《傳熱學(xué)》創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革與建設(shè)

付越　王新偉

摘要：《傳熱學(xué)》作為重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的內(nèi)涵是實(shí)施精英型和研究型本科教育的評(píng)價(jià)體系之一。重組實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，優(yōu)化改革實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，探索因材施教模式，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，建設(shè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革和建設(shè)勢(shì)在必行。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；傳熱學(xué)；創(chuàng)新性；因材施教

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）12-0245-02

《傳熱學(xué)》是現(xiàn)代科學(xué)中最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一，是一門(mén)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析密切結(jié)合的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)《傳熱學(xué)》教學(xué)中占有重要的地位。中國(guó)石油大學(xué)（華東）能源與動(dòng)力工程系承擔(dān)全?！秱鳠釋W(xué)》理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，目前該課程已日臻完善，2013年已通過(guò)省級(jí)精品課的驗(yàn)收。但最薄弱的就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新性思維、培養(yǎng)研究型人才為出發(fā)點(diǎn)[1]，調(diào)整實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，從根本上提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，已成為能動(dòng)系的一個(gè)重要課題。

一、《傳熱學(xué)》實(shí)驗(yàn)課存在的問(wèn)題

目前，《傳熱學(xué)》實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)兩項(xiàng)共4學(xué)時(shí)，均為綜合性試驗(yàn)，雖能滿足基本實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，但長(zhǎng)期形成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、教學(xué)觀念和方式?jīng)]有與時(shí)俱進(jìn)，多以理論驗(yàn)證為主，實(shí)驗(yàn)沒(méi)有體現(xiàn)出設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性。學(xué)生被動(dòng)接受教師安排，實(shí)驗(yàn)過(guò)程按部就班地完成規(guī)定程序，其學(xué)習(xí)自主性和個(gè)性發(fā)展被埋沒(méi)。《傳熱學(xué)》實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革滯后于理論教學(xué)改革的進(jìn)程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系落后于專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，沒(méi)有形成分門(mén)別類(lèi)、因材施教的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性亟待提高，否則對(duì)定理的驗(yàn)證及參數(shù)的測(cè)定具有影響。

二、《傳熱學(xué)》創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的設(shè)計(jì)和構(gòu)想

（一）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)是做好綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的前提，重點(diǎn)是讓學(xué)生掌握基本的熱物理量的測(cè)量方法、熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理[2]。在利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)置“探針?lè)y(cè)泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)”和“熱電偶測(cè)溫”等實(shí)驗(yàn)，在驗(yàn)證《傳熱學(xué)》基礎(chǔ)理論的前提下，使學(xué)生具備基本的實(shí)驗(yàn)操作技能，在實(shí)驗(yàn)中掌握電位差計(jì)的原理與使用、熱電偶的焊接、熱電偶測(cè)溫線路和電路的連接方法，為綜合設(shè)計(jì)性試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

（二）綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

1.優(yōu)化“Bi<0.1的物體在空氣中的冷卻規(guī)律”實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)步驟靈活化、操作過(guò)程自由化。教師只為學(xué)生提供銅柱、熱電偶、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、焊接器材等一些基本材料和工具，將原來(lái)制作好的銅柱、安裝好的熱電偶及連接好的測(cè)溫線路等改由學(xué)生自行制作和組裝，獨(dú)立設(shè)計(jì)多點(diǎn)測(cè)溫線路。改變?cè)蓪W(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)和教師講解的形式[3]，由學(xué)生組成實(shí)驗(yàn)小組，在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下通過(guò)查閱文獻(xiàn)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

2.完善原“橫管自然對(duì)流傳熱規(guī)律”實(shí)驗(yàn)。原實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只包含“傳導(dǎo)”和“對(duì)流”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，“輻射”涉及的部分如加熱管的黑度直接給出，學(xué)生操作部分也過(guò)于機(jī)械和程序化。完善“傳導(dǎo)”、“對(duì)流”和“輻射”等綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加“輻射時(shí)物體黑度測(cè)試”的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使整節(jié)實(shí)驗(yàn)課更加飽滿和充分[4]。教師給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)裝置的連接和實(shí)驗(yàn)方案的制訂由學(xué)生分成實(shí)驗(yàn)小組，通過(guò)課外查閱資料完成。

