“兩性一度”要求下傳熱學實驗教學改革探索

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2024.02.019

歡迎按以下格式引用：羅清海，涂敏，"陳國杰，熊軍.“兩性一度”要求下傳熱學實驗教學改革探索［J］.高等建筑教育，2024，33（2）：136-142.

摘要：重塑課程教學是一流課程建設亟需探討的課題。結合教育部《關于一流本科課程建設的實施意見》精神，分析了傳熱學課程特點，總結了目前傳熱學實踐教學的不足，提出了新形勢下傳熱學綜合性實驗教學改革思路，并針對對流換熱的實驗教學改革案例，進行了基于“兩性一度”的教學思路分析和成效分析。突破實驗室課堂教學的時空約束，不拘一格改革實驗教學，強化自主性、體驗性、綜合性的拓展訓練，注重知識融通、技能鍛煉、思維引導和思想引領融于一體，是落實三全育人、立德樹人理念的有效路徑。

關鍵詞：兩性一度；實驗教學；拓展訓練；三全育人

中圖分類號：G642.42 """""文獻標志碼：A """""文章編號：1005-2909（2024）02-0136-07

2018年11月24日，時任教育部高等教育司司長的吳巖在第十一屆“中國大學教學論壇”上作了“建設中國金課”的主題報告，提出了“兩性一度”的金課標準。“兩性一度”，即高階性、創新性、挑戰度。所謂“高階性”，就是知識能力素質的有機融合，是要培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。所謂“創新性”，是課程內容反映前沿性和時代性，教學形式呈現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化。所謂“挑戰度”，是指課程有一定難度，需要跳一跳才能夠得著，對教師備課和學生課下有較高要求。“兩性一度”為立德樹人的課程建設指明了實踐路徑和評價導向，是一流課程建設的基本原則。

2019年10月24日，教育部發布《關于一流本科課程建設的實施意見》（以下簡稱《意見》）。《意見》的指導思想是：“以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，貫徹落實黨的十九大精神，落實立德樹人根本任務，把立德樹人成效作為檢驗高校一切工作的根本標準，深入挖掘各類課程和教學方式中蘊含的思想政治教育元素，建設適應新時代要求的一流本科課程，讓課程優起來、教師強起來、學生忙起來、管理嚴起來、效果實起來，形成中國特色、世界水平的一流本科課程體系，構建更高水平人才培養體系。”^［1］

綜合性實驗教學是實驗教學改革的重要方向。綜合性實驗教學是深化一流課程建設的重要切入點，有利于提升課程學習的廣度和深度，增加課程學習的難度和挑戰性^［2］。綜合性實驗可以幫助學生理解較復雜的專業原理，掌握大型儀器的操作、專業軟件的應用與數據分析方法^［3］。綜合性實驗提高了學生的學習興趣和創新能力，為提升學科交叉背景下的實驗教學水平提供了新思路^［4］。綜合性實驗項目涵蓋知識點較多，能夠為后續的畢業設計和科學研究工作創造條件^［5］。綜合性實驗通過自主完成實驗操作及數據處理等環節，可以激發學習能動性，培養團隊意識和創新思維，鍛煉分析能力和實踐技能^［6-7］。

結合“兩性一度”標準的要求，重塑課程教學，是新形勢下三全育人、立德樹人的要求；結合課程特點，反思傳統實驗教學模式的不足，整合教育教學資源，不拘一格改革教學模式，強化自主性、開放性、綜合性實驗拓展訓練，是一流課程建設亟需探討的課題。

一、傳熱學課程特點

思維導向作用強。傳熱學課程是專業核心課程，是公共基礎課與應用性知識為主的專業課之間承上啟下的課程，是構建專業科學知識體系的基礎，也是培養專業邏輯思維、創新思維的基礎。傳熱學課程理論性強，專業關聯課程較多，課程之間和課程內知識點邏輯聯系緊密，工程數學、流體力學、工程熱力學等先導課程的學習會對本課程和后續專業課程的學習產生累積、放大效應。

專業關聯面廣。傳熱學課程內容與生活、生產關聯緊密，理論聯系實際，既能感受傳熱學課程的趣味性，也能體現熱科學、熱技術發展的深遠與無限。注重“冷暖”體驗中對熱工原理的感悟，有利于培養知行合一、舉一反三的工程意識和系統思維，強化相關知識體系的理解和融通，提升解決實際問題的能力。

