傳熱學多層次、創新性實驗教學模式的研究

侴愛輝 馮妍卉 張欣欣 郭美榮 高 婷

北京科技大學 北京 100083

傳熱學多層次、創新性實驗教學模式的研究

侴愛輝 馮妍卉 張欣欣 郭美榮 高 婷

北京科技大學 北京 100083

實驗教學作為傳熱學這門課程的重要組成部分，對于加深學生對熱量傳遞過程物理機制的認識，了解其工程應用情況，掌握基本的傳熱測試方法，提高學生的創新能力和對知識的綜合應用能力，起著極其重要的作用。我們從對實驗教學內容進行優化整合、實驗課件的開發、網絡實驗教材的建設以及自主研發綜合性實驗臺，到學生自發進行創新性實驗，建立起了多層次的創新性實驗教學體系。

傳熱學；創新；實驗教學

傳熱學作為研究熱量及質量傳遞規律的工程技術科學，是熱能與動力工程專業主要的專業基礎課程，是該學科工程技術人員的整體知識結構、能力培養、素質教育的重要組成部分，同時，也是學科基礎課與專業課之間的橋梁。通過這門課的學習可以達到兩個目的：使學生獲得比較寬廣和鞏固的熱量和質量傳遞規律的基本知識，具備分析工程傳熱與傳質問題的基本能力，掌握計算工程傳熱與傳質問題的基本方法；為學生以后從事熱能的合理利用和轉換、熱工設備效能優化以及換熱器的設計等方面的工作，打下必要的基礎。但是，該課理論性強，經驗公式多且抽象難懂，須配合各類實驗才能使學生更好的理解、消化和吸收相關知識。

高校作為創新性人才培養的基地，擔負著培養高素質創新人才的歷史重任，以增強學生實踐創新能力為主的科學的實驗教學模式成為了主流。正是在這樣的大環境下，又恰逢傳熱學申報國家級精品課程之際，結合傳熱學的課程特點，為之配套了多層次創新性實驗教學模式。從實驗教學內容的優化整合、實驗課件的開發、網絡實驗教材的建設到自主研發綜合性實驗臺、“背靠背式”的小組評分機制，涉及實驗教學的各個環節。通過教學實踐證明，這種科學的實驗教學模式不僅提升了教學效果，提高了學生的動手能力和參與實驗的熱情，還有助于培養學生的科研創新能力及對工程問題的解決能力。

1 傳熱學綜合實驗平臺的建立

結合教學大綱的要求，根據傳熱實驗室的現狀，對傳熱學的實驗內容進行優化、整合，增大綜合設計性實驗的比例，建立起傳導、對流、輻射、復合傳熱四位一體的綜合實驗平臺。在此綜合實驗平臺上，根據實驗內容將其分為基礎性實驗、綜合設計性實驗以及研究創新性實驗。以培養學生的創新能力、創新精神為核心，根據實驗性質的不同對學生分別采取不同的授課方式，既增加了教師的教學自主權，又提高了學生參與實驗的積極性，做到“因材施教、因地制宜”。

1.1 基礎性實驗

基礎性實驗是做好綜合性、設計性實驗的前提，它的內容較為簡單，但對學生深刻領會相關理論知識卻起到了事半功倍的效果，其目的是：使學生在生動活潑的環境中加深學生對熱量傳遞過程基礎知識、基本原理的理解，掌握基本的熱物理量的測量方法和技能以及實驗數據的處理手段。

(1)穩態平面熱源法測定材料導熱系數實驗。導熱系數是物體的重要屬性，是反應物體導熱性能的重要指標，因此測定材料導熱系數實驗對學生認識導熱現象的本質和理解物體的特征屬性——導熱系數有重要的意義。導熱系數不僅取決于物質的種類，還與溫度有關。本實驗以一維穩態導熱過程的基本原理為理論依據，可以進行材料導熱系數的計算，而且還可以通過改變工況來總結出導熱系數與溫度的關系。

(2)中溫法向輻射時物體黑度的測定實驗。本實驗采用比較法定性地測定中溫輻射時物體的黑度，通過對3組加熱器電壓的調整，使熱源和傳導圓筒的測量點恒定在同一溫度上，然后分別測出恒溫條件下“待測物體”在具有原來表面和熏黑表面2種狀態時受到輻射后的溫度，從而計算出待測物體的黑度。

1.2 綜合設計性實驗

綜合設計性實驗是在理解、掌握基礎概念和基本定律的基礎上，鍛煉學生將各門知識綜合運用起來獨立地分析問題和解決問題的能力，這樣不僅可以檢驗學生對理論知識的理解程度，還能拓展學生的知識范圍，培養學生理論聯系實際和科研創新的能力。如綜合傳熱實驗，該實驗臺可以通過干飽和蒸汽在經過翅片管、銅光管、鋁管、銅方管、涂黑的銅管、加保溫材料的保溫管時產生的冷凝水量直接定性地觀察出他們的傳熱性能趨勢，還可以通過測量單位時間冷凝水量定量計算出每根管子的傳熱系數。另外，該實驗臺還配有1組可移動的風機，可以進行自然對流和強制對流2種狀態下的實驗。通過對實驗方案的設計、對實驗現象的觀察、對不合理實驗現象的分析，學生充分掌握了實驗的主動性，不僅鍛煉了動手能力，還培養了學生嚴謹的科研態度。

