工程熱力學實驗教學改革探索

摘要：實踐教學是課程教學的重要環節，是培養學生動手能力和創新能力的重要途徑。分析了以往工程熱力學實驗教學存在的問題，介紹了當前在實驗內容、教學方法、實驗考核等方面進行的教學改革探索。

關鍵詞：工程熱力學；實驗教學；教學改革

作者簡介：江海斌（1975-），男，浙江溫嶺人，嘉興學院建筑工程學院，實驗師；吳曉艷（1980-），女，山東萊西人，嘉興學院建筑工程學院，講師。（浙江 嘉興 314001）

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0152-02

當前就業形勢較為嚴峻，就業市場競爭很激烈，用人單位對大學生的素質要求越來越高，導致越來越注重學生的理論與實踐相結合的綜合能力。[1]嘉興學院作為一所應用型本科院校，其教育是以培養高級應用本科人才為目標，這既不同于以側重研究能力培養為目標的重點高校本科生教育，又與以單純的技能培養為目標的高職院校教育有所區別，而是在強調基本理論知識重要性的同時，加強知識的應用和基本技能的培養。

“工程熱力學”課程是工科熱能動力類專業的一門重要的專業基礎課，其實驗教學作為理論聯系實際的主要環節，是實踐教學的重要內容，是學生鞏固和深化理解理論知識的重要途徑，也是學生掌握基本實驗方法，養成實事求是、嚴謹的科學作風的重要途徑。[2，3]因此，為適應人才培養的要求，應重視工程熱力學的實驗教學，積極探索和改革該課程的實驗教學。

一、以往工程熱力學實驗教學中存在的問題

1.對實驗課程重視不夠

在中學階段，很多初、高中學校為了提高學校的升學率，對理論課的重視程度遠遠超過實踐課程，往往將實驗課占用來上理論課，無形中使學生養成了重理論輕實踐的習慣。進入大學后，學生本應該充分發揮自己的想象力和創新力，利用學到的知識，驗證、設計和創新各種實驗。然而受錯誤習慣的影響，很多學生輕視教學實驗，認為實驗課可上可不上，認為實驗教學的作用最多只是幫助了解理論知識。也有一些教師對實驗課程的重要性認識不足，特別是對驗證型實驗，認為在指導書上已經有了實驗結果，只要記住結果就行，做不做以及如何做對學生掌握知識幫助不大。

2.實驗教學內容不合理

“工程熱力學”課程是一門專業基礎課，理論概念復雜，公式繁多，要掌握這些概念與公式，非常需要通過實驗來加深理解和鞏固，但在教學過程中，該課程的實驗課時設置較少，實驗教學內容不合理。以嘉興學院為例，設置了氣體定壓比熱測定、二氧化碳臨界狀態觀測及P-V-T關系測定以及噴管實驗等三個實驗，共六個課時，實驗的課時數較少，涉及的知識點較少，不能涵蓋本課程的重點內容，并且這些實驗大多是驗證性實驗，實驗結論在相關資料中就能查到，不能充分激發學生探索創新的興趣。

3.實驗教學方法不合理

實驗教學方法比較單調，實驗教學時教師通常先講解實驗目的和原理，介紹實驗設備以及實驗步驟和實驗過程中的注意事項，再演示實驗過程，然后再讓學生自己動手實驗。在此過程中，學生被動地學習、模仿教師做實驗，對實驗過程中出現的各種疑問沒有興趣，往往是人在心不在。[4]當他們動手做實驗時，還是不能獨立進行實驗，要么參考實驗指導書做，要么請教教師。對于實驗步驟只知道要如何做，不知道為什么要這樣做，所以實驗效果大打折扣，難以較快地提高學生的動手能力和創新能力。學生的實驗數據經常出現錯誤，卻不知道錯在什么地方，數據處理的方法也不夠科學嚴謹，而實驗報告也常有抄襲現象。