思政元素豐富。中華民族五千年文明史中，熱科學、熱技術相關的成就光輝燦爛，青銅、陶瓷、印刷、火藥，等等都代表著當時世界最高水平，是推動世界文明進程的重要力量。特別是新中國成立以來，熱科學、熱技術的發展為國家戰略性工程、“卡脖子”技術等方面的突破性成就提供了有力支撐，也充分展現了科技工作者們的精忠報國情懷^［8］。

二、傳熱學實踐教學現狀

目前高校實驗課主要是配合理論教學，開設演示性、驗證性教學實驗，各高校實驗資源差異較大，實驗教學的項目數量、內容、標準難以統一，教學成效也必然參差不齊。部分高校傳熱學實踐教學僅限于針對熱傳導、熱對流、熱輻射等知識點設置的基礎性、演示性、驗證性實驗，如導熱系數、換熱系數測定，換熱器性能測定等，基礎實驗之外的拓展性訓練欠缺。作為專業基礎課，傳熱學實踐教學存在以下局限或不足。

（一）"不能體現“兩性一度”要求

常規演示性、驗證性實驗教學項目思維導向性不強，知識拓展性不足，僅結合章節知識點編寫教學大綱和操作規程，實驗內容單薄，操作程序簡單，主要目標在于促進對相應理論知識點的理解，并不強調對章節、課程、專業之間的知識融通。另外，某些地方院校、新建本科院校受實驗資源、師資水平等因素的制約，實驗課的開設一定程度上是為了滿足教學大綱、專業評估等各類考核指標的基本要求，開放性、綜合性、設計性、體驗性實驗開設不足，高階性、創新性、挑戰度訓練目標難以體現。

（二）"不能體現專業核心課程價值要求

傳熱學實驗教學的重要目的是增強專業感性認識，形成專業判斷直覺，鍛煉專業實踐技能，并能依托實驗過程將知識點關聯“結網”，可以更好地“捕魚”，但內容單薄的基礎性實驗不利于碎片化知識點的整合，也不利于系統思維的培養。另外，與基本概念及原理相關的演示性、驗證性實驗，在約束條件下實驗過程較規范化，實驗結果較理想化，即便演示、驗證效果良好，也難以使學生形成觸類旁通的專業系統思維和創新意識，難以培養現代工程思維和工匠精神。

（三）"不能適應現代教學節奏和內容密度要求

互聯網、VCR、VR等現代技術日益在教育領域廣泛滲透，突破了傳統教學模式的時空局限，拓展了知識傳播、技能訓練的渠道，開闊了思維引導、思想啟迪的視野，由此引發教學模式、體系的深刻變革。但是，內容集中、單薄的演示性、驗證性實驗項目設備投入高，場地空間需求大，難以發揮現代信息、仿真等技術的集成優勢，難以適應現代教學節奏緊湊、內容密度大的要求。資源條件相對欠缺、辦學積淀相對薄弱的地方高校、新建院校，不能快速構建滿足實驗教學需求的實驗室體系。

三、“兩性一度”要求下實驗教學改革目標

（一）"構建機制化三全育人體系

熱的利用與熱傳遞的控制在生產生活中無處不在。創新實驗教學思路，對傳統的實驗教學模式和體系進行改革，突破演示性、驗證性教學實驗的不足，開設綜合性、設計性、體驗性實驗，是落實三全育人、立德樹人理念的有效途徑。一方面，借助虛擬仿真實踐教學平臺、數值模擬中心、校外實習基地等校內外實驗教學資源，形成機制化的產教融合、協同育人體系。另一方面，將現實生活情境中的典型熱工過程自主設計成體驗性實驗或數值模擬實驗。通過不同條件下實驗數據、結果的對比分析，培養勤于思考的專業自覺，感受自然科學與生活、藝術滲透交融的魅力。

（二）"體現“兩性一度”實驗教學要求

高階性。高階性強調知識與訓練有機融合，構建傳熱學課程與先導課程、后續專業課程的知識關聯網絡與思維導圖，培養學生解決復雜熱工問題的綜合能力和系統思維。在訓練中抓住主要矛盾，把握矛盾主要方面，培養專業直覺和見地。

