基于創新人才培養的熱工實驗教學模式研究

宋福元, 馬修真, 張國磊, 李淑英, 杜敬濤, 韓懷志, 譚曉京

(哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，哈爾濱 150001)

·實驗教學示范中心建設·

基于創新人才培養的熱工實驗教學模式研究

宋福元, 馬修真, 張國磊, 李淑英, 杜敬濤, 韓懷志, 譚曉京

(哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，哈爾濱 150001)

通過熱工實驗課程的不斷改革，探索一種基于創新人才培養的實驗教學模式。以注重學思結合、知行統一、因材施教為理論指導，遵循實踐教學規律，在突出實驗教學地位，將實驗教學中的輔助、服務性角色提升為創新教育中的主體、主導性角色之一的指導思想下，通過梳理實驗項目、建立多層次熱工實驗教學體系，引進國外的先進教學設備、引入MOOC教學理念，開發網絡實驗教學平臺、虛擬仿真實驗課件，實驗結果評價軟件等工作，建立強化預習環節、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，實踐證明該模式充分體現了以學生為中心的培養模式，大幅度增強了學生的主動性，提高了學生的動手能力和創新能力。

熱工實驗； 實驗教學； 教學改革； 創新人才

0 引 言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020)年》提出，牢固確立人才培養在高校工作中的中心地位，著力培養信念執著、品德優良、知識豐富、本領過硬的高素質專門人才和拔尖創新人才。加大教學投入、深化教學改革、強化實踐教學環節，培養具有創新意識、富有創新能力的各類創新型、應用型、復合型優秀人才，成為高校推進一流建設的關鍵任務。而實驗教學作為高校工程實踐教育的重要組成部分在創新人才培養中的重要性日益凸現[1-2]。

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、能量傳遞過程中的應用，明確理論的應用對象，將抽象的理論通過實際過程表現出來，有助于學生理解工程熱力學、傳熱學基本理論[3-5]。

以注重學思結合、知行統一、因材施教為理論指導;遵循實踐教學規律，在學校突出實驗教學的地位，將實驗教學中的輔助、服務性角色提升為創新教育中的主體、主導性角色之一，根據國家級教學示范中心內涵建設的要求，進行了熱工實驗課程建設研究與探索。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，實驗結果現場考評、鼓勵創新的實踐教學模式，培養學生利用熱工基礎理論解決能源動力領域中實際問題的能力和創新能力，培養高素質創新型人才，滿足能源動力行業的需求[6]。

1 更新實驗內容，建立多層次實驗教學體系

目前的熱工實驗課程，基本上是附屬于工程熱力學、傳熱學理論課程，因而造成了實驗時間少、實驗內容單一。而且，這些實驗項目多數為驗證性實驗，學生在實驗課上只是按照老師的講解或是教材的安排進行操作，以完成實驗為目的，屬于被動地進行實驗。調動不了學生的主動性與積極性，而且創新意識與創新精神無法得到充分的發揮。所以，這種形式的實驗課程體系已不能滿足社會發展的需要和學校教學的要求。

針對目前的實際情況，結合調研清華大學、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，進行了熱工實驗教學改革，實現了熱工實驗課程獨立設課，梳理了實驗項目，更新了實驗內容，建立了多層次實驗教學體系。

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性實驗和綜合性設計性實驗，必修實驗和選修實驗，課內實驗和課外實驗，從而形成基礎與綜合相結合、必做與選做相結合、課內與課外相結合的多層次熱工實驗教學體系[7-8]。

基礎性實驗，是學生理解與掌握能量轉換與傳遞的理論知識的基礎，通過基礎性實驗，才能夠保證熱工理論知識得到吸收和鞏固。由于課時的限制，在設計實驗課程體系的時候，在滿足基本理論學習要求的前提下，適當地縮減基礎性實驗，節省更多課時。

