工程熱力學與傳熱學課程中實驗教學的問題及改進路徑

摘 要 實驗教學是工程熱力學與傳熱學教學體系中至關重要的一部分，推動其教學改革可以加深學生對重難點知識的理解與領悟，提高學生的創(chuàng)新意識與科研精神。當下，高校在開展工程熱力學與傳熱學實驗教學時，存在實驗教學內容設置不科學、實驗設施不完善與實驗教學方式固定等問題，為此，高校要優(yōu)化實驗教學內容，明確教學重難點、健全實驗設施、創(chuàng)新實驗教學方法，不斷提高實驗教學效果。

關鍵詞 高校；“工程熱力學與傳熱學”；實驗教學；問題；改進

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.20.031

Problems and Improvement Paths in Experimental Teaching of Engineering Thermodynamics and Heat Transfer Courses

SUN Lifang

（Liaoning Technical University， Huludao， Liaoning 125105）

Abstract Experimental teaching is a crucial part of the teaching system of engineering thermodynamics and heat transfer. Promoting its teaching reform can deepen students' understanding and comprehension of key and difficult knowledge， and improve their innovation awareness and research spirit. At present， when universities carry out experimental teaching of engineering thermodynamics and heat transfer， there are problems such as unscientific experimental teaching content， incomplete experimental facilities， and fixed experimental teaching methods. Therefore， it is necessary to optimize experimental teaching content， clarify teaching difficulties， improve experimental facilities， innovate experimental teaching methods， and continuously improve experimental teaching effectiveness.

Keywords universities; "Engineering Thermodynamics and Heat Transfer"; experimental teaching; problem; improve

在工程領域，熱力學基礎課程在培養(yǎng)高水平工程人才方面發(fā)揮了極其關鍵的作用[1]。高校工程熱力學與傳熱學課程包含了大量的專業(yè)名稱和概念，計算公式原理等十分的晦澀難懂，教學內容與學生的日常生活沒有較多的聯(lián)系，導致在教學活動中，不僅教師教學難度大，學生的學習過程也十分艱辛。實驗課作為工程熱力學與傳熱學課程教學中理論與實踐結合的重要載體，可以幫助學生更好地領悟理論知識，提高自身的專業(yè)水平與綜合能力[2]。然而從現(xiàn)階段高校工程熱力學與傳熱學實驗課教學現(xiàn)狀來看，教學過程中仍然存在一定的問題，影響到工程熱力學與傳熱學實驗課的開展效果。基于此，深入分析與探究工程熱力學與傳熱學實驗課改革創(chuàng)新路徑具有十分重要的意義。

1 工程熱力學與傳熱學實驗課改革的必要性

高校工程熱力學與傳熱學是專門探索熱能應用、熱能和其他類型能量轉化特性的學科，教學目標是讓學生在理解與掌握熱能轉化與傳遞規(guī)律的基礎上，探索提高熱能轉化效率的方法，從而實現(xiàn)能源的高效應用[3]。現(xiàn)階段社會生產(chǎn)與生活中產(chǎn)生的一系列工程技術問題，究其根本都可以將其看成是能源應用和轉化問題，重點涵蓋了能源高效應用、新能源開發(fā)應用等，所以深入理解與領悟工程熱力學與傳熱學課程的知識點和研究手段，有助于學生今后進入社會后更好開展科學探究、工程運用等相關工作。

工程熱力學與傳熱學課程包含了各式各樣的專業(yè)名詞、概念以及計算公式，理論性較強，許多原理抽象難懂，此外原理、計算公式的使用還需要滿足一定的條件與使用環(huán)境，并且教學內容和學生日常生活關聯(lián)性不高，導致工程熱力學與傳熱學的教學難度很高，難以取得良好的教學效果。實驗教學是聯(lián)系理論與實踐的有效載體，有助于提高學生對基礎實驗科學原理與流程的理解，引導學生形成一絲不茍、實事求是的優(yōu)異科研精神[4]。所以，為了能夠有效提高工程熱力學與傳熱學實驗教學質量，研究出一套科學、切實可行、擁有較高創(chuàng)新精神的實驗教學模式十分有必要。

