xué)生在學(xué)習(xí)《建筑環(huán)境學(xué)》的基礎(chǔ)上調(diào)查自己所熟悉的建筑群，然后通過相似原理進(jìn)行實體模型設(shè)計加工，利用水和染料來模擬在風(fēng)的作用下污染物在建筑群的擴散分布規(guī)律。這些綜合性、創(chuàng)新性實驗我們還開設(shè)有大空間室內(nèi)氣流組織實驗、室內(nèi)火災(zāi)煙氣流動模擬實驗、室內(nèi)污染物擴散模擬實驗。我們開設(shè)的這些實驗都是成本較低且易于實現(xiàn)的實驗。但對于學(xué)生來說卻是不易，因為必須對相關(guān)的專業(yè)知識要有了解，而且要通過相似原理進(jìn)行流動、傳熱和傳質(zhì)進(jìn)行相似分析，才能設(shè)計出相應(yīng)的模型。實驗教學(xué)的具體實施辦法讓學(xué)生了解實驗室，知道實驗室有什么條件，可以做什么事情。實驗室建議四個實驗方向：建筑群的擴散分布規(guī)律、大空間室內(nèi)氣流組織實驗、室內(nèi)火災(zāi)煙氣流動模擬實驗、室內(nèi)污染物擴散模擬實驗，但實驗?zāi)M的對象由學(xué)生自己在選取，由于學(xué)校位于上海市中心區(qū)域，這些實驗?zāi)M對象比較好找。當(dāng)然，學(xué)生也可以自己動腦筋和請教專業(yè)教師做其他的方向?qū)嶒?。在實驗時間安排上，這些實驗的完成時間為一個學(xué)期，由學(xué)生的課后時間來完成。數(shù)個學(xué)生根據(jù)自己的興趣組成一個小團隊選擇一個實驗方向，由相應(yīng)科學(xué)研究方向的教師進(jìn)行指導(dǎo)完成。最后根據(jù)學(xué)生在實驗中的表現(xiàn)將實驗成績加在熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程的成績上。

通過對幾屆學(xué)生問卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，實驗教學(xué)改革取得非常明顯的效果。以前許多學(xué)生在課后沒有學(xué)習(xí)方向，通過實驗，學(xué)生了解了所學(xué)的理論知識能有什么用途，在課堂上的學(xué)習(xí)的熱情有很大的提高，課后在相應(yīng)的教師指導(dǎo)下積極搞調(diào)研，查資料，認(rèn)真做實驗。最后的結(jié)果是學(xué)生學(xué)習(xí)興趣提高了，對于理論知識掌握得更加牢固，最重要的是學(xué)生能將理論知識用于實踐，思維能力和動手能力得到了很好的鍛煉，教師的科研項目更加順利進(jìn)行。

3 結(jié)語

通過這幾年的實踐，實驗教學(xué)不僅提高了學(xué)生的思維能力和動手能力，更提高了他們對理論知識的掌握，這兩年學(xué)生的這三門課程的成績比以前有了很大的提高，其原因是通過實驗增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性，將學(xué)生的“被動”學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃印睂W(xué)習(xí)，將學(xué)生的“客體”地位轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸黧w”地位，促進(jìn)學(xué)生深入學(xué)習(xí)已掌握的知識并將其用于實踐中，同時提高了綜合運用知識解決問題的能力。

通過綜合性、創(chuàng)新性實驗，培養(yǎng)了學(xué)生的合作與團隊精神，強化了創(chuàng)新意識及創(chuàng)造性設(shè)計的能力。由此培養(yǎng)的學(xué)生既有扎實的流動、傳熱和傳質(zhì)的理論基礎(chǔ)，又有應(yīng)用性知識和背景，既有扎實的理論知識又有熟練的計算機操作技能，不但在校期間參與課題研究中已經(jīng)顯示出優(yōu)勢并做出成績，而且畢業(yè)后在工作中同樣具有較強的競爭能力。

“三傳”課程實驗體系改革不是為了解決實踐教育的具體問題，更重要的是可以使我們進(jìn)一步加強對新時期人才培養(yǎng)模式的認(rèn)識。實踐教學(xué)的加強和改革，更促進(jìn)了理論教學(xué)的發(fā)展，提高了教育質(zhì)量和教學(xué)水平，提高了學(xué)生的全面素質(zhì)，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才打下了堅實的基礎(chǔ)。