4.實驗考核方式不全面

“工程熱力學”課程的成績包括實驗成績和理論課成績，通常實驗成績只占該課程成績的20%左右。實驗成績通常由出勤紀律（10%）、實驗操作（50%）、實驗報告（40%）三部分組成。實驗成績占總成績的分值較低，使很多學生認為只要學好理論課就能使課程成績及格，甚至還可能拿到高分。由于過于強調實驗操作與實驗報告的重要性，學生在實驗過程中因怕實驗錯誤而被扣分，就會按部就班地按照教師講解的或指導書上的步驟進行，不思考、探索和創新；為獲得較好的實驗報告成績，個別同學抄襲其他學生的數據和問題討論，甚至修改實驗數據，以達到理論分析的預期結果。因此，現有的考核方式不能很好地促進學生的實踐能力和創新能力的培養。

二、工程熱力學實驗教學改革的探索

1.重視實驗教學

教師和學生都要將實驗教學環節作為工程熱力學教學中的重要環節來對待。實驗教學的效果取決于能否激發學生對實驗的強烈興趣，實驗教師和理論課教師需要認真細致地準備實驗的各個環節，正確引導學生動手做實驗。學生也要養成良好的實驗習慣，實驗前要預習實驗目的、實驗原理等，了解實驗裝置，以及查找相關資料，對本次實驗的目的、原理、如何設計和進行實驗以及可能得到的結果要有充分的認識。實驗時要專心致志，邊動手做邊思考問題。實驗結束時先整理和分析實驗數據，再清理實驗臺，發現實驗數據異常時能及時重做。做完實驗后，要認真填寫實驗報告，進行必要的探討和總結。對每個實驗都要總結出實驗成功之處和不足之處，使下次實驗能做到揚長避短，得到滿意的實驗效果。

2.改革實驗教學內容

原有工程熱力學實驗只有氣體定壓比熱測定、二氧化碳臨界狀態觀測及P-V-T關系測定以及噴管實驗三個實驗，實驗數量較少，實驗時間較短，僅有一個綜合型實驗。在實驗教學過程中發現，學生對實驗的積極性不高，對學生加深掌握理論知識的幫助不明顯。因此，需要增加實驗課時數，優化實驗教學內容，使實驗目的、內容能覆蓋重要知識點。實驗教學內容應主要改革以下兩方面：

一是增加一些設計型、綜合型的實驗項目。比如為加深對氣體熱力過程的理解，可以讓學生設計一個閉口系統的實驗，進行氣體的定容、定壓、定溫以及定熵等基本熱力過程，測量有關參數，掌握這些熱力工程的變化規律。還可以增加熱力學第一定律、熱力學第二定律、動力循環和制冷循環等重要知識點的設計型、綜合型實驗。

二是將原來驗證型實驗改成設計型實驗。比如將定壓比熱實驗中的測溫元件由溫度計改成熱電偶或熱電阻元件，將采集到的數據輸入到巡檢儀中，應用VC或VB語言編寫一個應用軟件，將巡檢儀上的測量數據輸入到電腦中并顯示這些數據，同時計算并顯示出空氣的定壓含濕量、質量流量、水蒸氣流量、水蒸氣吸收的熱量、干空氣的定壓比熱等值，且畫出比熱隨溫度變化的曲線。學生在該過程中加深了對實驗原理及方法的掌握，在學習中激發了學習興趣，并且學會了使用VC或VB語言來解決專業知識的有關問題，提高了自己學習和解決問題的能力。

3.改革實驗教學方法

（1）采用“啟發式”實驗教學，激發學生的發散性思維。不采用傳統的教師講解、演示實驗，然后學生進行實驗的方法，而是告訴學生實驗的目的和原理，讓學生自己探索合理的實驗方案和步驟。學生可以以小組為單位開討論會，根據實驗的目的和原理提出幾種實驗方案，比較各種方案的優缺點，然后確定最優方案，根據最優方案討論并確定實驗的步驟。在小組確定最優方案和步驟后，再在班級里進行討論，小組成員對教師和班級其他同學提出的問題進行解答，采納建設性的建議，進一步完善實驗方案和步驟。對于設計型實驗，還要先進行可行性論證，再進行方案設計和步驟設計。實驗過程中，學生是“主角”，自主進行討論和設計，教師是“配角”，只對整個過程進行監控，對學生遇到的困難問題進行啟發性指導。

