開放式立體化熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐與探索

宋福元　張國(guó)磊　孫寶芝　高峰　張鵬　劉博

摘要：實(shí)踐教學(xué)是高校教學(xué)工作的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑。熱工實(shí)驗(yàn)是能源動(dòng)力類熱工理論教學(xué)的重要組成部分，文章在總結(jié)了我校近年來(lái)熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的經(jīng)驗(yàn)及實(shí)施全面素質(zhì)教育要求的基礎(chǔ)上，提出了開放式立體化熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的人才培養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：熱工實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；素質(zhì)教育

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）52-0145-02

黨的十七大提出“優(yōu)先發(fā)展教育，建設(shè)人力資源強(qiáng)國(guó)”，要求全面貫徹黨的教育方針，實(shí)施素質(zhì)教育，更新教育觀念，深化教學(xué)內(nèi)容方式改革，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。從我國(guó)教育實(shí)際出發(fā)，素質(zhì)教育的目標(biāo)要突出兩個(gè)重點(diǎn)，就是要以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為重點(diǎn)。高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在本科教學(xué)中占有重要的地位，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新思維、分析和解決問(wèn)題的能力、提高綜合素質(zhì)等方面起著積極的作用。本文結(jié)合我校的熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及實(shí)施全面素質(zhì)教育教學(xué)要求，在構(gòu)建熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)資源、開放實(shí)驗(yàn)管理、開發(fā)綜合性實(shí)驗(yàn)裝置、強(qiáng)化自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)、豐富考評(píng)手段、編寫高水平教材等方面進(jìn)行改革，逐步形成開放式立體化熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。

一、優(yōu)化整合，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系

圍繞學(xué)校辦學(xué)定位和人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合課題的研究，積極開展開放式立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以學(xué)校大力推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室開放教學(xué)和加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備投入為契機(jī)，重新設(shè)計(jì)熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。按內(nèi)容分段、分級(jí)，建立了基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三級(jí)教學(xué)平臺(tái)。建設(shè)跨專業(yè)、跨院系，面向本科生開設(shè)基礎(chǔ)類型實(shí)驗(yàn)課，按照理論課學(xué)習(xí)的內(nèi)容和進(jìn)度進(jìn)行設(shè)置，如傳熱學(xué)學(xué)完導(dǎo)熱理論部分，可開設(shè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測(cè)量絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，幫助理解無(wú)限大平板的第二類邊界條件的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本原理；工程熱力學(xué)學(xué)完比熱容的概念后，可開設(shè)空氣定壓比熱容測(cè)量實(shí)驗(yàn)；學(xué)完水和水蒸氣的熱力性質(zhì)，可開設(shè)水蒸汽飽和壓力與飽和溫度關(guān)系實(shí)驗(yàn)等，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，包括常用儀表的原理與使用，綜合應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)如大容積沸騰規(guī)律實(shí)驗(yàn)，風(fēng)洞中橫吹單管、多管對(duì)流換熱規(guī)律實(shí)驗(yàn)，等等，可培養(yǎng)學(xué)生綜合所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；計(jì)性實(shí)驗(yàn)可培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、獨(dú)立實(shí)踐能力，實(shí)驗(yàn)室要準(zhǔn)備好足夠數(shù)量的可搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各種單元組件、小型工具、量測(cè)儀表等，以供學(xué)生獨(dú)自搭建、改建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)選用。碩士研究生、博士研究生在其研究課題方向查閱資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案等，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際能力。形成了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、工程觀念和動(dòng)手能力進(jìn)行綜合培養(yǎng)的開放式、立體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系，該體系將知識(shí)與能力培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