2 高校工程熱力學與傳熱學實驗教學問題分析

2.1 實驗教學內容設置不科學

由于該課程教學內容擁有很高的理論性和概念性，同時許多原理十分煩瑣與抽象，不容易理解，計算公式不僅多種多樣，同時在使用中還存在許多約束條件，導致學生很難充分理解與領悟工程熱力學與傳熱學課程的知識點。實驗教學是高校工程熱力學與傳熱學課程教學中十分重要的一部分，其教學目的是彌補與解決理論課程教學中的問題，使學生能夠充分把握與合理運用相關理論知識。因為高校工程熱力學與熱傳學課程總課時數(shù)較少，導致實際分配給實驗課程的課時數(shù)只有不到8個，在有限的課時數(shù)下能夠完成的實驗項目也不超過4個，在這種情況下實驗課程涵蓋的知識點不多，難以包含理論教學中全部重要的知識點。部分院校受到自身實驗設備的影響，在進行實驗課程教學時，要么都是針對工程熱力學方面的實驗，要么都是針對傳熱學方面的實驗，造成實驗教學內容嚴重失衡。此外，因為高校能夠提供的實驗臺數(shù)量不充足，導致在實際開展實驗時一般為驗證性實驗，教師親自示范操作，學生只能在旁觀看，沒有機會自己進行操作，在這種情況下學生參與實驗課程的積極性不高，不能夠對實驗原理、實驗流程等產(chǎn)生深刻的領悟與認識，自然而然不能夠取得良好的實驗教學效果，達不到實驗教學目的[5]。

2.2 重視程度較低，實驗設施不完善

實驗條件是高校實施實驗教學的重要條件，分為實驗場所與試驗設施[6]。在高校擴招政策的影響下，高校每年招收的學生人數(shù)不斷增多，導致在校學生規(guī)模越來越大，在這種情況下，原本就較為有限的實驗設備顯得更為緊缺，實驗設備與學生數(shù)之間的比例嚴重失衡，出現(xiàn)實驗場所規(guī)模較小、實驗設施配套數(shù)量欠缺等問題。與此同時，許多高校管理者并沒有對工程熱力學與傳熱學實驗課程給予較高的重視，沒有投入較多的資金與人力用于改善實驗課程教學條件，導致實驗場所建設十分緩慢，難以滿足學生對實驗教學的需求。

2.3 實驗教學方式固定，吸引力有限

現(xiàn)階段高校工程熱力學與傳熱學實驗課程教學還是采用以往固定單一的教學模式，要求學生在實驗課程教學前進行自主預習，了解與掌握實驗指導書的內容，之后教師在課堂上向學生系統(tǒng)講授實驗原理與試驗流程，緊接著教師進行實驗操作示范，學生在旁認真觀看并做好筆記，最后預留一定的時間讓學生自己動手操作，獲得實驗結果，并完成實驗報告的填寫。

這種實驗課程教學方式很難激發(fā)學生的學習能動性與積極性，更多的是被動接受知識、根據(jù)教師操作“照葫蘆畫瓢”，沒有真正對實驗中涉及的原理、過程等進行深入分析和探究。除此之外，部分高校不具備較好的實驗條件，實驗場地規(guī)模較小、實驗設施數(shù)量不足，導致開展的實驗主要以示范性實驗、驗證性實驗為主，學生很難有機會進行實踐操作，不能夠有效調動學生的學習積極性、提高學生的實踐操作水平，以及加深學生對理論知識的領悟程度，更不用說增強學生的實踐操作水平與工程創(chuàng)新水平。

