研究生熱能與動力工程測試實驗教學改革

黃 瑞， 俞小莉， 陳俊玄， 石軍平， 季 節

（1.浙江大學a.能源工程學院；b.能源與動力實驗教學中心，杭州 310027；2.浙江吉利控股集團有限公司，杭州 310051）

0 引 言

為全面貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》，進一步提高研究生教育質量，教育部、國家發展改革委、財政部聯合發布《關于深化研究生教育改革的意見》，明確指出：要完善以提高創新能力為目標的學術學位研究生培養模式［1-3］。促進課程學習和科學研究有機結合，強化創新能力培養，探索形成各具特色的培養模式。重視對研究生進行系統科研訓練，要求并支持研究生更多參與前沿性、高水平的科研工作，以高水平科學研究支撐高水平研究生培養［4-5］。

研究生實驗實踐課程，旨在培養學生“聽中做、做中學、學中思、思中用、用中學”的實驗技能和實踐素養，已逐漸成為提高研究生創新能力的有效手段［6］。其中，優秀的實驗教學課程因為其重要的橋梁作用，既能使學生加深對理論知識的認識，又能促進學生將理論應用于工程實踐，更是成為培養研究生創新能力、提高研究生教育質量的必要路徑［7-14］。

作為全國高等教育學會工程教育專業委員會理事長單位的浙江大學，近年來高度重視新工科背景下的研究生實驗教學改革。本文以熱能與動力工程測試為例，針對現階段實驗課程教學中存在的問題，積極探索改革與創新，以期提高動力工程類專業研究生的實驗技能、實踐素養和創新能力，培養出適應社會、經濟和產業發展需要的高級應用型人才，服務于國家發展戰略。

1 動力工程類專業實驗教學現狀

熱能與動力工程是典型的實踐性和創新性要求非常強的工科專業，它的原理普遍滲透到多個學科領域和產業部門，對高新技術進步和國民經濟發展具有重要作用。熱能與動力工程測試，是我國高校動力工程類研究生教學課程的重要組成部分，融合了熱能工程、控制工程、傳感技術、信息技術和應用數學等多學科知識，具有非常強的工程應用背景。但是，目前國內高校對動力工程類專業研究生實驗課程的重視程度還不高，實驗教學的方法也不夠完善。以我校熱能與動力工程測試課程為例，在以下方面仍存在不少問題。

(1)實驗教學模塊固定，學生積極性不高?，F行的熱能與動力工程測試課程的實驗教學模塊中，實驗類目和實驗流程較為固定，研究生主要是機械地重復操作，只需按部就班完成各項規定內容即可，自主選擇和研究創新的空間不大，因而較難調動學生積極主動參與實驗的熱情，實驗學習效果不明顯。

(2)實驗內容零散，缺乏系統性規劃。目前的實驗課程在初始規劃階段時未能充分認識到實驗教學不僅是理論教學的補充，更應是理論教學的拓展和延伸，因而缺乏系統性的全局考慮，課程被設計為零散的實驗單元，碎片化的各個實驗類目的應用面相對窄、綜合性相對差，無法充分鍛煉研究生的知識整合與應用能力。而前期系統性實驗教學的缺失，往往會導致學生后續的研究生科研實驗無法順利開展，出現實驗設計困難，實驗方法不合理，數據不可信等現象。

(3)交流機制缺乏，師生間、學生間互動不足。根據目前的教學安排，實驗課大多被安排在理論課后，先是由教師和學生一同提出實驗目標和內容并進行討論，再由學生設計實驗并開展實驗過程研究，形成實驗報告課后提交。同學之間缺少溝通交流，教師也不能對學生在實驗全過程中產生的問題提供有效的指導，互動頻率和質量不高。

(4)課程設計滯后，未能與學科技術發展同步。近年來，汽車產業快速發展，理論課程教材已做出相應的調整，但實驗課程未能及時更新，在課程設計上既沒有與當前的行業熱點技術相同步，也沒有與未來的發展趨勢很好結合，對研究生系統科研思維訓練不夠，在提高其前沿科學技術研究和行業重點技術應用能力方面還有很大差距。

2 動力工程類專業實驗教學改革

鑒于現階段動力工程類專業研究生實驗教學中出現的教學模塊固定、內容零散、交流互動少，缺乏科學、系統和前瞻性的規劃，學生主動參與的積極性低、學習效果不理想等問題，自2015年起對研究生熱能與動力測試課程率先啟動改革，以期提高教學質量、提升教學效果，真正落實實驗教學在提高研究生實驗技能、實踐素養和創新能力中的重要作用。