綜合性實驗是學生對某一熱工問題利用所學的多門知識、通過實驗進行研究并解決問題，綜合訓練學生實驗技能和實驗方法。

設計性實驗是學生根據給定的研究對象，結合該對象所涉及的理論知識，自主擬定實驗題目，設計實驗方案，利用實驗室現有設備完成相應的實驗，充分發揮學生的主動性，培養學生創新思維。

必做實驗一般是指基礎性實驗，選做實驗一般是指綜合性實驗，學生可在提供的綜合性實驗項目中選取自己感興趣的實驗項目。

例如：工程熱力學實驗開發出8個實驗項目，其中空氣定壓比熱容測量、飽和蒸汽壓力和溫度關系測定等2個實驗為必做基礎性實驗。噴管中空氣流動特性、空氣定壓比熱隨溫度變化規律實驗研究，二氧化碳臨界狀態測定，閉式循環熱空氣發動機實驗，蒸汽動力循環實驗，內燃機綜合實驗等6個實驗為選做的綜合性實驗，課內選做2個。

課外實驗一般都是設計性實驗，學生利用課外時間就能源動力領域某一問題設計一套裝置或利用實驗設備組裝一套實驗裝置，并能進行相應實驗。也可結合全國節能減排大賽，學生自由組合設計節能減排作品。對參加課外實驗的的學生給予適當獎勵或加分鼓勵學生參加課外實踐，開拓視野，培養學生創新意識。

2 引進國外先進實驗平臺，更新陳舊實驗設備

現有熱工實驗設備功能單一，設備質量差，有的設備測試結果甚至違反能量轉換規律，難以滿足新形勢下的人才培養需求。

以國家級教學示范中心內涵建設為契機，申請100多萬元資金，從英國和美國分別引進了先進的熱交換實驗平臺、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，解決了熱工實驗綜合性設計性實驗不足的主要問題。

(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，測量儀器準確度大大提高，進行所有相關的傳熱計算，獲得正確的換熱規律，同時學生根據實驗要求自主組裝儀器設備，進行熱量交換規律的試驗研究。

(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。通過自主組合進行 傳導、對流、輻射換熱規律實驗驗證，掌握基本的熱交換規律，進一步研究穩態和非穩態傳熱規律，自然對流和強迫對流換熱規律以及平板、針板、翅板等不同傳熱面的換熱規律等，培養學生綜合運用基本傳熱原理解決實際問題的能力。

(3) 內燃機動力實驗系統。內燃機實驗臺帶有各種測量儀表和控制系統，可研究內燃機的工作原理、性能參數隨工況變化的規律等。通過測量空氣和燃料的流量，空氣的溫度和壓力，輸出軸的扭矩和轉速，排氣溫度，輸出功率等參數，研究不同燃料噴射量的情況下，內燃機的扭矩和轉速、功率和轉速、熱效率等性能參數的變化規律，加深學生對內燃機循環的理解。

(4) 蒸汽輪機動力發電試驗系統。蒸汽輪機動力發電系統是一套完整的微型實驗系統，用以進行蒸汽發電廠系統工程教學與培訓，復制了一套發電廠的所有主要部件，幫助學生進行學習。盡管系統是按比例縮小的，但儀器設備測量精度高，學生通過試驗，完全能體驗全尺寸真實系統運行過程，掌握朗肯循環的熱力學基本原理。

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，培養學生運用所學知識，借助復雜試驗平臺進行熱工轉換實驗研究的能力。

以上實驗設備可以開發出新的實驗項目，如套管式、板式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[9-11]。

3 引入MOOC理念創新實驗教學模式

MOOC即大規模網絡開放課程，強調教學資源共享，課前學習與課堂教學相結合，實現了教與學的顛倒，變教師主動教為學生主動學的教學模式。MOOC教學模式應用于實驗教學中，克服了教師講解、演示、學生跟著學，跟著做的單一教學模式的弊端，充分發揮學生的主動性和積極性，突出學生在學習中的主體地位，培養學生的科學素養及創新意識。學生根據實驗要求，利用課外時間、網絡共享教學資源、師生互動平臺，完成實驗課程預習，大大縮短了教師講解和實驗操作的時間，增加了學生之間相互討論、相互交流以及獲得實驗結果、實驗規律的時間，培養學生綜合實踐能力[12-15]。

