研究生热能与动力工程测试实验教学改革

黄 瑞， 俞小莉， 陈俊玄， 石军平， 季 节

（1.浙江大学a.能源工程学院；b.能源与动力实验教学中心，杭州 310027；2.浙江吉利控股集团有限公司，杭州 310051）

0 引 言

为全面贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》，进一步提高研究生教育质量，教育部、国家发展改革委、财政部联合发布《关于深化研究生教育改革的意见》，明确指出：要完善以提高创新能力为目标的学术学位研究生培养模式［1-3］。促进课程学习和科学研究有机结合，强化创新能力培养，探索形成各具特色的培养模式。重视对研究生进行系统科研训练，要求并支持研究生更多参与前沿性、高水平的科研工作，以高水平科学研究支撑高水平研究生培养［4-5］。

研究生实验实践课程，旨在培养学生“听中做、做中学、学中思、思中用、用中学”的实验技能和实践素养，已逐渐成为提高研究生创新能力的有效手段［6］。其中，优秀的实验教学课程因为其重要的桥梁作用，既能使学生加深对理论知识的认识，又能促进学生将理论应用于工程实践，更是成为培养研究生创新能力、提高研究生教育质量的必要路径［7-14］。

作为全国高等教育学会工程教育专业委员会理事长单位的浙江大学，近年来高度重视新工科背景下的研究生实验教学改革。本文以热能与动力工程测试为例，针对现阶段实验课程教学中存在的问题，积极探索改革与创新，以期提高动力工程类专业研究生的实验技能、实践素养和创新能力，培养出适应社会、经济和产业发展需要的高级应用型人才，服务于国家发展战略。

1 动力工程类专业实验教学现状

热能与动力工程是典型的实践性和创新性要求非常强的工科专业，它的原理普遍渗透到多个学科领域和产业部门，对高新技术进步和国民经济发展具有重要作用。热能与动力工程测试，是我国高校动力工程类研究生教学课程的重要组成部分，融合了热能工程、控制工程、传感技术、信息技术和应用数学等多学科知识，具有非常强的工程应用背景。但是，目前国内高校对动力工程类专业研究生实验课程的重视程度还不高，实验教学的方法也不够完善。以我校热能与动力工程测试课程为例，在以下方面仍存在不少问题。

(1)实验教学模块固定，学生积极性不高。现行的热能与动力工程测试课程的实验教学模块中，实验类目和实验流程较为固定，研究生主要是机械地重复操作，只需按部就班完成各项规定内容即可，自主选择和研究创新的空间不大，因而较难调动学生积极主动参与实验的热情，实验学习效果不明显。

(2)实验内容零散，缺乏系统性规划。目前的实验课程在初始规划阶段时未能充分认识到实验教学不仅是理论教学的补充，更应是理论教学的拓展和延伸，因而缺乏系统性的全局考虑，课程被设计为零散的实验单元，碎片化的各个实验类目的应用面相对窄、综合性相对差，无法充分锻炼研究生的知识整合与应用能力。而前期系统性实验教学的缺失，往往会导致学生后续的研究生科研实验无法顺利开展，出现实验设计困难，实验方法不合理，数据不可信等现象。

(3)交流机制缺乏，师生间、学生间互动不足。根据目前的教学安排，实验课大多被安排在理论课后，先是由教师和学生一同提出实验目标和内容并进行讨论，再由学生设计实验并开展实验过程研究，形成实验报告课后提交。同学之间缺少沟通交流，教师也不能对学生在实验全过程中产生的问题提供有效的指导，互动频率和质量不高。

(4)课程设计滞后，未能与学科技术发展同步。近年来，汽车产业快速发展，理论课程教材已做出相应的调整，但实验课程未能及时更新，在课程设计上既没有与当前的行业热点技术相同步，也没有与未来的发展趋势很好结合，对研究生系统科研思维训练不够，在提高其前沿科学技术研究和行业重点技术应用能力方面还有很大差距。

2 动力工程类专业实验教学改革

鉴于现阶段动力工程类专业研究生实验教学中出现的教学模块固定、内容零散、交流互动少，缺乏科学、系统和前瞻性的规划，学生主动参与的积极性低、学习效果不理想等问题，自2015年起对研究生热能与动力测试课程率先启动改革，以期提高教学质量、提升教学效果，真正落实实验教学在提高研究生实验技能、实践素养和创新能力中的重要作用。

