充分發揮專業基礎課中實驗環節的作用

摘要：專業基礎課中的實驗教學對于抽象概念和理論的理解非常重要，是培養大學生的創新意識和探索能力的重要環節。本文以專業基礎課中傳統實驗教學為基礎，以構建綜合性實驗教學和開放實驗室的建設為目標，說明演示性實驗和仿真實驗是對現有實驗條件不足的有力補充。

關鍵詞：專業基礎課；演示性實驗；綜合性實驗；開發實驗室；仿真實驗

一、實驗教學在專業基礎課中的地位及重要性

實驗是科學探索的先導。大學生通過基本實驗教學能掌握基本的實驗技能，能深入理解專業基礎課中的基本理論知識。實驗教學是培養大學生專業領域創新意識和探索能力不可替代的手段。實驗教學已被列為實現創新人才培養目標的重要教學環節。熱能工程、建筑環境與設備工程等專業的專業基礎課包括工程熱力學、傳熱學和工程流體力學。它們普遍存在概念多、理論抽象、公式繁雜等問題，有必要通過實驗環節加強教學方面的理解。本文從專業基礎課的基礎實驗出發，在原有實驗教學體系的基礎上，對專業課程的實驗室建設和教學改革提出一些構想。

二、能源動力類專業的實驗教學體系基礎

《工程熱力學》、《工程流體力學》和《傳熱學》三門課程的實驗是能源動力類專業最為重要的專業基礎課程，一般包括：①換熱器溫差傳熱做功能力損失測定；②水的沸騰過程及其P-T汽化曲線測定；③噴管流動特性實驗；④壓縮機效率測定實驗；⑤制冷循環性能系數ε測定；⑥冷卻塔性能測試實驗；⑦CO2超臨界P-V-T實驗測定；⑧空氣的比熱容的測定；⑨管道內雷諾實驗；⑩能量方程（伯努利方程）實驗等。

1.基礎實驗的作用。河北工業大學能源與環境工程學院熱能工程專業為了充分發揮實驗教學的功能，在實驗課上引導和培養學生的實驗技能及動手能力，理清實驗課教學與專業基礎理論課程的關系，要求學生以嚴謹求實的態度、以科學創新意識積極動手完成實驗，讓學生理解實驗課中實驗現象與教學理論的關系、實驗現象得出的結論在理論教學中的作用以及現象與理論的過渡過程等，以期通過實驗教學環節達到理解抽象理論和概念的目標。首先是基本測量儀器儀表以及測量系統的使用，包括溫度、液位、流量、濕度、流速等基本熱工參數的測量，目的是使學生了解和掌握基本物性參數中測量的基本原理與方法。指導教師在定壓條件下幫助學生完成空氣比熱的測量實驗、金屬熱導率等基本實驗教學，讓學生通過這些實驗過程理解物質屬性的測量方法，并在理論教學上逐步進行專業基礎課的其他相關實驗。

2.演示性實驗在教學中的重要地位。在經費條件有限的情況下，演示性和驗證性實驗可以填充實驗教學中的部分不足。演示性實驗通過直觀視覺反映抽象的概念或理論，對于學生理解抽象概念，印證基本理論有較大幫助，既可以達到鞏固課堂上所學內容的目的，又可以使學生初步熟悉各種儀器設備及其操作規程。比如工程熱力學課程是熱能工程、建筑環境與設備等專業非常重要的專業基礎課之一。它對后續專業課程的學習起著至關重要的作用。這是其本身知識體系所決定的。我們知道熱力學理論是從熱能與機械能相互轉換的實踐中發展起來的，主要內容圍繞熱與功轉換。其中動力循環部分，有較多的抽象的概念，例如熱力學第二定律，開爾文說：“不可能制造出從單一熱源吸熱，使之全部轉化為功而不留下其他任何變化的熱力發動機”。該定律用實驗驗證非常困難，而用仿真實驗則比較容易做到。水的定壓加熱過程實驗，包括水的一點（三相點）、二線（飽和水線、飽和蒸汽線）、三區（過冷水區、汽水兩相共存區、過熱蒸汽區）、五態（過冷水、飽和水、濕蒸汽、飽和蒸汽和過熱蒸汽），加入動畫仿真，學生就很容易掌握水蒸汽的熱力性質。熱力過程和熱力循環中一些內容也可以加入動畫仿真，在教學上引導學生自主分析，從而提高其對知識的理解和對知識的感受能力。工程流體力學可以進行自然循環靜壓傳遞揚水演示實驗水流流動形態及繞流演示實驗、流譜演示實驗、水擊現象演示實驗、虹吸原理演示實驗、空化機理演示實驗、紊動機理演示實驗等。

