传热学多层次、创新性实验教学模式的研究

侴爱辉 冯妍卉 张欣欣 郭美荣 高 婷

北京科技大学 北京 100083

传热学多层次、创新性实验教学模式的研究

侴爱辉 冯妍卉 张欣欣 郭美荣 高 婷

北京科技大学 北京 100083

实验教学作为传热学这门课程的重要组成部分，对于加深学生对热量传递过程物理机制的认识，了解其工程应用情况，掌握基本的传热测试方法，提高学生的创新能力和对知识的综合应用能力，起着极其重要的作用。我们从对实验教学内容进行优化整合、实验课件的开发、网络实验教材的建设以及自主研发综合性实验台，到学生自发进行创新性实验，建立起了多层次的创新性实验教学体系。

传热学；创新；实验教学

传热学作为研究热量及质量传递规律的工程技术科学，是热能与动力工程专业主要的专业基础课程，是该学科工程技术人员的整体知识结构、能力培养、素质教育的重要组成部分，同时，也是学科基础课与专业课之间的桥梁。通过这门课的学习可以达到两个目的：使学生获得比较宽广和巩固的热量和质量传递规律的基本知识，具备分析工程传热与传质问题的基本能力，掌握计算工程传热与传质问题的基本方法；为学生以后从事热能的合理利用和转换、热工设备效能优化以及换热器的设计等方面的工作，打下必要的基础。但是，该课理论性强，经验公式多且抽象难懂，须配合各类实验才能使学生更好的理解、消化和吸收相关知识。

高校作为创新性人才培养的基地，担负着培养高素质创新人才的历史重任，以增强学生实践创新能力为主的科学的实验教学模式成为了主流。正是在这样的大环境下，又恰逢传热学申报国家级精品课程之际，结合传热学的课程特点，为之配套了多层次创新性实验教学模式。从实验教学内容的优化整合、实验课件的开发、网络实验教材的建设到自主研发综合性实验台、“背靠背式”的小组评分机制，涉及实验教学的各个环节。通过教学实践证明，这种科学的实验教学模式不仅提升了教学效果，提高了学生的动手能力和参与实验的热情，还有助于培养学生的科研创新能力及对工程问题的解决能力。

1 传热学综合实验平台的建立

结合教学大纲的要求，根据传热实验室的现状，对传热学的实验内容进行优化、整合，增大综合设计性实验的比例，建立起传导、对流、辐射、复合传热四位一体的综合实验平台。在此综合实验平台上，根据实验内容将其分为基础性实验、综合设计性实验以及研究创新性实验。以培养学生的创新能力、创新精神为核心，根据实验性质的不同对学生分别采取不同的授课方式，既增加了教师的教学自主权，又提高了学生参与实验的积极性，做到“因材施教、因地制宜”。

1.1 基础性实验

基础性实验是做好综合性、设计性实验的前提，它的内容较为简单，但对学生深刻领会相关理论知识却起到了事半功倍的效果，其目的是：使学生在生动活泼的环境中加深学生对热量传递过程基础知识、基本原理的理解，掌握基本的热物理量的测量方法和技能以及实验数据的处理手段。

(1)稳态平面热源法测定材料导热系数实验。导热系数是物体的重要属性，是反应物体导热性能的重要指标，因此测定材料导热系数实验对学生认识导热现象的本质和理解物体的特征属性——导热系数有重要的意义。导热系数不仅取决于物质的种类，还与温度有关。本实验以一维稳态导热过程的基本原理为理论依据，可以进行材料导热系数的计算，而且还可以通过改变工况来总结出导热系数与温度的关系。

(2)中温法向辐射时物体黑度的测定实验。本实验采用比较法定性地测定中温辐射时物体的黑度，通过对3组加热器电压的调整，使热源和传导圆筒的测量点恒定在同一温度上，然后分别测出恒温条件下“待测物体”在具有原来表面和熏黑表面2种状态时受到辐射后的温度，从而计算出待测物体的黑度。

1.2 综合设计性实验

综合设计性实验是在理解、掌握基础概念和基本定律的基础上，锻炼学生将各门知识综合运用起来独立地分析问题和解决问题的能力，这样不仅可以检验学生对理论知识的理解程度，还能拓展学生的知识范围，培养学生理论联系实际和科研创新的能力。如综合传热实验，该实验台可以通过干饱和蒸汽在经过翅片管、铜光管、铝管、铜方管、涂黑的铜管、加保温材料的保温管时产生的冷凝水量直接定性地观察出他们的传热性能趋势，还可以通过测量单位时间冷凝水量定量计算出每根管子的传热系数。另外，该实验台还配有1组可移动的风机，可以进行自然对流和强制对流2种状态下的实验。通过对实验方案的设计、对实验现象的观察、对不合理实验现象的分析，学生充分掌握了实验的主动性，不仅锻炼了动手能力，还培养了学生严谨的科研态度。