創新性。創新性強調發揮“互聯網+”優勢，突破時空約束和資源局限。課程內容反映前沿性和時代性，教學形式呈現先進性和互動性，學習結果具有參考性和獨特性，注重沉浸式探索和綜合性分析，在知行合一的體驗及感悟中培養創新意識。

挑戰度。挑戰度強調課程應具備一定難度，針對教師備課和學生預習兩個方面提出了較高要求，旨在實現因材施教，教學相長。教師需優化教學設計，考慮學生知識、技能基礎和個人興趣，制定個性化實驗方案，強化實驗綜合性、拓展性、創新性和體驗性。

（三）"提升實驗教學綜合素養進階層次

知識目標。理解熱傳導、對流、輻射等基本概念及相關原理，理解專業領域中典型的綜合傳熱的機理及影響因素，理解場耦合、場協同原理，理解相似、模擬等傳熱學實驗研究基本原理和方法，了解傳熱學實驗技術、工程技術發展現狀和研究前沿、熱點。

能力目標。通過綜合性、設計性實驗項目訓練，培養解決較復雜熱工問題的工程系統思維，以及工程設計和運行管理的創新思維，構建先導課程、熱工課程以及后續專業課之間的知識關聯網絡，學會結“網”捕“魚”的學習和探索模式，知識、技能結構持續提升，專業感悟、見地持續自新。

價值目標。理解中華傳統文化、生態文明建設中的熱科學、熱技術，理解熱工領域中“失之毫厘，謬以千里”的精妙與機理，理解現代信息、技術環境下的新工匠精神的內涵。能在專業工作中體現辯證唯物主義，樹立社會主義生態文明觀，堅定“四個自信”，強化“人與自然是生命共同體”。

四、綜合性實驗教學改革要求與案例

（一）"綜合性實驗的要求

結合課程特點探索實驗教學新模式是一個永久性的課題，新形勢下傳熱學實驗教學改革的建設性探索具體包括與虛擬實驗平臺、多媒體技術結合^［8］，加強數字化建設^［9］，問卷調查^［10］、翻轉模塊化^［11］教學模式創新等。綜合性實驗是指實驗內容、原理及分析涉及對本課程知識的綜合應用，或本課程與相關課程知識的綜合應用，學生需要運用特定一門課程或相關聯的若干門課程的知識、技能和方法完成復合型實驗內容，實現綜合訓練的目標。

傳熱學綜合性實驗應體現以下五點。（1）實驗內容涉及流體力學、工程熱力學等課程的知識點，或相關聯課程的知識點。（2）實驗呈現主要實驗參數控制下的不同典型工況，實驗現象、結果、結論對比鮮明。（3）實驗分析需要一定的工程數學技巧，以及MATLAB、Excel等專業軟件的應用基礎。（4）實驗數據可以作為ANSYS等專業軟件數值模擬實驗、虛擬實驗的驗證或對比數據。（5）實驗內容在生產生活中可以復制或重現，實驗結果和結論可以為熱工自主控制設計與實驗提供參考。

（二）"對流換熱綜合實驗

1.實驗內容

（1）實驗感知對流換熱的影響因素，如流動狀態、相變、換熱表面特性、流體物理性質等。（2）實測流體流量、溫度、壓力等參數，計算雷諾數Re、努謝爾特數Nu、對流傳熱系數h與換熱系數k等數據。（3）用準則方程計算努謝爾特數Nu、對流傳熱系數k，在對數坐標上繪制努謝爾特數Nu、雷諾數Re的實驗值、計算值變化曲線，并做比較分析。

2.實驗平臺

基于對流換熱綜合實驗訓練目標設計實驗平臺，主要部件包括1臺數據分析電腦、3個套管式換熱器、1個蒸汽發生器、1個水泵、2個風機、1個管翅式換熱器、3個流量計，以及溫度、壓力數據采集傳感器若干。套管換熱器的外管形式一致，設觀察窗、照明燈等觀察部件，內管分別為翅片管、光滑管、擾流管。數據可以自動采集、傳輸，計算機自行計算出雷諾數Re、努謝爾特數Nu、對流傳熱系數h與換熱系數k等數據。實驗裝置如圖1所示。可選擇和調節的參數主要包括三部分。（1）熱交換實驗工質，蒸汽、空氣、水。（2）換熱器內管形式，翅片管、光滑管、擾流管。（3）可調節狀態參數，流體流量、溫度、壓力。

