熱工實驗課程建設研究與探索

宋福元++張國磊++馬修真++孫寶芝++譚曉京

摘要：文章基于國家級實驗教學示范中心內涵建設，對熱工實驗課程建設進行了研究與探索，遵循實踐教學規律，進行熱工實驗課程建設研究與探索，通過梳理實驗項目、完善實驗體系，引進國外的先進教學設備、開發網絡教學系統、虛擬仿真實驗課件，實驗結果評價軟件等工作，建立了強化預習環節、注重實驗過程，突出學生主體，注重自主實驗，現場考評的實踐教學模式，培養學生動手能力和創新能力。

關鍵詞：熱工實驗；實踐教學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）16-0121-02

熱工實驗是工程熱力學、傳熱學理論課的實踐環節，工程熱力學與傳熱學，是能源動力類領域重要的專業基礎課，課程內容知識點多、聯系緊密、概念抽象、理論性強。熱工實驗教學可以通過基本理論在實際熱力過程、能量傳遞工程中的應用，明確理論的應用對象及理論的具體應用，將抽象的理論通過實際工程表現出來，有助于學生理解工程熱力、傳熱學基本理論。熱工實驗作為熱工類基礎課程教學的重要組成部分，在實驗教學中培養學生獨立工作能力、創新精神、鞏固和驗證所學理論知識方面的重要性日益凸現。以《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》指出的創新人才培養的“三個注重”：注重學思結合，注重知行統一，注重因材施教，為理論指導，遵循實踐教學規律，進行了熱工實驗課程建設研究與探索[1]。

一、梳理實驗項目，完善實驗教學體系

通過調研清華大學、浙江大學、上海理工大學、哈爾濱工業大學等知名院校能源動力類國家級實驗教學示范中心及熱工實驗課程建設現狀，對比我校熱工實驗建設，梳理實驗項目，完善熱工實驗教學體系。結合調研及新的人才培養方案修訂，對熱工實驗應開設的實驗項目進行梳理，將實驗項目分為基礎實驗和綜合性設計性實驗，其中基礎實驗分別必做8學時（2個工程熱力學實驗項目4學時、2個傳熱學實驗項目4學時），選作計劃內8學時，綜合性設計性實驗8學時（引進國外實驗臺），課外選作4學時（引進國外實驗臺），形成了新版熱工實驗教學大綱[2-3]。通過以上梳理，豐富了實驗內容，增加了學生選擇實驗的余地，滿足不同學生的需求。

二、引進國外的先進的實驗平臺，更新陳舊實驗設備

從英國和美國引進了先的熱交換實驗平臺、傳熱基礎實驗平臺，內燃機動力實驗系統、蒸汽輪機發電系統等綜合實驗教學設備。

1.熱量交換基礎實驗平臺。該實驗平臺主要由通用換熱器實驗平臺、10種換熱器選件及數據采集系統組成。

多種形式的換熱器選件可共用一個實驗平臺。測量儀表能檢測多達12個溫度測點和冷熱流體流量，可以進行所有相關的傳熱計算；學生可以在無人監督的情況下進行實驗。

2.傳熱基礎實驗平臺。包括通用傳熱實驗臺，15種實驗模塊，數據采集系統等。可進行傳導、對流、輻射實驗，穩態和非穩態傳熱實驗，液體和氣體傳熱實驗，自由對流和強迫對流情況下，平板、針板、翅板傳熱實驗等。

3.內燃機動力實驗系統。內燃機實驗臺在不同燃料噴射量的情況下，可研究內燃機的扭矩和轉速、功率和轉速、熱效率等性能參數；各內燃機模塊化設計，可快速拆卸和安裝；可選配件包括計算機數據采集系統。

可進行在不同的燃料噴射量的情況下，測量并繪制內燃機輸出扭矩和轉速、功率和轉速曲線；在轉速不變時，測量在不同輸出功率時的燃料消耗率；在不同的燃料噴射量的情況下，測量燃料空氣配比和內燃機的熱效率；研究在不同轉速時內燃機的摩擦損失等4項實驗。