3.增設(shè)“空氣強(qiáng)迫對(duì)流平均換熱系數(shù)測(cè)定”綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)使空氣在橫掠單管、橫掠圓柱、橫掠平板時(shí)比較三種情況的強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)、邊界層內(nèi)速度分布和邊界層溫度的不同變化規(guī)律，整理出準(zhǔn)則方程式。增設(shè)“等截面伸展體內(nèi)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度分布的測(cè)定”的綜合實(shí)驗(yàn)，掌握等截面穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱規(guī)律，鼓勵(lì)學(xué)生自由靈活應(yīng)用熱電偶、電位差計(jì)、畢托管、分壓箱、熱線風(fēng)速儀、微壓計(jì)等實(shí)驗(yàn)器材，從實(shí)驗(yàn)方案的擬訂到實(shí)行，從實(shí)驗(yàn)儀器的組裝到調(diào)試，包括測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理全部由學(xué)生自主完成。

（三）開(kāi)放研究性實(shí)驗(yàn)

把科研引入教學(xué)，建設(shè)熱工開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，將課外科研活動(dòng)與競(jìng)賽相結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生參與科學(xué)研究試驗(yàn)。依托實(shí)驗(yàn)室的條件積極參加國(guó)內(nèi)各類(lèi)科技競(jìng)賽，如“全國(guó)節(jié)能減排大賽”、“大學(xué)生科技競(jìng)賽”及各種創(chuàng)造發(fā)明。實(shí)驗(yàn)室根據(jù)科研項(xiàng)目情況發(fā)布開(kāi)放研究型實(shí)驗(yàn)題目，吸收優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參加實(shí)驗(yàn)。本著以興趣出發(fā)的原則，根據(jù)自己的專(zhuān)業(yè)背景和興趣選作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師融入到學(xué)生中，與學(xué)生進(jìn)行雙向的交流，采用提示和設(shè)疑的方法讓學(xué)生運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)去尋找問(wèn)題和答案[5]。為了將課外科研活動(dòng)經(jīng)?；?、制度化和常規(guī)化，將學(xué)生參加開(kāi)放研究性實(shí)驗(yàn)的經(jīng)歷和成果與推優(yōu)保研相掛鉤，提高學(xué)生的參與意識(shí)。

三、《傳熱學(xué)》實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的提高

在傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，熱電偶測(cè)溫貫穿始終。在實(shí)驗(yàn)課中發(fā)現(xiàn)，熱電偶測(cè)溫誤差的產(chǎn)生影響了理論驗(yàn)證的契合度和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜合分析實(shí)驗(yàn)中包括系統(tǒng)誤差、粗大誤差和隨機(jī)誤差在內(nèi)的各種誤差的影響，其中由熱電偶低溫點(diǎn)帶來(lái)的誤差影響最大，因此對(duì)熱電偶測(cè)溫冷端補(bǔ)償十分關(guān)鍵。

1.0℃恒溫法（冰浴法）。在實(shí)驗(yàn)課中，采用冰點(diǎn)參考端，即將水制成的冰用錘子制成冰塊，與水混合后裝入保溫瓶，再將熱電偶的參考端插入即可。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，此方法不佳。實(shí)驗(yàn)環(huán)境因?yàn)槎嘟M燒杯中熱水的沸騰，使環(huán)境溫度較高，冰瓶雖然有保溫瓶的隔熱作用也不能保證冰在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不融化?！秱鳠釋W(xué)》實(shí)驗(yàn)課作為全校專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課，上課班級(jí)多，冰屑需求量大，因不能及時(shí)向保溫瓶里添加新冰，導(dǎo)致冷端溫度很難保證一直為0℃。終上所述，冰浴法并不能很好的解決冷端補(bǔ)償問(wèn)題。

