基于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010 －2020)年》提出，牢固確立人才培養(yǎng)在高校工作中的中心地位，著力培養(yǎng)信念執(zhí)著、品德優(yōu)良、知識(shí)豐富、本領(lǐng)過(guò)硬的高素質(zhì)專門(mén)人才和拔尖創(chuàng)新人才。加大教學(xué)投入、深化教學(xué)改革、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)、富有創(chuàng)新能力的各類(lèi)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才，成為高校推進(jìn)一流建設(shè)的關(guān)鍵任務(wù)。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高校工程實(shí)踐教育的重要組成部分在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的重要性日益凸現(xiàn)。
熱工實(shí)驗(yàn)是工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)理論課的實(shí)踐環(huán)節(jié)，工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)，是能源動(dòng)力類(lèi)領(lǐng)域重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多、聯(lián)系緊密、概念抽象、理論性強(qiáng)。熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以通過(guò)基本理論在實(shí)際熱力過(guò)程、能量傳遞過(guò)程中的應(yīng)用，明確理論的應(yīng)用對(duì)象，將抽象的理論通過(guò)實(shí)際過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)，有助于學(xué)生理解工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)基本理論。
以注重學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一、因材施教為理論指導(dǎo);遵循實(shí)踐教學(xué)規(guī)律，在學(xué)校突出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的輔助、服務(wù)性角色提升為創(chuàng)新教育中的主體、主導(dǎo)性角色之一，根據(jù)國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心內(nèi)涵建設(shè)的要求，進(jìn)行了熱工實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)研究與探索。
建立了強(qiáng)化預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，注重實(shí)驗(yàn)過(guò)程，突出學(xué)生主體，注重自主實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)考評(píng)、鼓勵(lì)創(chuàng)新的實(shí)踐教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生利用熱工基礎(chǔ)理論解決能源動(dòng)力領(lǐng)域中實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，滿足能源動(dòng)力行業(yè)的需求。
1 更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，建立多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系
目前的熱工實(shí)驗(yàn)課程，基本上是附屬于工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)理論課程，因而造成了實(shí)驗(yàn)時(shí)間少、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一。而且，這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上只是按照老師的講解或是教材的安排進(jìn)行操作，以完成實(shí)驗(yàn)為目的，屬于被動(dòng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。調(diào)動(dòng)不了學(xué)生的主動(dòng)性與積極性，而且創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新精神無(wú)法得到充分的發(fā)揮。所以，這種形式的實(shí)驗(yàn)課程體系已不能滿足社會(huì)發(fā)展的需要和學(xué)校教學(xué)的要求。
針對(duì)目前的實(shí)際情況，結(jié)合調(diào)研清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等知名院校能源動(dòng)力類(lèi)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心及熱工實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)現(xiàn)狀，進(jìn)行了熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)了熱工實(shí)驗(yàn)課程獨(dú)立設(shè)課，梳理了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，更新了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，建立了多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。
對(duì)熱工實(shí)驗(yàn)應(yīng)開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行梳理，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，必修實(shí)驗(yàn)和選修實(shí)驗(yàn)，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)驗(yàn)，從而形成基礎(chǔ)與綜合相結(jié)合、必做與選做相結(jié)合、課內(nèi)與課外相結(jié)合的多層次熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。
基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，是學(xué)生理解與掌握能量轉(zhuǎn)換與傳遞的理論知識(shí)的基礎(chǔ)，通過(guò)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，才能夠保證熱工理論知識(shí)得到吸收和鞏固。由于課時(shí)的限制，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程體系的時(shí)候，在滿足基本理論學(xué)習(xí)要求的前提下，適當(dāng)?shù)乜s減基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，節(jié)省更多課時(shí)。
綜合性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生對(duì)某一熱工問(wèn)題利用所學(xué)的多門(mén)知識(shí)、通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究并解決問(wèn)題，綜合訓(xùn)練學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法。
設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生根據(jù)給定的研究對(duì)象，結(jié)合該對(duì)象所涉及的理論知識(shí)，自主擬定實(shí)驗(yàn)題目，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。
必做實(shí)驗(yàn)一般是指基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，選做實(shí)驗(yàn)一般是指綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可在提供的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中選取自己感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
