開放式立體化熱工實驗教學實踐與探索

宋福元　張國磊　孫寶芝　高峰　張鵬　劉博

摘要：實踐教學是高校教學工作的重要組成部分，是培養學生創新精神、實踐能力和就業競爭力的有效途徑。熱工實驗是能源動力類熱工理論教學的重要組成部分，文章在總結了我校近年來熱工實驗教學改革的經驗及實施全面素質教育要求的基礎上，提出了開放式立體化熱工實驗教學的人才培養模式。

關鍵詞：熱工實驗；教學改革；素質教育

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）52-0145-02

黨的十七大提出“優先發展教育，建設人力資源強國”，要求全面貫徹黨的教育方針，實施素質教育，更新教育觀念，深化教學內容方式改革，提高學生綜合素質。從我國教育實際出發，素質教育的目標要突出兩個重點，就是要以培養學生的創新精神和實踐能力為重點。高校的實驗教學在本科教學中占有重要的地位，在培養學生的科學精神和創新思維、分析和解決問題的能力、提高綜合素質等方面起著積極的作用。本文結合我校的熱工實驗教學實踐經驗及實施全面素質教育教學要求，在構建熱工實驗教學新體系、優化實驗資源、開放實驗管理、開發綜合性實驗裝置、強化自主實驗能力培養、豐富考評手段、編寫高水平教材等方面進行改革，逐步形成開放式立體化熱工實驗教學新模式。

一、優化整合，構建實驗教學新體系

圍繞學校辦學定位和人才培養目標，結合課題的研究，積極開展開放式立體化實驗教學，以學校大力推動實驗室開放教學和加大實驗教學設備投入為契機，重新設計熱工實驗教學體系。按內容分段、分級，建立了基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗三級教學平臺。建設跨專業、跨院系，面向本科生開設基礎類型實驗課，按照理論課學習的內容和進度進行設置，如傳熱學學完導熱理論部分，可開設準穩態法測量絕熱材料導熱系數測定實驗，幫助理解無限大平板的第二類邊界條件的非穩態導熱的基本原理；工程熱力學學完比熱容的概念后，可開設空氣定壓比熱容測量實驗；學完水和水蒸氣的熱力性質，可開設水蒸汽飽和壓力與飽和溫度關系實驗等，培養學生的觀察能力、理論聯系實際的能力，培養學生的實驗技能，包括常用儀表的原理與使用，綜合應用性實驗如大容積沸騰規律實驗，風洞中橫吹單管、多管對流換熱規律實驗，等等，可培養學生綜合所學知識分析問題、解決問題的能力；計性實驗可培養學生創新意識、獨立實踐能力，實驗室要準備好足夠數量的可搭建實驗平臺的各種單元組件、小型工具、量測儀表等，以供學生獨自搭建、改建實驗平臺時選用。碩士研究生、博士研究生在其研究課題方向查閱資料、設計實驗方案等，培養學生的實際能力。形成了對學生創新意識、工程觀念和動手能力進行綜合培養的開放式、立體化的實驗教學新體系，該體系將知識與能力培養有機結合起來，充分調動了學生自主學習的積極性。

二、優化實驗室管理，全面開放實驗室

建立了“資料檔案化，制度規范化，資源共享”的科學實驗室管理模式。在優化實驗室管理的基礎上，全面開放實驗室，組織課外興趣小組開展課外科技活動和競賽等多種形式，營造培養學生創新能力的良好氛圍。搞好開放實驗室、組織興趣小組、開展課外科研活動和競賽等第二課堂活動，是深化立體化、開放式熱工實驗教改的重要方面，也是培養學生創新能力、全面推進素質教育的重要途徑。學生可以充分利用實驗室資源，推進不同層次學生的開放式教學。每年組織學生利用所學的工程熱力學、傳熱學基本知識進行科技創新，如太陽能利用方面，先后獲得3項全國大學生科技創新項目，在太陽能光電轉換、光熱裝換、太陽能儲存、太陽能光電光熱一體化技術等方面取得了一定的成果。在污水源熱泵、熱電冷聯供的沼氣綜合利用、斯特林發動機等方面參加全國挑戰杯、全國節能減排大賽，屢獲佳績，激發了學生的學習熱情。

三、改進教學方法，強化自主實驗能力培養

從我校的實踐看，單就熱工實驗以及相關的實驗教學，實驗硬件設施的質和量都有了很大的提高。教學方法可謂形式多樣、內容豐富，采用多媒體教學形式，研制多媒體教學軟件，虛擬仿真實驗課件，開發網絡教學管理系統，建立實驗室教學網站，將實驗課程信息、教學視頻、多媒體課件、虛擬實驗課件等上傳教學網站，虛擬仿真課件。學生可以隨時登陸網站查詢實驗室儀器設備狀況，以便安排自己的時間進行實驗。通過多媒體課件預習相關實驗內容，了解實驗原理、實驗方法以及儀器設備的使用，通過虛擬仿真實驗課件根據實際實驗步驟進行實驗模擬操作，掌握實驗步驟及儀器設備操作方法，為現場實驗操作打下良好的基礎。在實驗過程中學生可自主實驗，教師只進行現場指導及考評。在實驗教學中注意培養學生的創新意識、工程觀念、動手能力。學生通過教學網站可以進行課后復習，鞏固實驗教學內容，通過實驗教學來輔助理論教學。通過立體化教學手段，引導學生設計實驗，指導學生撰寫小論文、課程設計和學術論文等，進行創造性教學，激發學生的學習主動性和積極性。