3.拓展訓練

（1）數值模擬實驗。基于ANSYS、MATLAB等軟件的對流換熱數值模擬分析，實驗數據與模擬數據的對比分析和相互驗證，深入理解對流換熱的機理及其影響因素。（2）自主體驗性實驗。基于對流換熱相關知識的理解，對生活中的對流換熱現象進行自主控制設計或實驗，增強課程的學習趣味性，培養專業敏感、直覺和創新意識。（3）關聯知識融通。構建流體力學、工程熱力學、傳熱學等課程中與對流換熱關聯的知識網絡，領會層流到紊流、相變等換熱現象變化中所包含的矛盾論等哲學原理。（4）“冷暖”文化感悟。中國傳統文化中有很多元素與對流換熱密切相關，深入理解對流換熱機理，會激發新的哲理感悟，如“吹面不寒楊柳風”“春江水暖鴨先知”等。

2020年春季學期，傳熱學課程以網上授課的方式開設自主實踐項目。教學班學生93人，學生參與率100%。完成自主實踐11～15項的學生11人，占11.83%；完成6～10項的學生44人，占47.31%；完成1～5項的學生38人，占40.8%。此外，完成成語、諺語和詩詞“另類解讀”26條及以上的學生18人，占19.35%；完成11～25條的學生70人，占75.27%；完成1～10條的學生5人，占5.38%。記錄傳熱學體驗日記26篇及以上的學生11人，占11.83%；完成11～25篇的學生64人，占68.82%；完成1～10篇的學生18人，占19.35%。

拓展訓練實驗案例為燒開水實驗，學生自主觀察對流換熱，包括五個階段。一是準備階段。用一口較大容積的鍋燒開水，固定若干支精度為0.1 ℃的溫度計，感溫包分別靠近壁面、中心等不同位置。如果條件許可，采用大玻璃容器代替燒鍋，便于現象觀測。二是設置階段。改變容器盛水深度，改變熱源和加熱方式，如柴火、炭火外加熱，熱得快內加熱等，加熱位置設置為底部、側面、上面等。三是觀測階段。水由涼變熱，再到沸騰的過程中，有哪些現象、參數變化，如氣泡、溫度、聲音的變化等。四是分析階段。不同加熱方式下的熱過程分析，及其與沸騰現象差異的關聯性分析。五是解釋階段。分析“開水不響，響水不開”“揚湯止沸”此類現象的原理。

4.實驗報告

綜合性實驗報告內容包含基本內容和拓展內容，中等及以上實驗成績必須有較系統的拓展性內容。基本內容主要包括實驗室工作的描述、記錄、整理和分析，拓展性內容是選擇性、開放性內容，學生可結合個人興趣、條件自主安排。拓展內容可以是文字描述、數據記錄，也可以結合設計圖紙、實物照片、情景影像資料等。

（1）基本內容。實驗目的、原理、內容說明，以及實驗平臺介紹；實驗過程描述、數據記錄和分析，包括公式擬合、數據圖表和誤差分析等；對流換熱機理及影響因素分析。對流換熱關聯知識網絡圖如圖2所示。（2）拓展內容。與對流換熱緊密相關且融合中國傳統文化元素的科學、哲理、情懷感悟；實驗數據與數值模擬數據的對比分析、相互驗證；生活情景中對流換熱控制的自主設計和體驗性實驗，包括內容描述、過程記錄、現象和數據分析等。

五、綜合性實驗教學“兩性一度”分析

《意見》明確指出：“以提升教學效果為目的創新教學方法。強化課堂設計，解決好怎么講好課的問題，杜絕單純知識傳遞、忽視能力素質培養的現象。強化現代信息技術與教育教學深度融合，解決好教與學模式創新的問題，杜絕信息技術應用的簡單化、形式化。強化師生互動、生生互動，解決好創新性、批判性思維培養的問題，杜絕教師滿堂灌、學生被動聽的現象。”^［1］課程教學需要結合《意見》要求，創新課程教學設計和課程模式，激發學習興趣，引導深入思考，實現由知識傳遞到思維訓練、價值引領、思想升華的教學目標進階。對流換熱綜合實驗教學的“兩性一度”教學目標分析如表1所示。