3 工程熱力學與傳熱學課程實驗教學改進路徑

3.1 優(yōu)化實驗教學內容，明確教學重難點

實驗教學是工程熱力學與傳熱學課程教學中極其關鍵的一部分，實驗教學內容與項目的選擇均會影響實驗教學開展效果[7]。教師要全面了解與掌握學生學習中存在的共性問題，在此基礎之上科學合理規(guī)劃實驗教學內容。一般來說，工程熱力學與傳熱學課程中的熱力學第一與第二定律、對流換熱、理想氣體熱力性質與熱力過程、水蒸氣與濕空氣等知識點既是重點也是難點，要求每位學生重點掌握。為了能夠有效解決實驗課程內容失衡的問題，既要涵蓋工程熱力學實驗，也要開展傳熱學實驗，在具體操作過程中，可分別規(guī)劃兩個工程熱力學實驗與兩個傳熱學實驗，也可以規(guī)劃三個工程熱力學實驗結合一個傳熱學綜合實驗。比如教師可設計以下四種實驗，分別為CO2臨界形態(tài)參數(shù)特性觀察實驗、空氣絕熱系數(shù)測評實驗、制冷供熱指數(shù)測評實驗與p-v-T關聯(lián)性檢測實驗。為了能夠讓學生擁有親自動手操作的機會，把所有實驗從之前的示范性實驗轉變成設計性實驗。具體來說，以空氣絕熱系數(shù)測評實驗為例，要求學生自己動手進行實驗操作，并且要準確闡述各個階段的熱力學系統(tǒng)狀況，使學生可以親身體會到熱力中絕熱、定溫等不同定值的達成路徑，細致查看與探討熱力系統(tǒng)的形態(tài)與過程特性，掌握建立在定容加熱、絕熱膨脹等原理基礎之上的絕熱系數(shù)檢測實驗開展方式，這樣的實驗使學生能更好地理解與領悟理想氣體基本熱力知識點，實現(xiàn)理論教學與實驗教學的相輔相成、相互補充，幫助學生充分理解與掌握課程的重難點知識。針對傳熱學方面的實驗，可以將綜合導熱、對流等相關知識點整合到一起，規(guī)劃一個綜合性實驗項目，幫助學生理解導熱與導溫系數(shù)、對流換熱系數(shù)等知識。

3.2 提高實驗教學重視程度，健全實驗設施

要正確認識到實驗教學在改善教學效果與提高學生實際操作水平中的積極作用，高校管理者、教師與學生都需要正確看待實驗教學，提高對實驗教學的重視程度，把實驗教學當成工程熱力學與傳熱學課程教學中極其關鍵的一部分。提高實驗教學成效，不僅可以使學生更加深入理解與領悟課程重難點知識，同時也可以有效增強學生的探索欲望，調動學生學習的主觀能動性[8]。不管是實驗教師還是理論教學教師，都應當在平時教學中引導學生正確看待實驗教學，建立良好的實驗態(tài)度。另外，學生也需要積極配合開展實驗，并通過實驗努力發(fā)現(xiàn)規(guī)律、探索答案。在完成每項實驗之后，學生要根據(jù)實際情況詳細、認真地完成實驗報告，切不可直接抄寫實驗指導書中的內容，要結合自身見解與知識對實驗內容、過程與結果進行歸納整合。

為了確保實驗教學獲得理想的效果，高校應注重完善實驗設施，為學生提供良好的實驗環(huán)境。實驗設施的品質與數(shù)量會對實驗開展效果產(chǎn)生非常大的影響，高校管理者要充分認識到這點，提高對實驗教學的關注度與重視程度，設定專門的資金用于建設實驗場地與完善實驗設施，及時淘汰掉落后、運行異常的實驗設施，不斷提高實驗設施的質量，同時根據(jù)學生數(shù)盡可能地增加實驗設施數(shù)量，讓學生擁有良好的實驗環(huán)境。

3.3 創(chuàng)新實驗教學方法，提高學生的創(chuàng)新水平

科學合理的教學方式與方法有助于改善實驗課程教學效果，教師應積極探索與引入不同的教學模式，提高學生實踐操作水平，引導學生主動思考，幫助學生建立良好的創(chuàng)新意識[9]。在開展傳熱學方面的實驗教學時，教師可以將數(shù)值模擬法融入其中，借助CFD應用軟件Fluent，通過模擬一維與二維穩(wěn)態(tài)導熱、二維導熱結合對流溫度場等，使學生了解與把握使用計算機技術解答傳熱傳質問題的方式與方法，使用計算機解決現(xiàn)實問題，并要求學生借助計算機分析軟件完成離散化，填入物理、邊界與時間等參數(shù)，計算代數(shù)方程組，從而獲得計算對象的完整場分布情形。通過這種方式獲得的實驗數(shù)據(jù)與結果是真實實驗所不能比擬的，有助于完善學生的知識體系，提高學生對理論知識的理解與領悟，使學生在了解軟件運用方法的同時，也掌握了探究問題的新途徑與新手段，幫助學生養(yǎng)成良好的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力。

4 結語

綜上所述，高校工程熱力學與傳熱學課程重點闡述了不同能量的轉變，是工程科學的重要學科基礎。實驗教學作為工程熱力學與傳熱學課程教學中極其關鍵的一部分，教師應當注重實驗教學的改革創(chuàng)新，提高對實驗教學的重視程度，優(yōu)化實驗教學內容，創(chuàng)新實驗教學方法，加強學生對課程教學內容的理解，進一步改善課程教學成效。

參考文獻

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