2.1 實驗教學改革的目標

（1）科學合理規劃實驗課程體系，實現對理論教學的補充、延伸和拓展，成為研究生掌握知識、鍛煉能力、提高創新意識的有效手段。

（2）開展自主化、互動式教學，實現多向溝通與有效反饋，充分調動和發揮學生的積極性與主體作用，提高實驗教學效率和質量。

（3）打造創新性的科研反哺實驗教學載體，培養符合學科前沿技術研究和行業重點技術應用需求的高素質人才。

2.2 實驗教學改革的內容

2.2.1 3維實驗的改革內容

對現行的實驗課程單元進行分類、整合、優化，科學合理規劃實驗內容，從基礎性、綜合性、創新性實驗3個維度設置多層次、分階段的課程體系（見表1），實現實驗教學對理論教學的補充、延伸和拓展，成為研究生掌握知識、鍛煉能力、提高創新意識的有效手段。

(1)基礎性實驗。主要為認知性和驗證性實驗，目的在于幫助學生理解理論教學中的原理、方法、設備、應用，掌握基本實驗技能，是整個實驗實踐課程的基礎，用于評價學生對階段性知識的理解水平和掌握程度。對于熱能與動力工程測試而言，實驗測試是教學的主要內容，也是精髓所在。傳感器的正確選擇與使用是測試類實驗成功的基礎，因此本項目將在實驗教學過程中的基礎性實驗環節重點關注傳感器的認知、選型與使用，同時結合到目前行業新技術的發展與應用，在傳感器的種類上兼顧傳統傳感器和新型傳感器，如溫度測量方面的膨脹式測溫計、熱電偶測溫計、非接觸式的紅外測溫計；流量測量方面的節流式流量計、渦輪流量計、電磁流量計；流速測量方面的皮托管、熱線風速儀、粒子圖像測速等先進技術；轉速測量方面的光電式轉速傳感器、磁電式轉速傳感器；轉矩測量方面的光學式轉矩儀、應變式轉矩儀等。此外，測試誤差處理方法和信號分析等基礎技能訓練內容在原先的課程中未被予以重視，然而對后續的綜合性實驗和創新性實驗具有基礎性和保障性作用，因此也被增補納入此次實踐課程基礎性實驗環節的教學改革內容中。

表1 熱能與動力工程測試實驗課程體系

(2)綜合性實驗。主要是在學生已掌握的基礎性實驗知識框架上，綜合相關知識點，開展具有一定難度、復雜、系統的實驗，目的在于體現各測試知識點之間的內在相互聯系，是基礎性實驗的延伸，用來評價學生的知識融會貫通能力和分析解決問題能力。包括發動機冷卻水流量流速、發動機進氣流動、散熱器流動、散熱器溫度平衡、配氣機構動力學，曲軸應變應力、機體應變應力等測量實驗主題，要求學生結合自身科研興趣與研究方向自行組隊，自主實施完成整個測試實驗，從前期的方案設計、傳感器選型，到過程中的實施操作、數據采集到后續的誤差處理、分析總結，將前期學習的碎片化技能整合起來。綜合性實驗具有幫助學生將所學的理論基礎知識進行創新性應用的過渡與銜接作用，是熱能與動力工程測試技術中至關重要的一環。

(3)創新性實驗。主要是考驗學生綜合運用知識體系、鍛煉開發科研能力的延伸拓展性實驗，用來評價學生的綜合應用水平和開發能力，也讓學生感受到學有所用、學以致用。結合專業先進科研的屬性特點，依托研究所各先進科研團隊的儀器設備資源，為學生提供良好的創新性實驗開發平臺，并鼓勵引導學生結合自身所在課題團隊的研究方向和科研項目進行實驗設計。通過此環節的實驗實踐教學，讓學生提前熟悉理解自己的課題，鍛煉科研必備技能，幫助學生盡快完成從本科生到研究生的身份轉變。一方面有助于科研基礎較好的學生。對于自身課題的深入研究和創新能力的培養，另一方面也有助于科研基礎一般的學生，循序漸進地熟悉自身課題，調動激發學習積極性和科研興趣。創新性實驗，通過教學與科研的良性互動、積極融合，可以充分發揮實踐教學對科研型人才培養的促進作用。

2.2.2 實驗教學全過程的新舉措

在實驗教學全過程，從實驗主題與方向選擇、方案與內容設計、數據采集與分析到形成結論報告，采用自主化、互動式的教學方法，建立學生間和師生間的多向溝通與反饋機制，充分調動學生的積極性，發揮學生的主體作用，提高實驗教學效率和質量。

(1)全過程互動式教學。通過將課程中的各知識點進行整合規劃，拓展實驗類目，設置開放式實驗課題，鼓勵學生結合自身科研興趣和方向自行組隊，4或5名學生為1組。在自主實施實驗的全過程，均增設交流討論環節，由組內成員自由討論確定實驗對象、實驗內容，設計初步實驗方案并進行課堂展示，教師引導其他學生提出問題并展開分析討論，幫助各組進一步優化實驗方案。通過頭腦風暴式的課堂討論，學生不再是單純受外界激勵的被動接收者，而是理論與實踐的主動構建者；教師也不再是傳統意義上的知識傳授者，而是促進學生身份轉換的引導者。這種全過程互動式的教學方法，將實驗教學與學生科研有機結合，充分尊重學生的科研興趣，從而調動學生參與實驗的積極性和主動性，并通過實驗教學幫助研究生更深入地認識和理解自己的科研內容，不僅鍛煉思辨能力、拓寬思維邊界，更有助于后續階段的科學探索和研究。