六、綜合性實驗教學成效分析

突破傳統課堂的時空約束，重塑實驗教學，踐行立德樹人、知行合一的教育理念，既是“兩性一度”的要求，又是三全育人的要求。深化三全育人教育教學改革是提高教育成效的關鍵。三全育人是對當下育人內容、載體、資源的整合，更是對長遠育人格局、體系、標準的重新建構。深化三全育人，“全”是關鍵。實施三全育人綜合改革，必須聚合校內外各類育人資源，實現育人主體、時間、空間三個維度的有效協同，實現人人、時時、處處育人^［12］。傳熱學綜合實驗改革探索目標就是構建三全育人大格局，實現全員育人無缺位，讓學生成長過程的所有關聯主體深度參與育人；全過程育人無斷檔，留心處處皆學問，在生活、學習交融的探索、體驗、感悟中自省自新；全方位育人無空白，突破傳統課堂時空約束和第一、第二課堂界限，在知行合一的歷練中實現德智體美勞全面發展。

傳熱學綜合性實驗教學的改革突出了傳熱學課程思維導向作用強，教學內容與生產、生活、文化關聯緊密，滲透深遠的特點，鞏固了專業基礎課、核心課的地位，體現了“互聯網+”時代特色。綜合性實驗教學改革的開放性、拓展性有利于激發學生的創新內驅力，讓傳熱學實驗課程由被動性應付變成主動性愛好，由程序性教學環節變成沉浸性求知探索，增強了教學成效的內在保障。同時，傳熱學綜合性實驗教學的改革有利于借助“互聯網+”等現代技術體系的優勢，創新基層教育教學組織、運行機制，組建教學共同體或教學聯盟，跨主體、跨學科、跨區域、跨行業實現教育教學資源共享，從而弱化不同院校、學科之間的教學資源差異，增強了教學成效的外在保障。

七、結語

重塑實驗教學，發揮現代技術的優勢，創新實驗教學模式，強化實驗內容體驗，由基本原理演示、理論驗證進階為綜合性實驗，使實驗成為知識重構、思維訓練和思想引領的綜合素養培養載體。將知識傳授、能力培養和價值引領三者融為一體，是新形勢下課程建設的根本目的，是立德樹人，培養德才兼備創新型人才的必然要求。

傳熱學綜合性實驗教學應改革教學設計，突破傳熱學專業基礎課實驗教學內容單薄、形式單一等限制，杜絕碎片化、純粹化知識傳遞，杜絕實驗教學單一化、形式化、程式化重復。注重教學互動與模式創新，注重系統思維、專業直覺和創新意識的培養，注重不拘一格、知行合一的綜合素養拓展訓練，鼓勵自主設計拓展性、趣味性實驗，激發專業興趣和探索內驅力。

綜合性實驗教學改革體現了三全育人的要求，結合了當代學生的心智特點，鞏固了傳熱學課程的學科特點和專業地位，借助“互聯網+”等技術優勢，增強了教學成效的內在、外在保障。

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Reform of experiment teaching of heat transfer"course under the requirement of two characteristics and one degree

LUO Qinghai，"TU Min，"CHEN Guojie，"XIONG Jun

（School of Civil Engineering， University of South China， Hengyang 421001， P.R.China）

Abstract： Reshaping curriculum teaching is an urgent issue in the construction of first-class curriculum. Combining with the spirit of Implementation Opinions on the Construction of First-class Undergraduate Courses of the Ministry of Education， the characteristics of heat transfer course are analyzed， the shortcomings of the current practical teaching are summarized， the reform idea of experiment teaching is put forward under the new situation， and in view of the experimental teaching reform case of convective heat transfer， the teaching idea analysis and effectiveness analysis based on two characteristics and one degree are conducted. Breaking through the time-space constraints of laboratory classroom teaching， reforming experimental teaching without sticking to one pattern， strengthening independent， experiential， and comprehensive expand training， and integrating knowledge fusion， skill training， thinking enlightenment and thought guidance， are effective ways to implement the concept of three-all education and moral education.

Key words： two characteristics and one degree; experiment teaching; expand training; three-all education

（責任編輯""代小進）

基金項目：湖南省教育科學“十四·五”規劃課題（編號XJK22CGD013）

作者簡介：羅清海（1969—），男，南華大學土木工程學院教授，博士，主要從事建筑環境控制與節能、高等工程教育研究，（E-mail）673808769@qq.com。