开放式立体化热工实验教学实践与探索

宋福元　张国磊　孙宝芝　高峰　张鹏　刘博

摘要：实践教学是高校教学工作的重要组成部分，是培养学生创新精神、实践能力和就业竞争力的有效途径。热工实验是能源动力类热工理论教学的重要组成部分，文章在总结了我校近年来热工实验教学改革的经验及实施全面素质教育要求的基础上，提出了开放式立体化热工实验教学的人才培养模式。

关键词：热工实验；教学改革；素质教育

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）52-0145-02

党的十七大提出“优先发展教育，建设人力资源强国”，要求全面贯彻党的教育方针，实施素质教育，更新教育观念，深化教学内容方式改革，提高学生综合素质。从我国教育实际出发，素质教育的目标要突出两个重点，就是要以培养学生的创新精神和实践能力为重点。高校的实验教学在本科教学中占有重要的地位，在培养学生的科学精神和创新思维、分析和解决问题的能力、提高综合素质等方面起着积极的作用。本文结合我校的热工实验教学实践经验及实施全面素质教育教学要求，在构建热工实验教学新体系、优化实验资源、开放实验管理、开发综合性实验装置、强化自主实验能力培养、丰富考评手段、编写高水平教材等方面进行改革，逐步形成开放式立体化热工实验教学新模式。

一、优化整合，构建实验教学新体系

围绕学校办学定位和人才培养目标，结合课题的研究，积极开展开放式立体化实验教学，以学校大力推动实验室开放教学和加大实验教学设备投入为契机，重新设计热工实验教学体系。按内容分段、分级，建立了基础性实验、综合性实验、设计性实验三级教学平台。建设跨专业、跨院系，面向本科生开设基础类型实验课，按照理论课学习的内容和进度进行设置，如传热学学完导热理论部分，可开设准稳态法测量绝热材料导热系数测定实验，帮助理解无限大平板的第二类边界条件的非稳态导热的基本原理；工程热力学学完比热容的概念后，可开设空气定压比热容测量实验；学完水和水蒸气的热力性质，可开设水蒸汽饱和压力与饱和温度关系实验等，培养学生的观察能力、理论联系实际的能力，培养学生的实验技能，包括常用仪表的原理与使用，综合应用性实验如大容积沸腾规律实验，风洞中横吹单管、多管对流换热规律实验，等等，可培养学生综合所学知识分析问题、解决问题的能力；计性实验可培养学生创新意识、独立实践能力，实验室要准备好足够数量的可搭建实验平台的各种单元组件、小型工具、量测仪表等，以供学生独自搭建、改建实验平台时选用。硕士研究生、博士研究生在其研究课题方向查阅资料、设计实验方案等，培养学生的实际能力。形成了对学生创新意识、工程观念和动手能力进行综合培养的开放式、立体化的实验教学新体系，该体系将知识与能力培养有机结合起来，充分调动了学生自主学习的积极性。

二、优化实验室管理，全面开放实验室

建立了“资料档案化，制度规范化，资源共享”的科学实验室管理模式。在优化实验室管理的基础上，全面开放实验室，组织课外兴趣小组开展课外科技活动和竞赛等多种形式，营造培养学生创新能力的良好氛围。搞好开放实验室、组织兴趣小组、开展课外科研活动和竞赛等第二课堂活动，是深化立体化、开放式热工实验教改的重要方面，也是培养学生创新能力、全面推进素质教育的重要途径。学生可以充分利用实验室资源，推进不同层次学生的开放式教学。每年组织学生利用所学的工程热力学、传热学基本知识进行科技创新，如太阳能利用方面，先后获得3项全国大学生科技创新项目，在太阳能光电转换、光热装换、太阳能储存、太阳能光电光热一体化技术等方面取得了一定的成果。在污水源热泵、热电冷联供的沼气综合利用、斯特林发动机等方面参加全国挑战杯、全国节能减排大赛，屡获佳绩，激发了学生的学习热情。

三、改进教学方法，强化自主实验能力培养

从我校的实践看，单就热工实验以及相关的实验教学，实验硬件设施的质和量都有了很大的提高。教学方法可谓形式多样、内容丰富，采用多媒体教学形式，研制多媒体教学软件，虚拟仿真实验课件，开发网络教学管理系统，建立实验室教学网站，将实验课程信息、教学视频、多媒体课件、虚拟实验课件等上传教学网站，虚拟仿真课件。学生可以随时登陆网站查询实验室仪器设备状况，以便安排自己的时间进行实验。通过多媒体课件预习相关实验内容，了解实验原理、实验方法以及仪器设备的使用，通过虚拟仿真实验课件根据实际实验步骤进行实验模拟操作，掌握实验步骤及仪器设备操作方法，为现场实验操作打下良好的基础。在实验过程中学生可自主实验，教师只进行现场指导及考评。在实验教学中注意培养学生的创新意识、工程观念、动手能力。学生通过教学网站可以进行课后复习，巩固实验教学内容，通过实验教学来辅助理论教学。通过立体化教学手段，引导学生设计实验，指导学生撰写小论文、课程设计和学术论文等，进行创造性教学，激发学生的学习主动性和积极性。