3.仿真實驗室的建設和健全。仿真實驗室可以利用動畫軟件進行研究演示，在節約財力的基礎上，能部分達到學生理解實驗的目的，特別是大型復雜實驗。相關的例子如《工程熱力學》鍋爐中工質水的定壓加熱過程，由過冷水加熱到飽和水、到飽和蒸汽、再到過熱蒸汽的過程涉及復雜煩瑣的計算，若通過計算機編程技術來計算此過程，不僅可提高計算效率，還可鍛煉學生把編程技術用于工程計算的能力。《水和水蒸氣熱力性質圖表》和《空氣熱力性質圖表》等這些傳統圖表，通過編寫程序的方法使用，可有效降低出錯的可能性。現在很多設計和科研部門已采用一些工具軟件。有一些工具軟件使用的項目，可以借鑒其他高校正在進行的火電機組仿真實驗室的建設和健全。模擬實驗項目有200MW和300MW火電機組的全過程，包括鍋爐啟動前的準備：制粉系統首先投入運行，鍋爐給水系統相繼打開，引風系統相繼作用，系統點火，空氣預熱器配風，相應參數維持到正常運行狀態，汽輪機開始正常沖轉、加負荷、并網等，給水三沖量控制投入，爐膛壁溫的檢測等環節的實施。讓學生通過仿真實驗加深對鍋爐機組、汽輪機機組等主輔設備系統組成和運行原理的認識和理解；通過仿真實驗來理解熱力發電廠中鍋爐給水控制、給煤控制和蒸汽控制系統的基本功能、組成和操作方法；通過模擬實際操作，對現代大型火力發電機組的運行方式進行比較深入的認識，同時對火電機組仿真技術有了一定的了解。學生通過對不同容量火電機組的全工況仿真運行實踐，不僅可以提高動手能力，而且深入理解專業知識，也增加了專業自信。

4.綜合性實驗教學和開放實驗室。逐步建立綜合性實驗教學和開放實驗室是實驗教學的重要環節。綜合性實驗是指實驗內容涉及本課程的綜合知識或與之相關課程的實驗。為了進一步拓展學生的實驗領域和實驗技能，我們以專業基礎課的理論指導開拓綜合性實驗，在有限物力及財力的條件下，通過自行研制設計開發新的實驗內容，在現有設備和熱工系統的基礎上改造原有設備和系統，開發研制具有新功能的系統。例如，在換熱器實驗臺上，把原來的換熱管改成熱管等項目；在利用太陽能集熱器加熱水的系統中，改造其成為小型溴化鋰制冷系統中蒸汽發生器中的熱源。在條件允許的情況下，可組織學生設計和安排實驗的基礎平臺，以激發學生在此方面學習的積極性和探索精神的熱情。目前正在做不同管道（螺紋管、波紋管等）的換熱器的傳熱性能的研發，就讓學生感受到了自主學習和探索的樂趣。我們在開展創新層次實踐平臺的構建，培養學生獨立思考和創新能力方面還需要很多設想，要不斷地將其付諸實現，需要不斷的探索和努力。

依據熱能工程和建筑環境與設備專業基礎課的特點和需求，提出專業基礎課中實驗教學在優化理論課程中的重要地位，并使專業基礎實驗教學項目和教學手段，在教學中得到一體化的建設和整合，可以通過分階段、有重點、分項目地安排實驗教學課程，將傳統的把工程流體力學、工程熱力學和傳熱學的實驗教學分割開來的實驗教學整合為四個階段的實驗教學環境，在不同階段有計劃系統地培養和訓練學生，不斷提高教學效果。高等學校的根本任務是培養人才，無論高素質的工程技術人才還是具有科學探索精神的科技人才都離不開高素質的師資隊伍和科學先進的教學理念以及過硬的實驗教學方法和手段。

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基金項目：河北工業大學校級教學改革項目