4.蒸汽輪機動力發電試驗系統。該套設備可進行熱力學第一定律及能量轉換關系研究；熱力學第二定律及熱力循環分析研究；控制量大小分析研究；熵分析研究；等熵分析及透平/噴嘴效率研究；傳熱分析及鍋爐效率研究等實驗，使學生掌握蒸汽動力系統燃燒過程，蒸汽能源系統基本原理，發電基本原理，實驗與數據采集技術等[4-5]。以上實驗設備可以開發出新的實驗項目，如熱交換器換熱性能實驗、熱平衡實驗、輻射強度實驗、反射強度實驗、斯特林發動機原理實驗、內燃機性能實驗、朗肯循環原理實驗、蒸汽輪機發電系統性能實驗等發綜合性、設計性實驗項目，該實驗設備做成模塊化設計，學生可根據不同的實驗選擇不同的通用設備、采集系統及實驗模塊進行實驗，充分發揮學生的自主能力，培養了學生的動手能力和創新能力。引進國外先進的教學試驗設備后，學生對新的實驗設備及實驗項目產生濃厚的興趣，爭相選做新的實驗，取得良好的教學效果。

三、多媒體與網絡技術應用于實驗教學

開發了熱工實驗教學管理系統，建設實驗教學網站，通過網絡進行教學和管理。同時開發了實驗教學資源，如開發了熱電偶綜合訓練、噴管實驗、沸騰換熱實驗等虛擬仿真實驗軟件，錄制了相關教學視頻、開發了熱工實驗多媒體教學課件等，豐富了網上教學資源，使學生在做實驗之前在網上進行實驗原理學習，設備儀器使用，虛擬實驗操作等，完成預習任務，使學生在做實驗之前掌握了實驗內容及儀器設備使用方法，能夠獨立快速完成實驗，并獲得準確的實驗結果。

四、加強過程監控、注重自主實驗

通過教學管理系統結合網站教學資源，通過過程監控強化預習環節。注重實驗過程，突出學生主體，變教師輔導為教師巡查監督，幫助解決主要問題，實現自主實驗。開發實驗數據處理軟件，注重實驗結果考評，現場評定實驗結果的對錯、實驗結果誤差。對于必做的熱工實驗的4個實驗項目先后開發了實驗數據處理軟件，可對學生測試的實驗結果進行現場處理，及時發現學生實驗中的問題，直至全部解決為止。

五、改革熱工實驗教學模式與考核方式

采用學生自主選擇實驗項目，自主預習，自主進行實驗的教學模式。學生充分利用教學課件、虛擬實驗、教學視頻等網絡資源進行課前預習，然后預約實驗，自行組成實驗小組，到實驗室相互協作共同完成現場實驗，分發揮學生積極性、主動性，重點培養學生實際操作、發現問題、解決問題的能力。改變以往單一的只以實驗報告定成績的考核方式，采用1+5+4考核方式，注重實驗過程的考核，其中預習占總成績的10%，現場操作占總成績的50%，實驗報告占總成績的40%。

六、結論

通過不斷地進行熱工實驗課程建設研究與實踐，逐步形成了加強過程監控強化預習環節；注重實驗過程，突出學生主體，實現自主實驗；注重實驗結果考評，現場評定實驗結果的熱工實驗教學特色。研究成果已應用于熱工實驗教學中，每年使得我校四個學院相關專業二十多個本科生班受益，經過實踐，教學效果良好。

參考文獻：

[1]宋福元，張國磊，孫寶芝.多元融合的工程熱力學課程教學模式研究[J].教育與職業，2015，（3）.

[2]張國磊.工程熱力學實驗[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2012.4.

[3]張鵬.傳熱實驗學[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2012.5.

[4]孫寶芝，宋福元，張鵬.美國熱工課程教學對我國熱工課程教學法改革的啟示[J].職業與教育，2011，（14）.

[5]張國磊，楊龍濱，李曉明.提高《工程熱力學》課程教學質量的方法探討[J].中國電力教育，2008，（11）.