二、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室管理，全面開放實(shí)驗(yàn)室

建立了“資料檔案化，制度規(guī)范化，資源共享”的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理模式。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室管理的基礎(chǔ)上，全面開放實(shí)驗(yàn)室，組織課外興趣小組開展課外科技活動(dòng)和競(jìng)賽等多種形式，營(yíng)造培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的良好氛圍。搞好開放實(shí)驗(yàn)室、組織興趣小組、開展課外科研活動(dòng)和競(jìng)賽等第二課堂活動(dòng)，是深化立體化、開放式熱工實(shí)驗(yàn)教改的重要方面，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、全面推進(jìn)素質(zhì)教育的重要途徑。學(xué)生可以充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，推進(jìn)不同層次學(xué)生的開放式教學(xué)。每年組織學(xué)生利用所學(xué)的工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)基本知識(shí)進(jìn)行科技創(chuàng)新，如太陽(yáng)能利用方面，先后獲得3項(xiàng)全國(guó)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目，在太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換、光熱裝換、太陽(yáng)能儲(chǔ)存、太陽(yáng)能光電光熱一體化技術(shù)等方面取得了一定的成果。在污水源熱泵、熱電冷聯(lián)供的沼氣綜合利用、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等方面參加全國(guó)挑戰(zhàn)杯、全國(guó)節(jié)能減排大賽，屢獲佳績(jī)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

三、改進(jìn)教學(xué)方法，強(qiáng)化自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)

從我校的實(shí)踐看，單就熱工實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)施的質(zhì)和量都有了很大的提高。教學(xué)方法可謂形式多樣、內(nèi)容豐富，采用多媒體教學(xué)形式，研制多媒體教學(xué)軟件，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課件，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理系統(tǒng)，建立實(shí)驗(yàn)室教學(xué)網(wǎng)站，將實(shí)驗(yàn)課程信息、教學(xué)視頻、多媒體課件、虛擬實(shí)驗(yàn)課件等上傳教學(xué)網(wǎng)站，虛擬仿真課件。學(xué)生可以隨時(shí)登陸網(wǎng)站查詢實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備狀況，以便安排自己的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)多媒體課件預(yù)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，了解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法以及儀器設(shè)備的使用，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課件根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作，掌握實(shí)驗(yàn)步驟及儀器設(shè)備操作方法，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作打下良好的基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生可自主實(shí)驗(yàn)，教師只進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)及考評(píng)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注意培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、工程觀念、動(dòng)手能力。學(xué)生通過(guò)教學(xué)網(wǎng)站可以進(jìn)行課后復(fù)習(xí)，鞏固實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)輔助理論教學(xué)。通過(guò)立體化教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生撰寫小論文、課程設(shè)計(jì)和學(xué)術(shù)論文等，進(jìn)行創(chuàng)造性教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。

四、增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力，建立考核機(jī)制

用新穎、有趣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，是增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力的一個(gè)有效途徑，是從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師一直所努力的方向，但并不是所有的實(shí)驗(yàn)都是那么有趣的，更不能讓一些學(xué)生因?yàn)閷?duì)實(shí)驗(yàn)沒有興趣就敷衍了事。對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練有一定的強(qiáng)制性，要針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建立有效的考核制度。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都應(yīng)該有明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮团囵B(yǎng)目標(biāo)，對(duì)成績(jī)的評(píng)定，不能以是否參加實(shí)驗(yàn)作依據(jù)，而是要以是否達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)。將詳細(xì)的考核方法在熱工實(shí)驗(yàn)課程要求中加以規(guī)定，對(duì)所有實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目，根據(jù)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)組織、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等全程、客觀、全面、公正地評(píng)定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?？己顺煽?jī)的組成為：預(yù)習(xí)成績(jī)占20%，實(shí)驗(yàn)過(guò)程占50%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占30%。

五、開發(fā)研制高水平綜合性、設(shè)計(jì)性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