（2）應用現代科學技術輔助實驗教學，使學生加深對相關理論和實驗知識的了解。主要采用以下兩種方法：

一是制作實驗視頻。將每次的實驗制作成視頻，實驗開始前播放相關視頻內容，指導學生進行實驗。視頻內容可以涉及安全教育和實驗注意事項、實驗內容、問題與解答以及實驗經驗與教訓等方面。安全教育和實驗注意事項主要包括實驗人身安全、設備安全和實驗的相關注意事項等內容，比如在二氧化碳臨界狀態觀測及P-V-T關系測定實驗中，要注意用電安全以防觸電、壓力的間隔為0.2～0.5MPa、加壓過程要緩慢進行，施加的壓力不得超過10MPa等內容。實驗內容可以包括實驗目的、原理、方案設計、步驟設計、實驗結果等，也可以是以往學長們的實驗內容，包括以往實驗過程中出現的問題、討論過程、問題的解答、實驗結果等，以及評價他們的實驗效果。最后將成功的實驗成果和失敗的實驗結果顯示出來，總結出經驗和教訓。

二是運用專業CFD軟件，對部分實驗進行數值模擬。工程熱力學實驗中氣體定壓比熱測定實驗、噴管實驗和定容、定壓、定溫以及定熵等基本熱力過程實驗等可以進行數值模擬。將數值模擬的初始參數設置成與實驗的參數相同后進行數值模擬，得出的模擬結果與實驗結果進行比較，以檢驗數值模擬方法的正確性。改變不同的初始參數，然后使用驗證后的數值模擬方法，可以方便地預測實驗結果，獲得比真實實驗更豐富的結果，比如可以用動畫形象地演示實驗過程，幫助學生理解實驗，還可以得到真實實驗難以得到的數據，比如溫度場、速度場、壓力場、流線等。使用CFD軟件進行數值模擬實驗拓寬了學生的知識面，學生既學會了軟件的使用，學到了研究問題的新方法，又初步掌握了專業理論知識的運用，加深了對專業理論和實驗知識的理解。

4.完善實驗考核方式

重視實驗考核，建立更科學的考核體系。提高實驗成績在“工程熱力學”課程成績中的比重，并實現實驗成績“一票否決”，也就是說如果實驗成績不合格，“工程熱力學”課程成績也不合格。實驗過程既是個人運用專業理論知識的過程，更是小組共同合作與創新的過程，因此以小組為單位進行考核比較合理。實驗考核成績由專業理論知識、實驗過程中的問題回答、實驗操作、實驗設計以及實驗創新、實驗報告等幾部分成績組成。實驗成績要充分體現學生的動手能力和創新能力等，這有利于激發學生的學習興趣、提高自己的能力。

三、結語

工程熱力學實驗是“工程熱力學”課程教學的重要組成部分，也是“工程熱力學”課程教學非常重要的實踐性環節。實驗教學應理論與實踐相結合，引導學生拓展知識面，充分激發學生的學習興趣，努力提高學生的動手能力和創新能力。培養學生養成實事求是、科學嚴謹的作風，提高獨立分析問題、解決問題的能力。實驗指導教師要完善知識結構，提高專業水平，轉變教學觀念，更新實驗教學內容，改革實驗教學方法和考核方式，切實提高實驗教學質量，培養適應社會需求的專業人才。

參考文獻：

[1]劉升，林希峰.實驗教學改革中的創新項目[J].中國冶金教育，2012，（1）：57-59.

[2]崔磊，潘天泉，劉宏偉.工程熱力學實驗課程改革的探討[J].教育與職業，2011，（23）：169-170.

[3]馮國增，聶宇宏，夏莉，等.“程熱力學”教學過程中大學生綜合素質培養的研究和實踐[J].制冷與空調，2012，26（1）：90-92.

[4]史寶中，周騰蛟，吳隆坤.關于高校實驗教學改革的思考[J].黑龍江教育學院學報，2012，31（2）：65-66.

（責任編輯：孫晴）