(1) 開發熱工實驗網絡教學平臺、強化預習環節。結合MOOC教學理念，借助信息化技術開發熱工實驗教學平臺，實現教學資源共享，通過網絡進行教學和管理。

開發了網絡共享教學資源，如開發了熱電偶綜合訓練、平板導熱實驗、二氧化碳P—V—T關系實驗、風洞實驗、噴管實驗、沸騰換熱實驗、輻射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，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。

學生可在網絡教學實驗平臺上，按學號登錄，登錄后進入學習系統進行預習，完成預習環節后，提交預習報告，具備預約實驗資格，預約成功后進入實驗室進行實驗。預習時，首先打開多媒體課件，了解實驗原理、目的、儀器設備及實驗方法等，然后觀看虛擬實驗課件，并進行虛擬操作，只有按照實驗步驟正確完成虛擬實驗操作，才能進入下一步驟，觀看實驗教學視頻，最后生成預習報告，完成預習。這樣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。

(2) 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，進行過程監控，強化預習環節。注重實驗過程，突出學生主體，上課時老師作為參與者與學生交流、討論，幫助解決主要問題，整個實驗學生自主完成，最后對實驗成果進行評價。

開發實驗數據處理軟件，注重實驗結果考評，現場評定實驗成果。對學生測試的實驗數據進行現場處理，及時發現學生實驗中的問題，直至全部解決為止。

(3) 改革考核方式，注重能力考核。改變以往單一的只以實驗報告定成績的考核方式，注重綜合素質培養，建立全面、完善的考核制度。

采用“1+3+3+2+1”考核方式，總成績中：預習占10%，學生現場組織與動手能力占30%，實驗成果占30%，實驗總結及分析占20%，課外實驗占10%。注重實驗過程、實驗能力和實驗成果的考核，強化學生自主創新意識的培養。

4 結 語

通過熱工實驗課程持續建設研究與實踐，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；改革實驗考評方法，注重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4個學院相關專業20多個本科生班，600多名學生受益，經過實踐，教學效果良好。

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ResearchontheTeachingModeofThermalEngineeringExperimentBasedontheCultivationofInnovativeTalents

SONGFuyuan,MAXiuzhen,ZHANGGuolei,LIShuying,DUJingtao,HANHuaizhi,TANXiaojing

(College of Power amp; Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

This paper explores the experimental teaching mode based on the cultivation of innovative talents by taking the experimental teaching of thermal engineering as an example.It emphasizes the combination of learning and thinking, the unity of knowledge and practice as well as teaching students according to their aptitude, and takes them as the theoretical guidance.It follows the law of experimental teaching and also highlights its status; it takes the improvement of the supporting and service role in experimental teaching into one of the principal and leading roles in innovation education as the guiding idea.It establishes the multi-level experimental teaching system of thermal engineering by arranging experimental projects.Advanced foreign teaching equipment and MOOC teaching concept are introduced to develop network experimental teaching platform, virtual simulation experimental courseware, the evaluation software of experimental results, and the experimental teaching mode that strengthens the preview section, highlights the experimental process, students’ subject status, independent experiment and on-site evaluation.Practice suggests that this mode fully embodies the student-centered training mode, can greatly enhance students’ initiative and improve students’ practical and innovation abilities, so it can provide reference for the same type of experimental course teaching.

thermal engineering experiment; experimental teaching; teaching reform; innovative talents

TK 1-4;G 642.0

A

1006-7167(2017)10-0162-03

2016-12-25

黑龍江省教改項目(G2014041670)(JGXM-HLJ-2016007)；哈爾濱工程大學實驗教改項目(JG2016BZD02)，(JG2016BYB10)

宋福元(1967-)，男，黑龍江尚志人，博士，副教授，研究方向為：傳熱傳質學。Tel.：0451-82569633； E-mail：songfuyuan@hrbeu.edu.cn