充分挖掘?qū)嶒?yàn)室的潛力，結(jié)合科研項(xiàng)目，開發(fā)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)本科生、研究生開放。比如實(shí)驗(yàn)室利用校基金及實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)經(jīng)費(fèi)，組織學(xué)生自主開發(fā)了渦流管綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可進(jìn)行渦流管進(jìn)出口流量、溫度、壓力及內(nèi)部溫度分布、壓力分布等測(cè)試，對(duì)渦流管能量分離效率進(jìn)行評(píng)定，并進(jìn)行渦流管能量分離機(jī)理研究；本科生在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上學(xué)習(xí)和了解渦流管的工作基本原理，可自主設(shè)計(jì)渦流管的結(jié)構(gòu)，如改變渦流室的直徑、噴嘴的形狀及尺寸、分離孔板的直徑、熱端管的長(zhǎng)度、熱端閥的形狀等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究這些參數(shù)對(duì)冷熱氣體分離效果的影響，優(yōu)化渦流管的結(jié)構(gòu)，使學(xué)生掌握狹小空間溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的測(cè)量方法及測(cè)試儀表的使用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。碩士生通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究渦流管內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)側(cè)向手段及測(cè)量方法，研究并設(shè)計(jì)測(cè)量?jī)x器，結(jié)合數(shù)值模擬的手段獲得渦流管內(nèi)部氣體流動(dòng)規(guī)律、溫度分布規(guī)律及壓力分布規(guī)律，利用流體力學(xué)、傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)等基本理論揭示渦流管能量分布規(guī)律。

六、編寫高水平教材

在熱工領(lǐng)域許多教師的共同努力下，目前內(nèi)容成熟、教學(xué)適應(yīng)性好的“熱工實(shí)驗(yàn)”指導(dǎo)有很多。但是由于每所學(xué)校的側(cè)重點(diǎn)不同，硬件條件不同，所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也不一樣，因此沒有統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)教材，經(jīng)過(guò)熱工實(shí)驗(yàn)課程組討論，為適應(yīng)新的教學(xué)要求，深入研究教學(xué)規(guī)律，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，重新編寫了熱工實(shí)驗(yàn)教材。在總結(jié)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)新的需求的基礎(chǔ)上，將熱工實(shí)驗(yàn)分成兩部分來(lái)編寫，并將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照新規(guī)劃的熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將熱工參數(shù)基本測(cè)量及基本測(cè)量?jī)x器設(shè)備補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，實(shí)驗(yàn)按照基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)及自主實(shí)驗(yàn)來(lái)劃分。正式出版了工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)、傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)等教材。通過(guò)以上教學(xué)改革與實(shí)踐，逐步形成了開放式立體化的熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生可以通過(guò)預(yù)約隨時(shí)到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)自己感興趣的課題進(jìn)行研究，通過(guò)申請(qǐng)可以利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備進(jìn)行科技創(chuàng)新，真正實(shí)現(xiàn)了開放式教學(xué)。學(xué)生可以通過(guò)教材、教學(xué)網(wǎng)站、教學(xué)課件及實(shí)驗(yàn)過(guò)程虛擬仿真等手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的課前預(yù)習(xí)，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)儀器的使用，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，真正實(shí)現(xiàn)立體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)多年運(yùn)行，熱工實(shí)驗(yàn)課程每年使我校動(dòng)力與能源工程學(xué)院、核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、航天與建筑工程學(xué)院、國(guó)際合作學(xué)院等院系的能源動(dòng)力工程專業(yè)、輪機(jī)工程專業(yè)、核科學(xué)與核技術(shù)、核反應(yīng)堆工程、核技術(shù)、建筑環(huán)境與設(shè)備、飛行器設(shè)計(jì)、船舶與海洋工程等相關(guān)專業(yè)30多個(gè)班的近1000多名本科生以及相關(guān)動(dòng)力工程及工程熱物理等相關(guān)學(xué)科的研究生受益，并取得了良好的教學(xué)效果。其中部分本科生、研究生利用綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行研究性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究，在《化工學(xué)報(bào)》、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》、《哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)》等雜志發(fā)表相關(guān)研究論文20余篇，EI收錄6篇。通過(guò)科技創(chuàng)新，獲得國(guó)家級(jí)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目10項(xiàng)，獲得省級(jí)以上科技創(chuàng)新一等獎(jiǎng)5項(xiàng)、2等獎(jiǎng)10項(xiàng)。

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