例如:工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)出8 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中空氣定壓比熱容測(cè)量、飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系測(cè)定等2 個(gè)實(shí)驗(yàn)為必做基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。噴管中空氣流動(dòng)特性、空氣定壓比熱隨溫度變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究，二氧化碳臨界狀態(tài)測(cè)定，閉式循環(huán)熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)，蒸汽動(dòng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)，內(nèi)燃機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)等6 個(gè)實(shí)驗(yàn)為選做的綜合性實(shí)驗(yàn)，課內(nèi)選做2 個(gè)。
課外實(shí)驗(yàn)一般都是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生利用課外時(shí)間就能源動(dòng)力領(lǐng)域某一問(wèn)題設(shè)計(jì)一套裝置或利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備組裝一套實(shí)驗(yàn)裝置，并能進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。也可結(jié)合全國(guó)節(jié)能減排大賽，學(xué)生自由組合設(shè)計(jì)節(jié)能減排作品。對(duì)參加課外實(shí)驗(yàn)的的學(xué)生給予適當(dāng)獎(jiǎng)勵(lì)或加分鼓勵(lì)學(xué)生參加課外實(shí)踐，開(kāi)拓視野，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。
2 引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，更新陳舊實(shí)驗(yàn)設(shè)備
現(xiàn)有熱工實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能單一，設(shè)備質(zhì)量差，有的設(shè)備測(cè)試結(jié)果甚至違反能量轉(zhuǎn)換規(guī)律，難以滿足新形勢(shì)下的人才培養(yǎng)需求。
以國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心內(nèi)涵建設(shè)為契機(jī)，申請(qǐng)100 多萬(wàn)元資金，從英國(guó)和美國(guó)分別引進(jìn)了先進(jìn)的熱交換實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、傳熱基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)等綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，解決了熱工實(shí)驗(yàn)綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不足的主要問(wèn)題。
(1) 熱量交換基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由通用換熱器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、10 種換熱器選件及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。多種形式的換熱器選件可共用一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。測(cè)量?jī)x表能檢測(cè)多達(dá)12 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)和冷熱流體流量，測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確度大大提高，進(jìn)行所有相關(guān)的傳熱計(jì)算，獲得正確的換熱規(guī)律，同時(shí)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自主組裝儀器設(shè)備，進(jìn)行熱量交換規(guī)律的試驗(yàn)研究。
(2) 傳熱基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。包括通用傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，15 種實(shí)驗(yàn)?zāi)K，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。通過(guò)自主組合進(jìn)行傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射換熱規(guī)律實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，掌握基本的熱交換規(guī)律，進(jìn)一步研究穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)傳熱規(guī)律，自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流換熱規(guī)律以及平板、針板、翅板等不同傳熱面的換熱規(guī)律等，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用基本傳熱原理解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
(3) 內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。內(nèi)燃機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)帶有各種測(cè)量?jī)x表和控制系統(tǒng)，可研究?jī)?nèi)燃機(jī)的工作原理、性能參數(shù)隨工況變化的規(guī)律等。通過(guò)測(cè)量空氣和燃料的流量，空氣的溫度和壓力，輸出軸的扭矩和轉(zhuǎn)速，排氣溫度，輸出功率等參數(shù)，研究不同燃料噴射量的情況下，內(nèi)燃機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)速、熱效率等性能參數(shù)的變化規(guī)律，加深學(xué)生對(duì)內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的理解。
(4) 蒸汽輪機(jī)動(dòng)力發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)。蒸汽輪機(jī)動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)是一套完整的微型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用以進(jìn)行蒸汽發(fā)電廠系統(tǒng)工程教學(xué)與培訓(xùn)，復(fù)制了一套發(fā)電廠的所有主要部件，幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。盡管系統(tǒng)是按比例縮小的，但儀器設(shè)備測(cè)量精度高，學(xué)生通過(guò)試驗(yàn)，完全能體驗(yàn)全尺寸真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程，掌握朗肯循環(huán)的熱力學(xué)基本原理。
該套設(shè)備可進(jìn)行熱力學(xué)第一定律及能量轉(zhuǎn)換關(guān)系研究;熱力學(xué)第二定律及熱力循環(huán)分析研究;控制量大小分析研究;熵分析研究;等熵分析及透平/噴嘴效率研究;傳熱分析及鍋爐效率研究等實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)燃燒過(guò)程，蒸汽能源系統(tǒng)基本原理，發(fā)電基本原理，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，借助復(fù)雜試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行熱工轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)研究的能力。