2.1 实验教学改革的目标

（1）科学合理规划实验课程体系，实现对理论教学的补充、延伸和拓展，成为研究生掌握知识、锻炼能力、提高创新意识的有效手段。

（2）开展自主化、互动式教学，实现多向沟通与有效反馈，充分调动和发挥学生的积极性与主体作用，提高实验教学效率和质量。

（3）打造创新性的科研反哺实验教学载体，培养符合学科前沿技术研究和行业重点技术应用需求的高素质人才。

2.2 实验教学改革的内容

2.2.1 3维实验的改革内容

对现行的实验课程单元进行分类、整合、优化，科学合理规划实验内容，从基础性、综合性、创新性实验3个维度设置多层次、分阶段的课程体系（见表1），实现实验教学对理论教学的补充、延伸和拓展，成为研究生掌握知识、锻炼能力、提高创新意识的有效手段。

(1)基础性实验。主要为认知性和验证性实验，目的在于帮助学生理解理论教学中的原理、方法、设备、应用，掌握基本实验技能，是整个实验实践课程的基础，用于评价学生对阶段性知识的理解水平和掌握程度。对于热能与动力工程测试而言，实验测试是教学的主要内容，也是精髓所在。传感器的正确选择与使用是测试类实验成功的基础，因此本项目将在实验教学过程中的基础性实验环节重点关注传感器的认知、选型与使用，同时结合到目前行业新技术的发展与应用，在传感器的种类上兼顾传统传感器和新型传感器，如温度测量方面的膨胀式测温计、热电偶测温计、非接触式的红外测温计；流量测量方面的节流式流量计、涡轮流量计、电磁流量计；流速测量方面的皮托管、热线风速仪、粒子图像测速等先进技术；转速测量方面的光电式转速传感器、磁电式转速传感器；转矩测量方面的光学式转矩仪、应变式转矩仪等。此外，测试误差处理方法和信号分析等基础技能训练内容在原先的课程中未被予以重视，然而对后续的综合性实验和创新性实验具有基础性和保障性作用，因此也被增补纳入此次实践课程基础性实验环节的教学改革内容中。

表1 热能与动力工程测试实验课程体系

(2)综合性实验。主要是在学生已掌握的基础性实验知识框架上，综合相关知识点，开展具有一定难度、复杂、系统的实验，目的在于体现各测试知识点之间的内在相互联系，是基础性实验的延伸，用来评价学生的知识融会贯通能力和分析解决问题能力。包括发动机冷却水流量流速、发动机进气流动、散热器流动、散热器温度平衡、配气机构动力学，曲轴应变应力、机体应变应力等测量实验主题，要求学生结合自身科研兴趣与研究方向自行组队，自主实施完成整个测试实验，从前期的方案设计、传感器选型，到过程中的实施操作、数据采集到后续的误差处理、分析总结，将前期学习的碎片化技能整合起来。综合性实验具有帮助学生将所学的理论基础知识进行创新性应用的过渡与衔接作用，是热能与动力工程测试技术中至关重要的一环。

(3)创新性实验。主要是考验学生综合运用知识体系、锻炼开发科研能力的延伸拓展性实验，用来评价学生的综合应用水平和开发能力，也让学生感受到学有所用、学以致用。结合专业先进科研的属性特点，依托研究所各先进科研团队的仪器设备资源，为学生提供良好的创新性实验开发平台，并鼓励引导学生结合自身所在课题团队的研究方向和科研项目进行实验设计。通过此环节的实验实践教学，让学生提前熟悉理解自己的课题，锻炼科研必备技能，帮助学生尽快完成从本科生到研究生的身份转变。一方面有助于科研基础较好的学生。对于自身课题的深入研究和创新能力的培养，另一方面也有助于科研基础一般的学生，循序渐进地熟悉自身课题，调动激发学习积极性和科研兴趣。创新性实验，通过教学与科研的良性互动、积极融合，可以充分发挥实践教学对科研型人才培养的促进作用。

2.2.2 实验教学全过程的新举措

在实验教学全过程，从实验主题与方向选择、方案与内容设计、数据采集与分析到形成结论报告，采用自主化、互动式的教学方法，建立学生间和师生间的多向沟通与反馈机制，充分调动学生的积极性，发挥学生的主体作用，提高实验教学效率和质量。

(1)全过程互动式教学。通过将课程中的各知识点进行整合规划，拓展实验类目，设置开放式实验课题，鼓励学生结合自身科研兴趣和方向自行组队，4或5名学生为1组。在自主实施实验的全过程，均增设交流讨论环节，由组内成员自由讨论确定实验对象、实验内容，设计初步实验方案并进行课堂展示，教师引导其他学生提出问题并展开分析讨论，帮助各组进一步优化实验方案。通过头脑风暴式的课堂讨论，学生不再是单纯受外界激励的被动接收者，而是理论与实践的主动构建者；教师也不再是传统意义上的知识传授者，而是促进学生身份转换的引导者。这种全过程互动式的教学方法，将实验教学与学生科研有机结合，充分尊重学生的科研兴趣，从而调动学生参与实验的积极性和主动性，并通过实验教学帮助研究生更深入地认识和理解自己的科研内容，不仅锻炼思辨能力、拓宽思维边界，更有助于后续阶段的科学探索和研究。