四、增强学习动力，建立考核机制

用新颖、有趣的实验内容来增强学生对实验的兴趣，变被动学习为主动学习，是增强学习动力的一个有效途径，是从事实验教学的教师一直所努力的方向，但并不是所有的实验都是那么有趣的，更不能让一些学生因为对实验没有兴趣就敷衍了事。对学生的实验训练有一定的强制性，要针对实验教学建立有效的考核制度。每个实验都应该有明确的实验目的和培养目标，对成绩的评定，不能以是否参加实验作依据，而是要以是否达到培养目标为标准。将详细的考核方法在热工实验课程要求中加以规定，对所有实验课程项目，根据预习实验、现场实验态度、实验组织、实验操作、实验结果和实验报告等全程、客观、全面、公正地评定学生的实验成绩。考核成绩的组成为：预习成绩占20%，实验过程占50%，实验报告占30%。

五、开发研制高水平综合性、设计性创新实验平台

充分挖掘实验室的潜力，结合科研项目，开发综合性、设计性实验平台，对本科生、研究生开放。比如实验室利用校基金及实验教学建设经费，组织学生自主开发了涡流管综合实验平台。该实验平台可进行涡流管进出口流量、温度、压力及内部温度分布、压力分布等测试，对涡流管能量分离效率进行评定，并进行涡流管能量分离机理研究；本科生在实验台上学习和了解涡流管的工作基本原理，可自主设计涡流管的结构，如改变涡流室的直径、喷嘴的形状及尺寸、分离孔板的直径、热端管的长度、热端阀的形状等主要结构参数，通过实验研究这些参数对冷热气体分离效果的影响，优化涡流管的结构，使学生掌握狭小空间温度场、压力场的测量方法及测试仪表的使用，培养学生的创新能力。硕士生通过实验研究涡流管内部流场、温度场、压力场侧向手段及测量方法，研究并设计测量仪器，结合数值模拟的手段获得涡流管内部气体流动规律、温度分布规律及压力分布规律，利用流体力学、传热学、工程热力学等基本理论揭示涡流管能量分布规律。

六、编写高水平教材

在热工领域许多教师的共同努力下，目前内容成熟、教学适应性好的“热工实验”指导有很多。但是由于每所学校的侧重点不同，硬件条件不同，所开设的实验项目也不一样，因此没有统一的实验教材，经过热工实验课程组讨论，为适应新的教学要求，深入研究教学规律，结合实验教学改革，重新编写了热工实验教材。在总结多年的教学经验及实践教学新的需求的基础上，将热工实验分成两部分来编写，并将实验内容按照新规划的热工实验教学体系，将热工参数基本测量及基本测量仪器设备补充进来，实验按照基础性实验、综合性实验、设计性实验及自主实验来划分。正式出版了工程热力学实验、传热学实验等教材。通过以上教学改革与实践，逐步形成了开放式立体化的热工实验教学模式，学生可以通过预约随时到实验室进行相关实验，对自己感兴趣的课题进行研究，通过申请可以利用实验室现有的实验仪器和设备进行科技创新，真正实现了开放式教学。学生可以通过教材、教学网站、教学课件及实验过程虚拟仿真等手段进行实验内容的课前预习，学习实验仪器的使用，结合现场教学，真正实现立体化的实验教学模式。实验室通过多年运行，热工实验课程每年使我校动力与能源工程学院、核科学与技术学院、航天与建筑工程学院、国际合作学院等院系的能源动力工程专业、轮机工程专业、核科学与核技术、核反应堆工程、核技术、建筑环境与设备、飞行器设计、船舶与海洋工程等相关专业30多个班的近1000多名本科生以及相关动力工程及工程热物理等相关学科的研究生受益，并取得了良好的教学效果。其中部分本科生、研究生利用综合实验平台进行研究性实验和创新性实验研究，在《化工学报》、《机械工程学报》、《哈尔滨工程大学学报》等杂志发表相关研究论文20余篇，EI收录6篇。通过科技创新，获得国家级大学生科技创新项目10项，获得省级以上科技创新一等奖5项、2等奖10项。

参考文献：

[1]李广华.关于热工基础系列课程改革的建议[J].装备制造技术，2010，（06）.

[2]程显峰.热工课程改革与实践[J].教育教学论坛，2013，（06）.

[3]章立新，余敏，杨茉.关于热工实验教学改革的实践与思考[J].中国电力教育，2002，（04）.

[4]宋福元，张国磊，孙宝芝.多元融合的工程热力学课程教学模式研究[J].教育与职业，2015，（03）.