以上實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以開(kāi)發(fā)出新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如套管式、板式熱交換器換熱性能實(shí)驗(yàn)、熱平衡實(shí)驗(yàn)、輻射強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、反射強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理實(shí)驗(yàn)、內(nèi)燃機(jī)原理實(shí)驗(yàn)、內(nèi)燃機(jī)性能實(shí)驗(yàn)、朗肯循環(huán)原理實(shí)驗(yàn)、蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)等發(fā)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，該實(shí)驗(yàn)設(shè)備做成模塊化設(shè)計(jì)，學(xué)生可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)選擇不同的通用設(shè)備、采集系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生的自主能力，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。
3 引入MOOC 理念創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式
MOOC 即大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放課程，強(qiáng)調(diào)教學(xué)資源共享，課前學(xué)習(xí)與課堂教學(xué)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了教與學(xué)的顛倒，變教師主動(dòng)教為學(xué)生主動(dòng)學(xué)的教學(xué)模式。MOOC教學(xué)模式應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，克服了教師講解、演示、學(xué)生跟著學(xué)，跟著做的單一教學(xué)模式的弊端，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，突出學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)及創(chuàng)新意識(shí)。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，利用課外時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)共享教學(xué)資源、師生互動(dòng)平臺(tái)，完成實(shí)驗(yàn)課程預(yù)習(xí)，大大縮短了教師講解和實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間，增加了學(xué)生之間相互討論、相互交流以及獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)規(guī)律的時(shí)間，培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力。
(1) 開(kāi)發(fā)熱工實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、強(qiáng)化預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)。結(jié)合MOOC 教學(xué)理念，借助信息化技術(shù)開(kāi)發(fā)熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行教學(xué)和管理。
開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò)共享教學(xué)資源，如開(kāi)發(fā)了熱電偶綜合訓(xùn)練、平板導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)、二氧化碳P—V—T 關(guān)系實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、噴管實(shí)驗(yàn)、沸騰換熱實(shí)驗(yàn)、輻射換熱實(shí)驗(yàn)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，錄制了相關(guān)教學(xué)視頻、開(kāi)發(fā)了熱工實(shí)驗(yàn)多媒體教學(xué)課件等，使學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前在網(wǎng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理學(xué)習(xí)，設(shè)備儀器使用，虛擬實(shí)驗(yàn)操作等，完成預(yù)習(xí)任務(wù)。
學(xué)生可在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，按學(xué)號(hào)登錄，登錄后進(jìn)入學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)習(xí)，完成預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)后，提交預(yù)習(xí)報(bào)告，具備預(yù)約實(shí)驗(yàn)資格，預(yù)約成功后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。預(yù)習(xí)時(shí)，首先打開(kāi)多媒體課件，了解實(shí)驗(yàn)原理、目的、儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法等，然后觀看虛擬實(shí)驗(yàn)課件，并進(jìn)行虛擬操作，只有按照實(shí)驗(yàn)步驟正確完成虛擬實(shí)驗(yàn)操作，才能進(jìn)入下一步驟，觀看實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，最后生成預(yù)習(xí)報(bào)告，完成預(yù)習(xí)。這樣學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前掌握了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及儀器設(shè)備使用方法，能夠獨(dú)立快速完成實(shí)驗(yàn)，并獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
(2) 加強(qiáng)過(guò)程監(jiān)控、注重自主實(shí)驗(yàn)。通過(guò)教學(xué)管理系統(tǒng)結(jié)合網(wǎng)站教學(xué)資源，進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控，強(qiáng)化預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)。注重實(shí)驗(yàn)過(guò)程，突出學(xué)生主體，上課時(shí)老師作為參與者與學(xué)生交流、討論，幫助解決主要問(wèn)題，整個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)生自主完成，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件，注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果考評(píng)，現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定實(shí)驗(yàn)成果。對(duì)學(xué)生測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題，直至全部解決為止。
(3) 改革考核方式，注重能力考核。改變以往單一的只以實(shí)驗(yàn)報(bào)告定成績(jī)的考核方式，注重綜合素質(zhì)培養(yǎng)，建立全面、完善的考核制度。
采用“1 + 3 + 3 + 2 + 1”考核方式，總成績(jī)中:預(yù)習(xí)占10%，學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)組織與動(dòng)手能力占30%，實(shí)驗(yàn)成果占30%，實(shí)驗(yàn)總結(jié)及分析占20%，課外實(shí)驗(yàn)占10%。注重實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)成果的考核，強(qiáng)化學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)熱工實(shí)驗(yàn)課程持續(xù)建設(shè)研究與實(shí)踐，逐步形成了加強(qiáng)過(guò)程監(jiān)控、強(qiáng)化預(yù)習(xí)環(huán)節(jié);注重實(shí)驗(yàn)過(guò)程，突出學(xué)生主體，實(shí)現(xiàn)自主實(shí)驗(yàn);改革實(shí)驗(yàn)考評(píng)方法，注重現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色。
研究成果已應(yīng)用于熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，每年使得我校4 個(gè)學(xué)院相關(guān)專業(yè)20 多個(gè)本科生班，600 多名學(xué)生受益，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，教學(xué)效果良好。