“工程熱力學與傳熱學”實驗教學改革與優化探討

王志軍 鄧奇根 潘榮錕

（[1]安全工程國家級實驗教學示范中心（河南理工大學） 河南·焦作 454003；[2]河南理工大學安全科學與工程學院 河南·焦作 454003）

1 “工程熱力學與傳熱學”實驗教學重要性

“工程熱力學與傳熱學”是一門研究熱能有效利用及熱能和其它形式能量（機械能）轉換規律的科學，目的是通過研究熱能轉換規律和熱傳遞規律，探尋熱轉化效率的途徑從而提高能源的有效利用率。[1]目前生產生活中廣泛涉及的許多工程技術問題最終都可歸結為能量的有效利用及傳遞問題，包括能源有效利用、節能環保、新能源開發利用等領域，因此，熟悉掌握工程熱力學與傳熱學相關的理論知識與研究方法對本科生今后從事科學研究、工程應用等工作都極為重要。[2]這門課的特點是專業名詞及概念較多，理論性、概念性較強，且原理較為抽象晦澀較難理解，[3]計算公式較多，限制條件較多，使用條件比較復雜，課本內容和生活實際脫離較大，同時又具有很強的工程應用背景，被認為是一門“兩難”課程，即“老師難教”“學生難學”。[4]工程熱力學與傳熱學實驗教學作為理論聯系實際的主要環節，是學生深化理解和鞏固課程理論知識的重要途徑，是課堂教授知識的有益補充，有助于學生掌握和熟悉基本科學實驗方法，培養學生嚴謹的、實事求是的科學研究工作作風，也是解決課程教學“兩難”問題的重要途徑。[5]因此，探索先進、合理、具有創新理念的實驗教學內容與教學手段對于保證實驗教學效果具有重要意義。

2 課程實驗教學存在問題

（1）重視程度不夠，投入較少，實驗設備欠缺。實驗條件是實驗室教學賴以開展的基礎，包括實驗場地及實驗設備。近年來隨著高校擴招政策的實施，在校學生數量迅速增加，導致一些高校實驗室建設與學生數量不匹配，實驗場地緊張，實驗儀器設備臺套數不足。[6]加上一些高校領導對實驗教學重視程度不夠，普遍存在重視課堂教學、忽視實驗教學的現象，使得實驗室建設相對滯后，投入明顯不足。

（2）實驗教學內容不合理。工程熱力學與傳熱學課程理論性、概念性較強，且原理較為抽象晦澀較難理解，[3]計算公式較多，限制條件較多，使用條件比較復雜，學生學習和理解難度較大。實驗教學主要目的是彌補學生在課堂教學學習中的不足，進一步加深對重點理論知識和難點知識的理解和認識。受課程總學時的限制，許多高校本課程實驗教學大多設置為6 到8個學時，一般為3 到4 個實驗項目，實驗涉及的知識點偏少，不能涵蓋本課程的重點內容，許多高校一般根據原有實驗設備情況，開展的實驗項目全部是工程熱力學涉及的內容，或者全部是傳熱學涉及的內容，沒有做到均勻衡量，導致實驗內容失衡。另外，受實驗臺套數的限制，這些實驗大都設置為演示性和驗證性實驗，學生一般很難獲得親自動手操作的機會，使得學生在做實驗時基本沒有興趣，沒有去思考實驗過程及其中的原理，很難達到啟發學生理解、應用所學知識的目的。

（3）實驗手段單一，吸引力不足。實驗教學方法比較單調，基本采用“學生課前預習實驗指導書—老師講解實驗原理及過程—實驗操作演示—學生參照指導書做實驗—得出實驗結果—撰寫實驗報告”這一灌注式教學模式。

學生在實驗過程中不會主動地去學習，往往被動地接受、模仿老師的操作，對實驗過程中涉及的實驗原理及基礎理論沒有思考，基本是人在心不在。[7]在一些高校，由于實驗臺套數的限制，實驗大都設置為演示性和驗證性實驗，學生一般很難獲得親自動手操作的機會，根本不可能起到激發學生學習興趣、增強動手能力、強化理解所學理論知識的目的，更難說培養學生主觀能動性、提高實踐動手能力和工程創新能力。

3 課程實驗教學改革與優化探討

（1）重視實驗教學，增加實驗教學投入，提高學生的重視程度。要高度重視實驗教學在提高教學質量與培養學生實踐能力中的重要地位，高校教師和學生都要提高對實驗教學的認識，增強對實驗教學的重視度，要將實驗教學環節作為工程熱力學與傳熱學課程教學必不可少的重要內容。實驗教學效果的好壞取決于能否有助于幫助學生破解課程的重點與難點內容，能否激發學生的求知欲望、提高學生學習興趣。實驗指導教師和理論課教師要積極正確引導學生動手做實驗，助力學生樹立積極的實驗教學態度。同時，學生也要積極主動配合，帶著問題去實驗，在實驗過程中探索規律、尋找答案。做完實驗后，要認真填寫實驗報告，不要照搬照抄實驗指導書，要根據自己的理解和掌握進行必要的探討和總結。

