“工程热力学与传热学”实验教学改革与优化探讨

王志军 邓奇根 潘荣锟

（[1]安全工程国家级实验教学示范中心（河南理工大学） 河南·焦作 454003；[2]河南理工大学安全科学与工程学院 河南·焦作 454003）

1 “工程热力学与传热学”实验教学重要性

“工程热力学与传热学”是一门研究热能有效利用及热能和其它形式能量（机械能）转换规律的科学，目的是通过研究热能转换规律和热传递规律，探寻热转化效率的途径从而提高能源的有效利用率。[1]目前生产生活中广泛涉及的许多工程技术问题最终都可归结为能量的有效利用及传递问题，包括能源有效利用、节能环保、新能源开发利用等领域，因此，熟悉掌握工程热力学与传热学相关的理论知识与研究方法对本科生今后从事科学研究、工程应用等工作都极为重要。[2]这门课的特点是专业名词及概念较多，理论性、概念性较强，且原理较为抽象晦涩较难理解，[3]计算公式较多，限制条件较多，使用条件比较复杂，课本内容和生活实际脱离较大，同时又具有很强的工程应用背景，被认为是一门“两难”课程，即“老师难教”“学生难学”。[4]工程热力学与传热学实验教学作为理论联系实际的主要环节，是学生深化理解和巩固课程理论知识的重要途径，是课堂教授知识的有益补充，有助于学生掌握和熟悉基本科学实验方法，培养学生严谨的、实事求是的科学研究工作作风，也是解决课程教学“两难”问题的重要途径。[5]因此，探索先进、合理、具有创新理念的实验教学内容与教学手段对于保证实验教学效果具有重要意义。

2 课程实验教学存在问题

（1）重视程度不够，投入较少，实验设备欠缺。实验条件是实验室教学赖以开展的基础，包括实验场地及实验设备。近年来随着高校扩招政策的实施，在校学生数量迅速增加，导致一些高校实验室建设与学生数量不匹配，实验场地紧张，实验仪器设备台套数不足。[6]加上一些高校领导对实验教学重视程度不够，普遍存在重视课堂教学、忽视实验教学的现象，使得实验室建设相对滞后，投入明显不足。

（2）实验教学内容不合理。工程热力学与传热学课程理论性、概念性较强，且原理较为抽象晦涩较难理解，[3]计算公式较多，限制条件较多，使用条件比较复杂，学生学习和理解难度较大。实验教学主要目的是弥补学生在课堂教学学习中的不足，进一步加深对重点理论知识和难点知识的理解和认识。受课程总学时的限制，许多高校本课程实验教学大多设置为6 到8个学时，一般为3 到4 个实验项目，实验涉及的知识点偏少，不能涵盖本课程的重点内容，许多高校一般根据原有实验设备情况，开展的实验项目全部是工程热力学涉及的内容，或者全部是传热学涉及的内容，没有做到均匀衡量，导致实验内容失衡。另外，受实验台套数的限制，这些实验大都设置为演示性和验证性实验，学生一般很难获得亲自动手操作的机会，使得学生在做实验时基本没有兴趣，没有去思考实验过程及其中的原理，很难达到启发学生理解、应用所学知识的目的。

（3）实验手段单一，吸引力不足。实验教学方法比较单调，基本采用“学生课前预习实验指导书—老师讲解实验原理及过程—实验操作演示—学生参照指导书做实验—得出实验结果—撰写实验报告”这一灌注式教学模式。

学生在实验过程中不会主动地去学习，往往被动地接受、模仿老师的操作，对实验过程中涉及的实验原理及基础理论没有思考，基本是人在心不在。[7]在一些高校，由于实验台套数的限制，实验大都设置为演示性和验证性实验，学生一般很难获得亲自动手操作的机会，根本不可能起到激发学生学习兴趣、增强动手能力、强化理解所学理论知识的目的，更难说培养学生主观能动性、提高实践动手能力和工程创新能力。

3 课程实验教学改革与优化探讨

（1）重视实验教学，增加实验教学投入，提高学生的重视程度。要高度重视实验教学在提高教学质量与培养学生实践能力中的重要地位，高校教师和学生都要提高对实验教学的认识，增强对实验教学的重视度，要将实验教学环节作为工程热力学与传热学课程教学必不可少的重要内容。实验教学效果的好坏取决于能否有助于帮助学生破解课程的重点与难点内容，能否激发学生的求知欲望、提高学生学习兴趣。实验指导教师和理论课教师要积极正确引导学生动手做实验，助力学生树立积极的实验教学态度。同时，学生也要积极主动配合，带着问题去实验，在实验过程中探索规律、寻找答案。做完实验后，要认真填写实验报告，不要照搬照抄实验指导书，要根据自己的理解和掌握进行必要的探讨和总结。