四、增強學習動力，建立考核機制

用新穎、有趣的實驗內容來增強學生對實驗的興趣，變被動學習為主動學習，是增強學習動力的一個有效途徑，是從事實驗教學的教師一直所努力的方向，但并不是所有的實驗都是那么有趣的，更不能讓一些學生因為對實驗沒有興趣就敷衍了事。對學生的實驗訓練有一定的強制性，要針對實驗教學建立有效的考核制度。每個實驗都應該有明確的實驗目的和培養目標，對成績的評定，不能以是否參加實驗作依據，而是要以是否達到培養目標為標準。將詳細的考核方法在熱工實驗課程要求中加以規定，對所有實驗課程項目，根據預習實驗、現場實驗態度、實驗組織、實驗操作、實驗結果和實驗報告等全程、客觀、全面、公正地評定學生的實驗成績。考核成績的組成為：預習成績占20%，實驗過程占50%，實驗報告占30%。

五、開發研制高水平綜合性、設計性創新實驗平臺

充分挖掘實驗室的潛力，結合科研項目，開發綜合性、設計性實驗平臺，對本科生、研究生開放。比如實驗室利用校基金及實驗教學建設經費，組織學生自主開發了渦流管綜合實驗平臺。該實驗平臺可進行渦流管進出口流量、溫度、壓力及內部溫度分布、壓力分布等測試，對渦流管能量分離效率進行評定，并進行渦流管能量分離機理研究；本科生在實驗臺上學習和了解渦流管的工作基本原理，可自主設計渦流管的結構，如改變渦流室的直徑、噴嘴的形狀及尺寸、分離孔板的直徑、熱端管的長度、熱端閥的形狀等主要結構參數，通過實驗研究這些參數對冷熱氣體分離效果的影響，優化渦流管的結構，使學生掌握狹小空間溫度場、壓力場的測量方法及測試儀表的使用，培養學生的創新能力。碩士生通過實驗研究渦流管內部流場、溫度場、壓力場側向手段及測量方法，研究并設計測量儀器，結合數值模擬的手段獲得渦流管內部氣體流動規律、溫度分布規律及壓力分布規律，利用流體力學、傳熱學、工程熱力學等基本理論揭示渦流管能量分布規律。

六、編寫高水平教材

在熱工領域許多教師的共同努力下，目前內容成熟、教學適應性好的“熱工實驗”指導有很多。但是由于每所學校的側重點不同，硬件條件不同，所開設的實驗項目也不一樣，因此沒有統一的實驗教材，經過熱工實驗課程組討論，為適應新的教學要求，深入研究教學規律，結合實驗教學改革，重新編寫了熱工實驗教材。在總結多年的教學經驗及實踐教學新的需求的基礎上，將熱工實驗分成兩部分來編寫，并將實驗內容按照新規劃的熱工實驗教學體系，將熱工參數基本測量及基本測量儀器設備補充進來，實驗按照基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗及自主實驗來劃分。正式出版了工程熱力學實驗、傳熱學實驗等教材。通過以上教學改革與實踐，逐步形成了開放式立體化的熱工實驗教學模式，學生可以通過預約隨時到實驗室進行相關實驗，對自己感興趣的課題進行研究，通過申請可以利用實驗室現有的實驗儀器和設備進行科技創新，真正實現了開放式教學。學生可以通過教材、教學網站、教學課件及實驗過程虛擬仿真等手段進行實驗內容的課前預習，學習實驗儀器的使用，結合現場教學，真正實現立體化的實驗教學模式。實驗室通過多年運行，熱工實驗課程每年使我校動力與能源工程學院、核科學與技術學院、航天與建筑工程學院、國際合作學院等院系的能源動力工程專業、輪機工程專業、核科學與核技術、核反應堆工程、核技術、建筑環境與設備、飛行器設計、船舶與海洋工程等相關專業30多個班的近1000多名本科生以及相關動力工程及工程熱物理等相關學科的研究生受益，并取得了良好的教學效果。其中部分本科生、研究生利用綜合實驗平臺進行研究性實驗和創新性實驗研究，在《化工學報》、《機械工程學報》、《哈爾濱工程大學學報》等雜志發表相關研究論文20余篇，EI收錄6篇。通過科技創新，獲得國家級大學生科技創新項目10項，獲得省級以上科技創新一等獎5項、2等獎10項。

參考文獻：

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