1.3 研究创新性实验

研究创新性实验为选做实验，主要针对学有余力、热爱科研、勇于实践的学生。如空气横掠圆柱的强迫对流换热实验，为学生自发组织进行的实验项目，是对废弃实验台的二次研发。从实验方案的拟订到实验方案的实行，从实验材料的选取、实验材料的采购到实验材料的组装以至于最终实验台的调试、重整，包括测试数据的整理、测试报告的撰写，全部由学生自主完成。在整个实验系统的关键环节上，学生创新性的通过旋转可调旋钮来控制圆柱的实验段管壁热电偶测量点与来流空气的夹角，从而解决了圆柱体圆周表面任何一点温度的测量问题。由于其综合性强、性能稳定且运行良好，被编入了《传热学实验讲义》，成为热能工程专业本科生的实验内容。在反复修改实验方案，反复调试实验台的过程中，学生从失败中得到的经验教训是书本上没有的，分析问题、解决问题的能力大大提高了，科研能力和创新素质也得到了提升。

2 自主研发综合设计性实验台

鉴于目前常用的测量导热系数的实验装置都较为简单，试样的形状、尺寸相对固定，学生在实验过程中只是被动的操作，创新性设计和自由发挥的空间很小的现状，自主研发了“非稳态热带法测量材料热导率实验系统”。该实验系统不仅成本低、精度高、测量范围广，而且全程电脑采集数据、自动化程度高，采用USB接口数据采集器，开发了相应的包括电压信号测量、热电偶测温、多通道数据采集、数据处理和热参数实时计算多个功能的计算机程序，通过处理软件可以同时得到被测材料的导热系数和热扩散系数这两个物性参数，为科研和教学提供了一个非常好的创新实验平台，有很高的推广价值。通过此实验台，可以使学生更加深入地理解非稳态热传导过程的特点，还可以学习和掌握国际上先进的热物性测量方法，不仅培养了学生的实际动手能力和开发、应用计算机软件的能力，还提高了学生对知识的综合应用能力和对创新性科研工作的热情。

3 营造多元化学习环境，进行实验教学课件的开发

随着计算机虚拟技术的普及，人们越来越多的认识到了它在教学过程中的重要作用，为实验教学的改革提供了崭新的空间和思路。我们将虚拟技术应用于实验教学的各个环节，从实验前的集中备课环节、实验系统的虚拟、微观实验现象的模拟，以至于实验课后的复习，无不渗透着计算机虚拟技术在传热学实验教学中的优势，它使难于理解的物理概念和物理机理变得浅显易懂，加深了学生的感性认识，不仅丰富了实验教学的内容和形式，还激发了学生的学习兴趣和创新性思维。

4 绑定实验小组与“背靠背”式的测评机制有机结合

固定实验小组与“背靠背”式的测评机制有机结合，强化了学生的团队意识，更促进了学生互相监督、互相进步。实验课前，我们将所有学生按每组3人分成若干组，这3个人在整个传热学实验过程中形成了固定的合作学习小组。另外，学期末我们会发给每个同学1份“组内测评表”，要求学生以“背靠背”的形式为自己打分、为组内其他成员打分，每个组最后的平均成绩记入每个成员这门课最终的成绩。这样的“捆绑式”的学绩评价方式突出了小组的作用，小组内各成员成为捆绑的对象，每个组员的表现都将影响整个小组的考评，个人行为与小组行为息息相关，逐步形成“组内互助，组间争优”的学习氛围，使实验室成为学生不断进取的场所。

5 结束语

实验教学作为提高学生动手能力和创造能力的第二课堂，是理解、消化所学知识并将其应用于工程实践的重要途径，是锤炼学生科研素养和创新意识的有力手段，是培养具有工程能力和创新素质的研究型人才的有效途径。而科学的实验教学模式是达到上述目标的前提条件，本文提到的多层次、创新性实验教学模式与“传热学”的课程特点紧密结合，涵盖的内容丰富、广泛，层次分明，且各层次间紧密结合、相辅相成，并且在实验教学中取得了良好的教学效果。今后随着实验室建设的进一步加强、教学改革思路的不断扩展,我们将把这个实验教学模式整合得更加完善,为热能工程的学生奠定坚实的专业理论基础，为培养21世纪“宽口径”复合型高素质人才提供保障。

[1] 杨世铭,陶文铨.传热学(第4版)[M].北京：高等教育出版社,2006

[2] 杨晓燕,钱伟兴,陈宁.培养创新性人才的实验教学体系与模式研究[J].实验室研究与探索,2009,28(11):156～158

[3] 杨宏伟.强化实践环节,促进研究性教学与素质教育相结合[J].实验技术与管理,2007,24(1)：14～16

[4] 于帆,张欣欣,何小瓦.非稳态平面热源法同时测量材料的导热系数和热扩散率[J].宇航计测技术,2006,26(6)：13～18

[5] 传热学实验“水平热圆管表面自然对流换热”计算机虚拟的教学应用.实践与创新[C].北京科技大学本科教育教学改革论文集.北京：高等教育出版社,2007

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 稿件编号：1012003

侴爱辉，硕士，工程师，机械工程学院实验中心副主任。