工程热力学实践教学改革与探索

许亚敏，顾力强，曹 玮

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

0 引言

工程热力学是国内外大学能源动力、机械工程、土木工程、航空航天、低温制冷、食品工程、化学工程、环境工程等多个理工科专业的核心课程，其教学方式的革新和创新是科学研究与教育的前沿问题之一［1-6］。工程热力学实验教学是该课程中必不可少的一部分，是帮助学生深入理解理论知识，提升知识运用能力和工程实践能力的重要途径［7-8］。因此，积极探索和改革工程热力学实践教学，建设适用于新工科创新人才培养模式的实践教学平台具有积极的意义。

1 传统实践教学存在的问题

1.1 基础实验教学不足

工程热力学是热能动力类专业的一门重要的专业基础课，理论概念复杂，公式繁多［9］，基础的实验教学对于学生巩固和深入理解理论知识是非常必要的，同时也是学生掌握基本实验方法、实验技能的必要途径。但传统的教学实验存在两方面的问题，①实验仪器集成化、成品化程度高，导致原本就内容单调的实验，实验过程更加单调，通常学生只需按照指导书的说明动动按钮，读读数据即可得出较满意的结果，整个过程几乎没有可以让学生发挥主观能动性的地方，也就无法调动学生的主动性思维，这样“只有好的实验结果，没有好的实验效果”的教学实验对学生加深知识点理解、提升实践能力的帮助是非常有限的。②教学方式上教师的主动性远大于学生的主动性，教师每节课都仔细地讲解关于实验的方方面面，学生只需要认真听，然后按照老师的讲述或指导书的说明一步步操作即可。实验成绩也仅凭实验报告来决定。这种教学模式和评价模式显然无益于调动学生的积极性，提升其对实验的兴趣。

1.2 实践教学模式单一

原有工程热力学实验只有气体定压比热测定和气体状态特性测量两个基础性实验，其中气体状态特性测量实验由于考虑到环境、安全等因素，选择的气体工质是高纯氮气。又考虑到实验课时间有限，而温度稳定耗时较长，因此，只针对一个温度数据下的压强与体积之间的关系进行实验测量。种种迹象表明，实验教学对实验条件的依赖性是很严重的，真实的工程热力学实验研究的内容是受到参数变化范围制约的，这就影响了学生实验研究内容的广度和深度，不利于学生思维创新和能力的提升。

此外，原有工程热力学实验缺乏具有综合性、自主性的项目实验。基础性实验，虽然能使学生掌握到基本的理论知识和实验技能，但基本还是对某一理论的验证。学生对知识的综合运用能力以及自主创新能力仅从基础验证性实验中无法得到培养。因此，传统的基础实验教学无法满足新工科创新人才的培养需求。

2 工程热力学实践教学改革

2.1 教学方式改革及实验装置改造

2.1.1 教学方式改革

鉴于传统实验教学存在的问题，对基础教学实验进行了一系列的改革。首先改变传统的实验教学模式，授课方式由被动式变为互动式。具体方式为：①加强课前预习，实验教师将实验目的、原理、设备介绍以及整个实验的设计思路等内容录制在视频中，提前发放给学生看，让学生在进入实验室之前就对实验有基本的了解，同时提出相应的思考问题，比如气体定压比热实验中要算出比热值，需要知道哪些物理量？这些量如何求得？气体加热后，为什么要经过均流、旋流后才测量气体的出口温度？为解决这些问题，学生会主动思考、积极查阅资料，无形中增强了分析问题、解决问题的能力，同时也加强了对理论知识的理解和应用。②增设课堂预习考查环节，在实验课上把原来的教师讲述环节变成预习考查环节，通过考查互动，把实验的要点传授给学生。在实验过程中教师也将随时提问，启发学生主动思考。如此，学生对待实验的态度更端正认真了，互动的模式提升了学生实验的积极性，激发了学生的主动性思维，从而加深了学生对基础理论知识的理解和掌握。

2.1.2 实验装置升级改造

基础教学实验一方面是强化学生对理论知识的理解和掌握，还有一个很重要的方面就是提高学生的动手操作能力和实验技术水平。从教学仪器生产厂家直接购买的实验装置集成化程度高，参数测量基本都是数据直接读取型，不利于培养学生的动手操作能力，更谈不上对测试技术的掌握，为此将实验装置进行了改造，比如气体定压比热实验中，将原来的测温元件温度计替换成在工业和科研中更常用的温度传感器热电偶或热电阻进行数据采集，如图1 所示。学生通过LabVIEW或VB（Visual basic）自己编写程序得到温度数据，这样学生通过实验既能掌握理论知识，又能对相关的先进测试技术加以掌握，从而为后续的项目实验及工业应用打下基础。

图1 升级后的气体定压比热实验装置

授课方式的改变必将影响考核机制的变化，原来的实验成绩仅凭实验报告，导致学生一味的只追求结果而不敢尝试，甚至为追求高分而篡改抄袭实验数据。改革后的考核包括预习部分（20%）、课堂表现（30%）和实验报告（50%）3 部分，能更全面地考核学生的实验技能和知识掌握情况，因此更为合理和公平。

改革后的基础教学实验最大程度地发挥其优势，使学生在学习理论知识的同时，通过实验加深理解，同时掌握基本的实验技能和测试技能，为下一步的综合创新实验项目打下基础。

2.2 真实实验与虚拟仿真实验结合

随着信息和科技的发展，虚拟仿真实验已经逐步深入教学，突破了实验教学对实验条件的依赖性，借助多媒体技术、虚拟仿真技术、传感技术、输入输出技术构建了一种高度仿真的实验教学环境，使学习者体验置身其中的感觉，能够实现互动实验教学，最大限度地激发学生的自主实验兴趣以及揭开物理奥秘的冲动，有助于发展学生的构建思维，具有独特的实验教学实践作用。