作為實驗教學的必備硬件條件，實驗設備的質量與數量對于保障實驗效果至關重要。良好的實驗條件和環境，高質量的實驗設備是提高課程實驗教學質量的重要基礎。高校教學管理部門要高度重視實踐教學，加大實驗儀器設備的投入，多方籌措經費對不能適應新實驗教學模式現有的實驗儀器設備進行更新，增補需增設實驗項目儀器，并保證一定的臺套數，為學生創造更好的實驗條件與環境。

（2）改革實驗教學內容，突出教學重點及難點。實驗教學作為課程教學的有機組成部分，實驗教學項目及內容的設置至關重要。要圍繞學生普遍反映的難點內容開展實驗教學，工程熱力學與傳熱學重難點包括熱力學第一定律、理想氣體熱力性質與熱力過程、熱力學第二定律、水蒸氣與濕空氣、導熱、對流換熱、輻射換熱等內容。為了使實驗平衡，建議工程熱力學部分與傳熱學部分各設置兩個實驗，或者工程熱力學部分設置三個實驗，傳熱學部分設置一個綜合型實驗。例如，在工程熱力學部分設置空氣絕熱指數測試實驗、二氧化碳臨界狀態參數觀察及p-v-T 關系測試實驗以及制冷供熱系數測定實驗，為增強學生的動手實踐能力，這些實驗均要由驗證性或演示性實驗改進為設計性或綜合性實驗。如空氣絕熱指數測定實驗，要讓學生在實驗過程中邊操作邊講解熱力系統經歷的狀態，讓學生親眼觀察熱力過程中絕熱、定容及定溫等定值熱力過程的實現方法，觀察和分析熱力系的狀態和過程特征，熟悉以絕熱膨脹、定容加熱基本熱力過程為工作原理的絕熱指數測定實驗方法，通過該實驗讓學生掌握理想氣體基本熱力過程這一章內容，與課堂教學內容融合貫通，從而讓學生產生更深刻的記憶。很多驗證性的實驗項目，完全可以發揮學生的主觀能動性，從驗證性向設計性或綜合性轉變。對于傳熱學部分的實驗，可以讓學生設計一個綜合性傳熱實驗，集合導熱、對流等傳熱過程，加深對導熱系數、導溫系數、對流換熱系數的理解和認識。

（3）改進實驗教學方法，采用多種實驗教學模式，增強學生創新能力。先進的實驗手段與方法對于提高實驗教學效果具有重要作用，嘗試采用多種有益的實驗教學模式增強學生動手能力與思考能力，激發學生創新意識?？梢圆捎脭抵的M方法進行傳熱學部分實驗，運用專業CFD 軟件Fluent，讓學生模擬一維穩態導熱、二維雙熱源穩態導熱及二維導熱+對流溫度場，通過數值模擬，讓學生理解和掌握應用現代計算機技術進行數值求解傳熱傳質問題的方法，建立運用計算機求解實際問題所遵循的一般原理和步驟，讓學生學會操作計算機數值分析軟件進行離散化，設置幾何、物理、邊界及時間條件，通過求解代數方程組，最終求得整個計算區域的場分布情況，最后通過彩色圖片或動畫對傳熱過程進行展示，讓學得到通過物理實驗難以得到的數據和結果，拓寬學生的知識面，鞏固加深所學傳熱學原理，讓學生既學會了軟件的使用，學到了研究問題的新方法，又加深了對專業理論和實驗知識的理解。對熱能動力裝置的理解是工程熱力學部分的重點也是難點，由于熱力裝置均比較復雜，如何通過簡單的表達與描述來準確說明熱能動力裝置的工作原理對于解釋工程熱力學的學習目的至關重要。實驗教學時可以設計讓學生自己動手制作簡易的熱能動力裝置，如走馬燈、汽轉球、壓氣機等實體模型，增強學生動手能力吸引學生注意力，提高學習興趣，引導學生積極思考，培養學生的創新意識和創新能力。

4 結語

針對工程熱力學與傳熱學實驗教學中存在重視程度不夠，投入較少，實驗設備欠缺；實驗教學內容不合理；實驗手段單一，吸引力不足等問題，提出了重視實驗教學，增加實驗教學投入，提高學生重視程度；改革實驗教學內容，突出教學重點及難點；通過改進實驗教學方式方法，積極采用多種有益的實驗教學模式，增強大學生創新創造意識與能力的實驗教學改革與優化方案，對于提高工程熱力學與傳熱學課程實驗教學效果，增強大學生實踐動手能力和創新創造能力，培育適應新時代要求的專業工程技術人才具有一定的借鑒意義與應用價值。