(2)多向溝通與反饋機制。在實施實驗的全過程中，除了鼓勵同一小組內部成員之間的溝通，更提倡不同小組之間開展溝通，以及各小組與教師之間的溝通，形成多向溝通的網絡。此外，參考研究生開展畢業設計的流程，在實驗教學中增設課題啟動、中期交流、結題報告等環節的集中研討交流，形成實驗教學的過程控制和反饋機制。不同小組之間通過溝通，尋求問題的共性，討論總結得到本質相同而表現形式不同的各類問題的解決方案；教師通過與各小組的實時溝通，將自身豐富的科研實踐經驗給予學生方向性的指導，避免出現鉆牛角尖或者偏離實驗方向的情況，可以更加及時高效地掌握實驗進度。這種多向溝通與反饋的教學機制，有利于小組內部、小組之間以及師生之間的相互了解和團結協作，不僅提高各實驗小組的微觀實踐效率，也提升整個課程的宏觀實踐科學性。

2.2.3 實驗課程體系內容緊跟科研熱點

根據實驗課程體系規劃的內容，依托能源工程學院各先進科研團隊的在研科研項目，充分利用實驗室儀器設備、平臺資源反哺教學，打造創新性的實驗課程載體，引導研究生開展聚焦學科前沿技術研究和行業重點技術應用的創新性實驗，培養綜合創新素質優異的動力工程專業研究生。

目前研究方向主要包括發動機燃燒與排放控制、發動機及車輛振動噪聲控制、動力系統可靠性設計理論與方法、新型動力及新能源汽車、發動機及車輛熱管理。各教授團隊所具備的科研實驗平臺均體現實驗的綜合性及學科的前沿，包含設計、理論、測試學、控制學和儀器學等多種學科的融合應用，利用此類先進平臺開展實驗，并結合理論知識對實驗結果進行誤差分析，培養學生在交叉學科之間的綜合應用能力。同時，學生可以接觸到本學科中較為前沿的科技知識和信息，解決了傳統實驗以演示性、驗證性為主，前沿科學實驗較少的問題。在實驗教學過程中，將最新的科研成果引入實驗項目里，可以使學生了解專業的前沿科技，訓練學生科研的能力。以熱管理測試實驗為例，學生依托車輛熱管理科研團隊所開發的車載熱管理測試實驗平臺［15］（如圖1），自主開展文獻檢索和綜述，開發設計先進熱管理模塊，在該整車平臺上進行試驗，進而驗證創新方案的可行性，并不斷調整和優化。

圖1 車載熱管理測試實驗平臺示意圖

2.3 實驗教學改革的成效

熱能與動力工程測試實驗教學改革自實施以來，受益的研究生超過200人，所取得的成效主要體現在以下方面：

（1）學生的主觀能動性被充分激發，學習興趣被調動。實踐課一改傳統教學中的老師講授為主的模式，以學生本身為主體，充分尊重學生本身科研興趣與課題需求，改變學生的被動學習現狀。

（2）提高了在校研究生理論聯系實際的能力以及解決問題的能力。通過實驗方案制定，設備選擇與調試，實驗操作以及數據處理等環節，鍛煉了學生的實踐能力，拓寬了學生解決實際問題的方法與途徑。

（3）培養了在校研究生的創新探索精神。開放創新性實驗環節鼓勵學生在已有課題基礎上提出創新性思路，并加以實踐，引導學生沖破思維定式，用創新的角度看問題。

（4）提高了研究生的綜合科研水平與技能。實踐課改革后的分層次實驗模式幫助學生在后續的研究生階段可以盡快掌握科研實驗技能，實踐教學中掌握的實驗能力將有利于學生今后能順利開展科研工作。

3 結 語

實驗教學的最終目標是培養學生科學的思維方式，通過在校教育，使得研究生畢業之后在科研和工作的過程中能夠解決所遇到的實際工程問題。圍繞這個目標，此次的實驗教學改革對模式和內容進行了全面創新，通過打造循序漸進的分層次課程體系，注重教學過程中的互動、溝通和反饋，初步改善了理論與實踐相分離的教學現狀，既豐富了理論知識的教學內容，又鍛煉了學生的科研思維和應用能力，對于提升研究生綜合實踐素質、開拓學科前沿視野大有裨益。改革對于同類院校和相關工科專業也具有一定的借鑒意義，在今后的實踐教學深化改革中，還將密切關注國際先進技術，不斷改進教學內容，進一步鍛煉提升學生的實踐能力和創新能力，培養具有高綜合素質、強社會競爭力的研究生，使其真正成為推動社會科技創新的主力軍。