2.補(bǔ)償導(dǎo)線法。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線是在一定溫度范圍內(nèi)（包括常溫）具有與所匹配熱電偶熱電勢(shì)相同標(biāo)稱(chēng)值的一對(duì)帶有絕緣層的導(dǎo)線，這些導(dǎo)線代替原有熱電極將熱電偶的自由端延伸出來(lái)，延伸到溫度穩(wěn)定的空間以保證冷端溫度恒定。每一種熱電偶都有與其相配的補(bǔ)償導(dǎo)線，選擇補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)一定要根據(jù)熱電偶的型號(hào)來(lái)選擇。否則不但起不到補(bǔ)償作用，可能還會(huì)加大誤差。如原來(lái)的熱電偶線為貴金屬線，延長(zhǎng)導(dǎo)線可選用便宜金屬來(lái)降低成本。因?yàn)槲蚁禑峁?shí)驗(yàn)中所使用的熱電偶為廉價(jià)的鎳鉻考銅熱電偶，所以補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶的材料相同。使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極必須與熱電偶的正、負(fù)極同名端對(duì)應(yīng)相接，正、負(fù)兩極的接點(diǎn)溫度t0應(yīng)保持相同。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，可使相對(duì)誤差降低0.9%。

3.熱電勢(shì)計(jì)算修正法。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是起延伸電極的作用，補(bǔ)償導(dǎo)線冷端溫度依然不為0℃，儀表接點(diǎn)也不為0℃，沒(méi)有從根本消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，因此還需要采取其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度T0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)量的影響。根據(jù)中間溫度定律，熱電偶回路兩接點(diǎn)（溫度為T(mén)、T0）間的熱電勢(shì)等于熱電偶在溫度為T(mén)、Tn時(shí)的熱電勢(shì)與在Tn、T0時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和，Tn稱(chēng)為中間溫度。即：

E（T，T0）=E（T，Tn）+E（Tn，T0） （1）

式中：E（T，T0）——冷端溫度在0℃時(shí)的條件下熱電偶的熱電勢(shì)；E（T，Tn）——熱電偶在溫度為T(mén)、Tn時(shí)的熱電勢(shì)；E（Tn，T0）——熱電偶在溫度為T(mén)n、T0時(shí)的熱電勢(shì)。

以《Bi<0.1的物體在空氣中的冷卻規(guī)律》為例，測(cè)試銅柱在沸水中的溫度。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)了某班級(jí)30名學(xué)生對(duì)銅柱初始溫度測(cè)得的電勢(shì)差平均值為5.2827mv，平均室溫為25.2℃，學(xué)生沒(méi)有考慮到當(dāng)冷端溫度不為0℃時(shí)，室溫與熱電偶之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，而是利用已知回路實(shí)際熱電勢(shì)5.2827mv查表求取溫度為78.7℃再加上平均室溫25.2℃，最終得到銅柱的初始溫度值為103.9℃。如果根據(jù)上式對(duì)熱電勢(shì)進(jìn)行修正，分別通過(guò)鎳鉻—考銅熱電偶分度表首先查得溫度在（25.2℃，0℃）之間的電勢(shì)差為1.6218mv，1.6218+5.2827=6.9045mv，查分度表為101.3℃，相對(duì)誤差降低了2.6%，大大提高了測(cè)量精度。

四、結(jié)語(yǔ)

此次《傳熱學(xué)》實(shí)驗(yàn)改革在2012級(jí)各專(zhuān)業(yè)進(jìn)行了實(shí)踐，在重新構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)體系下，突出了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的綜合性和設(shè)計(jì)性，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新性思維的發(fā)展。因材施教的授課模式，使學(xué)生由被動(dòng)變主動(dòng)，個(gè)人興趣、目標(biāo)和發(fā)展方向有的放矢。通過(guò)對(duì)熱電偶冷端補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確率得到了大大提高。這次《傳熱學(xué)》實(shí)驗(yàn)課改革，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，也更好地踐行了我?！皩?shí)施精英型本科教育、打造特色型本科教育、推進(jìn)研究型本科教育”的辦學(xué)宗旨。

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