目前，关于热能动力学科的虚拟仿真教学项目大多集中在对大型系统的仿真模拟上，比如大型电厂的发电系统、水利发电运行与故障处理、热电联产系统运行实训等，又或是针对某一动力装置的结构和性能的虚拟仿真实验，如汽车发动机性能测试、离心泵虚拟设计与仿真等虚拟实验［10-11］。而针对工程热力学、传热学等基础学科基本原理的虚拟仿真实验非常少。

为此，建立了容器充放气特性及热力学分析虚拟仿真实验，并设计了多种工况条件，从而拓展了学生的研究范围和研究深度，有利于学科的发展和专业人才的培养。该实验和原有的气体状态特性（PVT）实验进行虚实结合，从而弥补了真实实验中无法提供的各种工况，两者的对比如表1 所示。

表1 气体状态特性测量实验及其虚拟仿真实验工况对比

图2 所示为容器充放气特性及热力学分析虚拟仿真实验的设计图，可见，通过管道自由切换和连接，很容易完成工况转换，从而大大扩展了实验研究的内容。

图2 虚拟仿真实验设计图

2.3 综合创新项目式实践教学

基础教学实验能够帮助学生加强对基本热工原理的理解，但若仅有这样的实验，肯定达不到培养双一流建设和新工科建设所需复合型、创新型人才的目的。

我校机械与动力工程学院（下称我院）近年来越来越注重学生自主创新实验的开展，通过自主性实验，培养学生的动手能力、知识应用能力、问题解决能力以及团队协作能力等［12-16］。近几年来，我院对工程热力学课程的实践教学部分逐渐调整，减少了基础性实验的比重，增加了设计性实践教学，建设了多套自主创新实践平台，学生在此实践平台上根据实验目的和要求自主设计、搭建实验台，完成实验研究。

2.3.1 综合创新实践平台建设

2017 年以来，我院积极响应教育部新工科建设，以培养多元化、创新型卓越工程技术人才为目标，建设了一批新型的综合创新实践平台，为我校新工科建设提供基础技术支撑。针对工程实践和热工学科的教学重点和难点问题设计了多工况气体流动特性和热力学分析综合创新实践平台（见图3、4），该实践平台适用于新工科创新人才培养模式，是开放、综合、创新型热工实践平台。

图3 气体流动特性综合实践平台示意图

图4 气体热力学分析综合实践平台示意图

该实践平台可以进行气体流动特性和气体热力学分析两方面的研究内容，平台设计注重学科交叉与融合，注重传统工业和新技术的结合，注重实验形式的开放化、内容的系统、层次化。具体体现为：在建设模式上，实现模块化设计，根据预计的研究内容和所需条件，设计、定制了相应的实验模块，并配备多种兼具先进性与通用性的测量设备，以便学生根据实验目的进行自主设计和搭建实验。在建设内容上，包括两个层次，第1 层次侧重基础研究，可进行的实验内容涵盖工程热力学多个教学重点和难点，如喷管内流动特性、背压改变对喷管流动特性的影响，高压容器放气特性、容器充气的特性和热力学分析等，学生需自己提出实验方案、搭建实验装置，目的是掌握变工况喷管流动特性，以及对典型的非稳定流动过程——充放气的特性及能量转换的特性进行研究，并能应用于工程实践；第2 层次属于高层次的拓展性实验，侧重多学科知识的交叉运用与创新，如等速和等质量流量充气过程的实现、流动不可逆作功能量损失的验证等。这些创新性实验，需要学生融合多学科的知识，同时又为学生自由发挥留出了足够的想象空间。

该实践平台可扩展、可深入，满足不同层次的学生的需要，有助于多元化、创新型卓越工程人才的培养。

2.3.2 基于综合创新实践平台的项目式实践教学

项目式教学是我院近年来一直推行的教学模式，该方式将教学由被动式变为了主动式，学生会主动参与、自主协作、探索创新。工程热力学实践教学在原有基础实验的基础上增加了综合创新项目实践，学生在完成基础实验教学和课程教学的基础上，将综合多学科知识，利用综合创新实践平台提供的资源，分组完成1～2 个综合实践项目或工程实践项目。

学生在此开放式、综合性、创新型实践平台上，通过自行设计实验、搭建实验装置、实际测量和分析验证等一系列实践活动后，除了能掌握学科重要知识点外，在开放设计与解决问题技能、实验技能、分析和解释数据技能等诸多方面将得到有效训练和能力提升，从而提高其综合创造力和原始创新力。

3 结语

经过几年来的改革实践，我院工程热力学实践教学的内容和形式都取得了全面突破。对于基础实验教学，改变了传统的被动式授课方式，强化师生互动，并且通过对实验仪器升级改造，引入先进测试技术；考核也更全面，拓展到实验前、实验中、实验后3 个方面。这些措施全方位调动了学生的实验积极性和主动性，提高了学生的动手能力和创造能力。同时，在实验教学中引入虚拟仿真实验，做到虚实互补，拓展了实验研究的广度和深度。

为面向新工科人才培养的需要，还建设了多工况气体流动特性和热力学分析综合创新实践平台，为学生自主创新实践提供了平台和技术支撑。经过该实践教学平台的分层次训练，学生不但具有多学科基础知识的应用能力和解决工程问题的能力，其工程科技创新、创造能力也必将得到快速提升。实践表明，我院的工程热力学实践教学改革，改善了国内现有热能动力学科实践教学模式，切实提高了实践教学的质量，为新工科人才培养起到了积极的作用。