許亞敏

(上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

“傳熱學(xué)”實踐教學(xué)改革

許亞敏

(上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

新型的“傳熱學(xué)”實驗教學(xué)模式是我院借鑒美國高校工程教育運行模式而進行的改革成果之一。以培養(yǎng)創(chuàng)新性人才為目標，重視學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以學(xué)生為中心，通過綜合創(chuàng)新實驗加強學(xué)生對專業(yè)知識的掌握和實踐能力的培養(yǎng)；通過課程項目實踐，讓學(xué)生在解決實際問題中鍛煉專業(yè)能力、探究能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，加強溝通和合作能力。靈活多樣的基礎(chǔ)平臺建設(shè)和學(xué)習(xí)工廠建設(shè)為實踐教學(xué)改革奠定了堅實的基礎(chǔ)。實踐證明，這種理論和實踐始終緊密結(jié)合的開放性學(xué)習(xí)，能有效提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和專業(yè)能力。

實踐教學(xué)改革; 傳熱學(xué); 創(chuàng)新人才; 綜合素質(zhì); 課程項目

0 引 言

作為首批國家試點學(xué)院，我院將創(chuàng)新型人才作為人才培養(yǎng)的目標，注重學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)，實現(xiàn)人才培養(yǎng)模式從知識傳授向能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變[1-2]。自2012年起，學(xué)院借鑒美國高校工程教育運行模式[3-9]，逐步完成對機械工程與能源動力課程體系的改革突破，加強課程的實踐教學(xué)。一方面變傳統(tǒng)的基礎(chǔ)性驗證性實驗為綜合創(chuàng)新性實驗，另一方面引入“項目式”的教學(xué)組織方式。該教學(xué)過程注重學(xué)生的創(chuàng)新意識、知識與技術(shù)集成能力、交流溝通能力、團隊合作能力的培養(yǎng)。在實踐教學(xué)過程中，采用以“學(xué)生為中心”“教師多引導(dǎo)”的方式，給學(xué)生提供充分的思考空間和實踐空間，從而激發(fā)了學(xué)生的主觀創(chuàng)造思維，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力[10-12]。

傳熱學(xué)是我院學(xué)生的專業(yè)必修課，它是一門基于實踐的學(xué)科，實驗研究是最基本的研究方法，而且它與各工程領(lǐng)域關(guān)系密切，實踐性極強。作為本次改革的重要對象，自2012年起，已逐步完成相關(guān)的實驗教學(xué)改革。實踐證明，改革后的實踐教學(xué)能真實地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新實踐能力，激發(fā)學(xué)生的興趣。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足

傳熱學(xué)傳統(tǒng)的實驗教學(xué)通常是根據(jù)教學(xué)大綱、教學(xué)計劃制定實驗內(nèi)容，編寫相應(yīng)的實驗指導(dǎo)書，實驗老師講授并一步步進行示范，學(xué)生再模仿操作來進行實踐練習(xí)的。這種教學(xué)模式雖然一定程度上鍛煉了學(xué)生的動手能力，但顯然該方式束縛了學(xué)生的主觀能動性與創(chuàng)新思維的發(fā)揮。傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的不足之處具體如下[13-15]：

(1) 儀器設(shè)備產(chǎn)品化。傳統(tǒng)的教學(xué)實驗設(shè)備往往是從教學(xué)儀器公司直接購買或自主研發(fā)的產(chǎn)品，這種產(chǎn)品化的設(shè)備，其功能相對獨立、單一，操作性簡單，學(xué)生只需操作幾個按鍵便可輕松得出數(shù)據(jù)，既不利于學(xué)生對理論知識的掌握，也無法給學(xué)生提供發(fā)揮自主能動性的空間，教師也很難在教學(xué)方式上進行教與學(xué)的互動。

(2) 實驗內(nèi)容缺乏綜合性。傳統(tǒng)實驗以基礎(chǔ)性實驗居多，內(nèi)容簡單，單個實驗的知識點較少。而且由于設(shè)備的產(chǎn)品化程度高，功能單一，很難在一個實驗中對多個知識點進行融合。然而在實際中遇到的問題往往是綜合的、復(fù)雜的，因此更需要綜合性的實驗內(nèi)容，讓學(xué)生綜合課程中的多個知識點去分析解決問題，從而培養(yǎng)出實際解決問題的綜合能力。

(3) 教學(xué)方法落后。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)仍然是以“知識傳授”為主，先由老師講解和演示，然后，學(xué)生按老師的講解，根據(jù)指導(dǎo)書上的操作步驟進行操作即可完成實驗。學(xué)生缺少獨立思考和實踐的空間，缺少交流、討論的機會，學(xué)生的主觀能動性很難發(fā)揮。這樣的教學(xué)方法影響了學(xué)生的實驗興趣、磨滅了學(xué)生的自主創(chuàng)新意識，限制了學(xué)生探究能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展。

傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的不足之處是相互關(guān)聯(lián)的。要想得到根本性的改變，我們必須從實驗內(nèi)容、教學(xué)方法和儀器設(shè)備上全方位改變，建立全新的實踐教學(xué)模式，重視學(xué)生的自主創(chuàng)新，加強綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

2 新型的實踐教學(xué)模式

2012年，我院對傳熱學(xué)課程進行了全面改革，改革不僅體現(xiàn)在增加實踐教學(xué)時間上，還體現(xiàn)在實踐教學(xué)模式上，即打破傳統(tǒng)的講授+示范實驗?zāi)Ｊ?，實施開放性的綜合實驗教學(xué)模式+課程項目教學(xué)模式。新型的實踐教學(xué)對學(xué)生更具吸引力，充分發(fā)揮了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，切實提高了學(xué)生的動手實踐能力和分析解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)。

