《傳熱學》創新性實驗教學體系的改革與建設

付越　王新偉

摘要：《傳熱學》作為重要的基礎學科之一，其實驗教學體系的內涵是實施精英型和研究型本科教育的評價體系之一。重組實驗項目，優化改革實驗性質，探索因材施教模式，提高實驗的準確性，建設創新性實驗教學體系的改革和建設勢在必行。

關鍵詞：實驗教學；傳熱學；創新性；因材施教

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）12-0245-02

《傳熱學》是現代科學中最重要的基礎學科之一，是一門實驗研究和理論分析密切結合的學科，實驗教學在整個《傳熱學》教學中占有重要的地位。中國石油大學（華東）能源與動力工程系承擔全?！秱鳠釋W》理論和實驗教學任務，目前該課程已日臻完善，2013年已通過省級精品課的驗收。但最薄弱的就是實驗教學，以訓練學生創新性思維、培養研究型人才為出發點[1]，調整實驗課程內容，從根本上提高實驗教學質量，已成為能動系的一個重要課題。

一、《傳熱學》實驗課存在的問題

目前，《傳熱學》實驗開設兩項共4學時，均為綜合性試驗，雖能滿足基本實驗學時，但長期形成的實驗教學模式、教學觀念和方式沒有與時俱進，多以理論驗證為主，實驗沒有體現出設計性和創新性。學生被動接受教師安排，實驗過程按部就班地完成規定程序，其學習自主性和個性發展被埋沒?！秱鳠釋W》實驗項目較少，實驗教學改革滯后于理論教學改革的進程，實驗教學體系落后于專業培養目標，沒有形成分門別類、因材施教的實驗教學體系；實驗過程中測試數據的準確性亟待提高，否則對定理的驗證及參數的測定具有影響。

二、《傳熱學》創新性實驗教學體系的設計和構想

（一）基礎性實驗

基礎性實驗是做好綜合性和設計性實驗的前提，重點是讓學生掌握基本的熱物理量的測量方法、熱工基礎實驗設備的使用以及實驗數據的處理[2]。在利用實驗室現有設備的基礎上，設置“探針法測泡沫的導熱系數”和“熱電偶測溫”等實驗，在驗證《傳熱學》基礎理論的前提下，使學生具備基本的實驗操作技能，在實驗中掌握電位差計的原理與使用、熱電偶的焊接、熱電偶測溫線路和電路的連接方法，為綜合設計性試驗打下基礎。

（二）綜合設計性實驗

1.優化“Bi<0.1的物體在空氣中的冷卻規律”實驗，使實驗步驟靈活化、操作過程自由化。教師只為學生提供銅柱、熱電偶、轉換開關、焊接器材等一些基本材料和工具，將原來制作好的銅柱、安裝好的熱電偶及連接好的測溫線路等改由學生自行制作和組裝，獨立設計多點測溫線路。改變原由學生按照實驗指導書和教師講解的形式[3]，由學生組成實驗小組，在實驗教師的指導下通過查閱文獻自行設計實驗方案和實驗過程。

2.完善原“橫管自然對流傳熱規律”實驗。原實驗項目只包含“傳導”和“對流”的實驗項目，“輻射”涉及的部分如加熱管的黑度直接給出，學生操作部分也過于機械和程序化。完善“傳導”、“對流”和“輻射”等綜合實驗項目，增加“輻射時物體黑度測試”的實驗環節，使整節實驗課更加飽滿和充分[4]。教師給出實驗目的，實驗裝置的連接和實驗方案的制訂由學生分成實驗小組，通過課外查閱資料完成。

3.增設“空氣強迫對流平均換熱系數測定”綜合設計性實驗，通過使空氣在橫掠單管、橫掠圓柱、橫掠平板時比較三種情況的強迫對流換熱系數、邊界層內速度分布和邊界層溫度的不同變化規律，整理出準則方程式。增設“等截面伸展體內穩態導熱溫度分布的測定”的綜合實驗，掌握等截面穩態導熱規律，鼓勵學生自由靈活應用熱電偶、電位差計、畢托管、分壓箱、熱線風速儀、微壓計等實驗器材，從實驗方案的擬訂到實行，從實驗儀器的組裝到調試，包括測實驗數據的整理全部由學生自主完成。

（三）開放研究性實驗

把科研引入教學，建設熱工開放實驗室，將課外科研活動與競賽相結合，鼓勵學生參與科學研究試驗。依托實驗室的條件積極參加國內各類科技競賽，如“全國節能減排大賽”、“大學生科技競賽”及各種創造發明。實驗室根據科研項目情況發布開放研究型實驗題目，吸收優秀學生進入實驗室參加實驗。本著以興趣出發的原則，根據自己的專業背景和興趣選作實驗項目。在實驗過程中，教師融入到學生中，與學生進行雙向的交流，采用提示和設疑的方法讓學生運用專業知識去尋找問題和答案[5]。為了將課外科研活動經?；⒅贫然统Ｒ幓?，將學生參加開放研究性實驗的經歷和成果與推優保研相掛鉤，提高學生的參與意識。