1.3 研究創新性實驗

研究創新性實驗為選做實驗，主要針對學有余力、熱愛科研、勇于實踐的學生。如空氣橫掠圓柱的強迫對流換熱實驗，為學生自發組織進行的實驗項目，是對廢棄實驗臺的二次研發。從實驗方案的擬訂到實驗方案的實行，從實驗材料的選取、實驗材料的采購到實驗材料的組裝以至于最終實驗臺的調試、重整，包括測試數據的整理、測試報告的撰寫，全部由學生自主完成。在整個實驗系統的關鍵環節上，學生創新性的通過旋轉可調旋鈕來控制圓柱的實驗段管壁熱電偶測量點與來流空氣的夾角，從而解決了圓柱體圓周表面任何一點溫度的測量問題。由于其綜合性強、性能穩定且運行良好，被編入了《傳熱學實驗講義》，成為熱能工程專業本科生的實驗內容。在反復修改實驗方案，反復調試實驗臺的過程中，學生從失敗中得到的經驗教訓是書本上沒有的，分析問題、解決問題的能力大大提高了，科研能力和創新素質也得到了提升。

2 自主研發綜合設計性實驗臺

鑒于目前常用的測量導熱系數的實驗裝置都較為簡單，試樣的形狀、尺寸相對固定，學生在實驗過程中只是被動的操作，創新性設計和自由發揮的空間很小的現狀，自主研發了“非穩態熱帶法測量材料熱導率實驗系統”。該實驗系統不僅成本低、精度高、測量范圍廣，而且全程電腦采集數據、自動化程度高，采用USB接口數據采集器，開發了相應的包括電壓信號測量、熱電偶測溫、多通道數據采集、數據處理和熱參數實時計算多個功能的計算機程序，通過處理軟件可以同時得到被測材料的導熱系數和熱擴散系數這兩個物性參數，為科研和教學提供了一個非常好的創新實驗平臺，有很高的推廣價值。通過此實驗臺，可以使學生更加深入地理解非穩態熱傳導過程的特點，還可以學習和掌握國際上先進的熱物性測量方法，不僅培養了學生的實際動手能力和開發、應用計算機軟件的能力，還提高了學生對知識的綜合應用能力和對創新性科研工作的熱情。

3 營造多元化學習環境，進行實驗教學課件的開發

隨著計算機虛擬技術的普及，人們越來越多的認識到了它在教學過程中的重要作用，為實驗教學的改革提供了嶄新的空間和思路。我們將虛擬技術應用于實驗教學的各個環節，從實驗前的集中備課環節、實驗系統的虛擬、微觀實驗現象的模擬，以至于實驗課后的復習，無不滲透著計算機虛擬技術在傳熱學實驗教學中的優勢，它使難于理解的物理概念和物理機理變得淺顯易懂，加深了學生的感性認識，不僅豐富了實驗教學的內容和形式，還激發了學生的學習興趣和創新性思維。

4 綁定實驗小組與“背靠背”式的測評機制有機結合

固定實驗小組與“背靠背”式的測評機制有機結合，強化了學生的團隊意識，更促進了學生互相監督、互相進步。實驗課前，我們將所有學生按每組3人分成若干組，這3個人在整個傳熱學實驗過程中形成了固定的合作學習小組。另外，學期末我們會發給每個同學1份“組內測評表”，要求學生以“背靠背”的形式為自己打分、為組內其他成員打分，每個組最后的平均成績記入每個成員這門課最終的成績。這樣的“捆綁式”的學績評價方式突出了小組的作用，小組內各成員成為捆綁的對象，每個組員的表現都將影響整個小組的考評，個人行為與小組行為息息相關，逐步形成“組內互助，組間爭優”的學習氛圍，使實驗室成為學生不斷進取的場所。

5 結束語

實驗教學作為提高學生動手能力和創造能力的第二課堂，是理解、消化所學知識并將其應用于工程實踐的重要途徑，是錘煉學生科研素養和創新意識的有力手段，是培養具有工程能力和創新素質的研究型人才的有效途徑。而科學的實驗教學模式是達到上述目標的前提條件，本文提到的多層次、創新性實驗教學模式與“傳熱學”的課程特點緊密結合，涵蓋的內容豐富、廣泛，層次分明，且各層次間緊密結合、相輔相成，并且在實驗教學中取得了良好的教學效果。今后隨著實驗室建設的進一步加強、教學改革思路的不斷擴展,我們將把這個實驗教學模式整合得更加完善,為熱能工程的學生奠定堅實的專業理論基礎，為培養21世紀“寬口徑”復合型高素質人才提供保障。

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[3] 楊宏偉.強化實踐環節,促進研究性教學與素質教育相結合[J].實驗技術與管理,2007,24(1)：14～16

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Study on multi-level innovative heat transfer experiment teaching

Chou Aihui, Feng Yanhui, Zhang Xinxin, Guo Meirong, GaoTing
University of science and technology Beijing, Beijing, 100083, China

Heat transfer experiment teaching as an important component of this course plays its important role on for undergraduates bettering the physical mechanism of heat transfer process, understanding its engineering applications and controlling basic heat transfer test methods, improving creativity in undergraduates and the comprehensive application of knowledge. We establish the multi-level innovative experiment teaching system by optimizing the experimental integration of course contents, developing experimental courseware, building network experimental teaching material, independently developing a comprehensive test bed and for undergraduates conducting innovative experiments spontaneously. Proved through practice, the teaching good performances.

heat transfer; innovation; experiment teaching

2010-12-02 稿件編號：1012003

侴愛輝，碩士，工程師，機械工程學院實驗中心副主任。