作为实验教学的必备硬件条件，实验设备的质量与数量对于保障实验效果至关重要。良好的实验条件和环境，高质量的实验设备是提高课程实验教学质量的重要基础。高校教学管理部门要高度重视实践教学，加大实验仪器设备的投入，多方筹措经费对不能适应新实验教学模式现有的实验仪器设备进行更新，增补需增设实验项目仪器，并保证一定的台套数，为学生创造更好的实验条件与环境。

（2）改革实验教学内容，突出教学重点及难点。实验教学作为课程教学的有机组成部分，实验教学项目及内容的设置至关重要。要围绕学生普遍反映的难点内容开展实验教学，工程热力学与传热学重难点包括热力学第一定律、理想气体热力性质与热力过程、热力学第二定律、水蒸气与湿空气、导热、对流换热、辐射换热等内容。为了使实验平衡，建议工程热力学部分与传热学部分各设置两个实验，或者工程热力学部分设置三个实验，传热学部分设置一个综合型实验。例如，在工程热力学部分设置空气绝热指数测试实验、二氧化碳临界状态参数观察及p-v-T 关系测试实验以及制冷供热系数测定实验，为增强学生的动手实践能力，这些实验均要由验证性或演示性实验改进为设计性或综合性实验。如空气绝热指数测定实验，要让学生在实验过程中边操作边讲解热力系统经历的状态，让学生亲眼观察热力过程中绝热、定容及定温等定值热力过程的实现方法，观察和分析热力系的状态和过程特征，熟悉以绝热膨胀、定容加热基本热力过程为工作原理的绝热指数测定实验方法，通过该实验让学生掌握理想气体基本热力过程这一章内容，与课堂教学内容融合贯通，从而让学生产生更深刻的记忆。很多验证性的实验项目，完全可以发挥学生的主观能动性，从验证性向设计性或综合性转变。对于传热学部分的实验，可以让学生设计一个综合性传热实验，集合导热、对流等传热过程，加深对导热系数、导温系数、对流换热系数的理解和认识。

（3）改进实验教学方法，采用多种实验教学模式，增强学生创新能力。先进的实验手段与方法对于提高实验教学效果具有重要作用，尝试采用多种有益的实验教学模式增强学生动手能力与思考能力，激发学生创新意识。可以采用数值模拟方法进行传热学部分实验，运用专业CFD 软件Fluent，让学生模拟一维稳态导热、二维双热源稳态导热及二维导热+对流温度场，通过数值模拟，让学生理解和掌握应用现代计算机技术进行数值求解传热传质问题的方法，建立运用计算机求解实际问题所遵循的一般原理和步骤，让学生学会操作计算机数值分析软件进行离散化，设置几何、物理、边界及时间条件，通过求解代数方程组，最终求得整个计算区域的场分布情况，最后通过彩色图片或动画对传热过程进行展示，让学得到通过物理实验难以得到的数据和结果，拓宽学生的知识面，巩固加深所学传热学原理，让学生既学会了软件的使用，学到了研究问题的新方法，又加深了对专业理论和实验知识的理解。对热能动力装置的理解是工程热力学部分的重点也是难点，由于热力装置均比较复杂，如何通过简单的表达与描述来准确说明热能动力装置的工作原理对于解释工程热力学的学习目的至关重要。实验教学时可以设计让学生自己动手制作简易的热能动力装置，如走马灯、汽转球、压气机等实体模型，增强学生动手能力吸引学生注意力，提高学习兴趣，引导学生积极思考，培养学生的创新意识和创新能力。

4 结语

针对工程热力学与传热学实验教学中存在重视程度不够，投入较少，实验设备欠缺；实验教学内容不合理；实验手段单一，吸引力不足等问题，提出了重视实验教学，增加实验教学投入，提高学生重视程度；改革实验教学内容，突出教学重点及难点；通过改进实验教学方式方法，积极采用多种有益的实验教学模式，增强大学生创新创造意识与能力的实验教学改革与优化方案，对于提高工程热力学与传热学课程实验教学效果，增强大学生实践动手能力和创新创造能力，培育适应新时代要求的专业工程技术人才具有一定的借鉴意义与应用价值。