三、《傳熱學》實驗準確性的提高

在傳熱學實驗過程中，熱電偶測溫貫穿始終。在實驗課中發現，熱電偶測溫誤差的產生影響了理論驗證的契合度和測試結果的準確性。綜合分析實驗中包括系統誤差、粗大誤差和隨機誤差在內的各種誤差的影響，其中由熱電偶低溫點帶來的誤差影響最大，因此對熱電偶測溫冷端補償十分關鍵。

1.0℃恒溫法（冰浴法）。在實驗課中，采用冰點參考端，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。但在實際應用中發現，此方法不佳。實驗環境因為多組燒杯中熱水的沸騰，使環境溫度較高，冰瓶雖然有保溫瓶的隔熱作用也不能保證冰在實驗過程中不融化?！秱鳠釋W》實驗課作為全校專業的基礎課，上課班級多，冰屑需求量大，因不能及時向保溫瓶里添加新冰，導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償問題。

2.補償導線法。熱電偶補償導線是在一定溫度范圍內（包括常溫）具有與所匹配熱電偶熱電勢相同標稱值的一對帶有絕緣層的導線，這些導線代替原有熱電極將熱電偶的自由端延伸出來，延伸到溫度穩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償導線，選擇補償導線時一定要根據熱電偶的型號來選擇。否則不但起不到補償作用，可能還會加大誤差。如原來的熱電偶線為貴金屬線，延長導線可選用便宜金屬來降低成本。因為我系熱工實驗中所使用的熱電偶為廉價的鎳鉻考銅熱電偶，所以補償導線和熱電偶的材料相同。使用補償導線時，補償導線的正、負極必須與熱電偶的正、負極同名端對應相接，正、負兩極的接點溫度t0應保持相同。通過實驗驗證，在相同實驗條件下，可使相對誤差降低0.9%。

3.熱電勢計算修正法。熱電偶補償導線的作用只是起延伸電極的作用，補償導線冷端溫度依然不為0℃，儀表接點也不為0℃，沒有從根本消除冷端溫度變化對測溫的影響，因此還需要采取其他修正方法來補償冷端溫度T0≠0℃時對測量的影響。根據中間溫度定律，熱電偶回路兩接點（溫度為T、T0）間的熱電勢等于熱電偶在溫度為T、Tn時的熱電勢與在Tn、T0時的熱電勢的代數和，Tn稱為中間溫度。即：

E（T，T0）=E（T，Tn）+E（Tn，T0） （1）

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

以《Bi<0.1的物體在空氣中的冷卻規律》為例，測試銅柱在沸水中的溫度。經過實驗驗證，統計了某班級30名學生對銅柱初始溫度測得的電勢差平均值為5.2827mv，平均室溫為25.2℃，學生沒有考慮到當冷端溫度不為0℃時，室溫與熱電偶之間呈現非線性關系，而是利用已知回路實際熱電勢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℃。如果根據上式對熱電勢進行修正，分別通過鎳鉻—考銅熱電偶分度表首先查得溫度在（25.2℃，0℃）之間的電勢差為1.6218mv，1.6218+5.2827=6.9045mv，查分度表為101.3℃，相對誤差降低了2.6%，大大提高了測量精度。

四、結語

此次《傳熱學》實驗改革在2012級各專業進行了實踐，在重新構建的實驗體系下，突出了實驗過程的綜合性和設計性，培養了學生獨立分析和解決問題的能力，促進了學生創新性思維的發展。因材施教的授課模式，使學生由被動變主動，個人興趣、目標和發展方向有的放矢。通過對熱電偶冷端補償，實驗結果的準確率得到了大大提高。這次《傳熱學》實驗課改革，大大提高了實驗教學的質量，也更好地踐行了我校“實施精英型本科教育、打造特色型本科教育、推進研究型本科教育”的辦學宗旨。

參考文獻：

[1]李穎，畢豫，崔巍.以綜合性設計性實驗建設為契機促進專業實驗教學體系的改革[J].河南工業大學學報（社會科學版），2010，6（4）：145-147.

[2]侴愛輝，馮妍卉，張欣欣.傳熱學多層次、創新性實驗教學模式的研究[J].中國現代教育裝備，2011，（7）：115-117.

[3]張寧，解東來，王衛星.能源工程及自動化專業實驗教學改革的探索與實踐[J].化工高等教育，2010，（2）：54-56.

[4]李志國.“傳熱學與換熱器”課程的優化整合探討[J].中國電力教育，2012，（30）：51-52.

[5]熊軍，劉澤華，羅清海.工程應用能力的實驗教學改革研究——以建筑環境與設備工程專業為例[J].高等建筑教育，2011，20（1）：158-161.