(2)多向沟通与反馈机制。在实施实验的全过程中，除了鼓励同一小组内部成员之间的沟通，更提倡不同小组之间开展沟通，以及各小组与教师之间的沟通，形成多向沟通的网络。此外，参考研究生开展毕业设计的流程，在实验教学中增设课题启动、中期交流、结题报告等环节的集中研讨交流，形成实验教学的过程控制和反馈机制。不同小组之间通过沟通，寻求问题的共性，讨论总结得到本质相同而表现形式不同的各类问题的解决方案；教师通过与各小组的实时沟通，将自身丰富的科研实践经验给予学生方向性的指导，避免出现钻牛角尖或者偏离实验方向的情况，可以更加及时高效地掌握实验进度。这种多向沟通与反馈的教学机制，有利于小组内部、小组之间以及师生之间的相互了解和团结协作，不仅提高各实验小组的微观实践效率，也提升整个课程的宏观实践科学性。

2.2.3 实验课程体系内容紧跟科研热点

根据实验课程体系规划的内容，依托能源工程学院各先进科研团队的在研科研项目，充分利用实验室仪器设备、平台资源反哺教学，打造创新性的实验课程载体，引导研究生开展聚焦学科前沿技术研究和行业重点技术应用的创新性实验，培养综合创新素质优异的动力工程专业研究生。

目前研究方向主要包括发动机燃烧与排放控制、发动机及车辆振动噪声控制、动力系统可靠性设计理论与方法、新型动力及新能源汽车、发动机及车辆热管理。各教授团队所具备的科研实验平台均体现实验的综合性及学科的前沿，包含设计、理论、测试学、控制学和仪器学等多种学科的融合应用，利用此类先进平台开展实验，并结合理论知识对实验结果进行误差分析，培养学生在交叉学科之间的综合应用能力。同时，学生可以接触到本学科中较为前沿的科技知识和信息，解决了传统实验以演示性、验证性为主，前沿科学实验较少的问题。在实验教学过程中，将最新的科研成果引入实验项目里，可以使学生了解专业的前沿科技，训练学生科研的能力。以热管理测试实验为例，学生依托车辆热管理科研团队所开发的车载热管理测试实验平台［15］（如图1），自主开展文献检索和综述，开发设计先进热管理模块，在该整车平台上进行试验，进而验证创新方案的可行性，并不断调整和优化。

图1 车载热管理测试实验平台示意图

2.3 实验教学改革的成效

热能与动力工程测试实验教学改革自实施以来，受益的研究生超过200人，所取得的成效主要体现在以下方面：

（1）学生的主观能动性被充分激发，学习兴趣被调动。实践课一改传统教学中的老师讲授为主的模式，以学生本身为主体，充分尊重学生本身科研兴趣与课题需求，改变学生的被动学习现状。

（2）提高了在校研究生理论联系实际的能力以及解决问题的能力。通过实验方案制定，设备选择与调试，实验操作以及数据处理等环节，锻炼了学生的实践能力，拓宽了学生解决实际问题的方法与途径。

（3）培养了在校研究生的创新探索精神。开放创新性实验环节鼓励学生在已有课题基础上提出创新性思路，并加以实践，引导学生冲破思维定式，用创新的角度看问题。

（4）提高了研究生的综合科研水平与技能。实践课改革后的分层次实验模式帮助学生在后续的研究生阶段可以尽快掌握科研实验技能，实践教学中掌握的实验能力将有利于学生今后能顺利开展科研工作。

3 结 语

实验教学的最终目标是培养学生科学的思维方式，通过在校教育，使得研究生毕业之后在科研和工作的过程中能够解决所遇到的实际工程问题。围绕这个目标，此次的实验教学改革对模式和内容进行了全面创新，通过打造循序渐进的分层次课程体系，注重教学过程中的互动、沟通和反馈，初步改善了理论与实践相分离的教学现状，既丰富了理论知识的教学内容，又锻炼了学生的科研思维和应用能力，对于提升研究生综合实践素质、开拓学科前沿视野大有裨益。改革对于同类院校和相关工科专业也具有一定的借鉴意义，在今后的实践教学深化改革中，还将密切关注国际先进技术，不断改进教学内容，进一步锻炼提升学生的实践能力和创新能力，培养具有高综合素质、强社会竞争力的研究生，使其真正成为推动社会科技创新的主力军。