2.1 綜合實驗教學(xué)模式

“傳熱學(xué)”課程的教學(xué)實驗主要包括4個，見表1。

表1 傳熱學(xué)/傳熱傳質(zhì)學(xué)教學(xué)實驗

1個基礎(chǔ)性實驗+3個綜合性實驗構(gòu)成了“傳熱學(xué)”綜合實驗教學(xué)的主要模塊?！盁犭娕嫉闹谱骱托ｒ灐焙唵?、基礎(chǔ)，卻很有必要。熱電偶是一種最為常用、制作最方便、測量精度也較高的溫度測量工具。通過該實驗，學(xué)生掌握了熱電偶的制作和校驗方法，可根據(jù)需要做任意數(shù)量和多種類型的熱電偶用于后續(xù)實驗自主創(chuàng)新，即經(jīng)濟又實惠，還鍛煉了學(xué)生的動手能力。

傳熱綜合實驗是教學(xué)實驗的主體組成部分。它全面涵蓋了熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種基本的熱傳遞方式，實驗內(nèi)容基礎(chǔ)，卻不乏綜合創(chuàng)新性。現(xiàn)以自然對流和強制對流特性實驗為例進行說明，該實驗的主要目的是學(xué)習(xí)橫置圓柱與周圍空氣之間的自然對流換熱與強制對流換熱特性，理解對流換熱系數(shù)的計算和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的特點。重點考察的問題如下：①通過實驗測量確定平均對流換熱系數(shù)；②非穩(wěn)態(tài)能量平衡，考察集中參數(shù)法是否適用于實驗條件下的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱；③風(fēng)速對平均對流換熱系數(shù)的影響；④自然對流與強制對流換熱的無量綱參數(shù)表征；⑤采用標準關(guān)聯(lián)式計算平均對流換熱系數(shù)。該實驗準備了8個問題供學(xué)生思考和解答，包括對實驗現(xiàn)象的觀察理解、實驗數(shù)據(jù)的處理分析，以及與書中經(jīng)驗公式的比較等。通過該實驗，學(xué)生能較全面的掌握對流傳熱的理論基礎(chǔ)和實驗關(guān)聯(lián)式，既鞏固了理論課的教學(xué)效果，又鍛煉了學(xué)生的實踐能力。

在實驗教學(xué)方式上，我們拋棄“步驟化”教學(xué)方式，注重學(xué)生實驗探索能力的培養(yǎng)，以學(xué)生為主導(dǎo)，營造一個寬松的實驗環(huán)境，鼓勵學(xué)生獨立思考、勤于動手，發(fā)揮自主能動性。在實驗教學(xué)過程中，教師只是給出實驗的基本目標，講解設(shè)備儀器的使用方法和操作規(guī)范，而在實驗設(shè)計和操作步驟上給予學(xué)生充分的自主和創(chuàng)新空間，例如材料的選用、熱電偶的布置等等。學(xué)有余力的學(xué)生還可以在完成基本的實驗?zāi)繕撕螅M一步拓展和深入。實驗涉及的知識點很多，在內(nèi)容上實現(xiàn)了綜合性，在設(shè)計方法上又體現(xiàn)了學(xué)生的自主創(chuàng)新性。

通過綜合實驗的鍛煉，學(xué)生加深了對基礎(chǔ)知識的理解和應(yīng)用，掌握了基本的實驗技能，提高了動手實踐能力，同時激發(fā)了創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了交流溝通合作能力。這些都為下一步的課程項目打下堅實的基礎(chǔ)。

2.2 課程項目教學(xué)模式

伴隨著理論課的學(xué)習(xí)，綜合教學(xué)實驗也相繼結(jié)束，學(xué)生的實踐能力得到了提高，于是，更高的要求提出來——設(shè)計并執(zhí)行課程項目。項目教學(xué)最顯著的特點是“以項目為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變了以往“教師講，學(xué)生聽”被動的教學(xué)模式，創(chuàng)造了學(xué)生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。在教學(xué)實施過程中重點考慮如何發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用，如何發(fā)揮學(xué)生的主體作用，如何讓學(xué)生在完成項目的過程中達到教學(xué)目標的要求。課程項目的目標是提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力和獨立科研的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。課程項目在整個課程教學(xué)中所占比重很大(25%)，學(xué)生非常重視。

項目的題目和要求，通常由任課老師來制定，任課教師從工程實踐中提煉問題，根據(jù)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)將之轉(zhuǎn)變?yōu)檎n程實踐項目，同時鼓勵學(xué)生自擬課題，但需經(jīng)任課老師認可；項目采用團隊合作方式進行，學(xué)生自由組合，4或5名學(xué)生為一小組，各組課題不同；課題確定后，學(xué)生便開始進行市場調(diào)研、概念設(shè)計、詳細設(shè)計、樣機制作與測試、技術(shù)經(jīng)濟分析等，在這一系列教學(xué)環(huán)節(jié)中，體驗實際工程中產(chǎn)品開發(fā)的各個環(huán)節(jié)；最后，各小組提交項目報告，進行項目成果展示和答辯，接受教師和專家的評審考核；最終，任課教師會根據(jù)報告內(nèi)容和答辯情況給出課程項目的成績。

課程項目教學(xué)模式給學(xué)生提供了良好的科創(chuàng)平臺，在解決實際工程問題過程中，學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合工程能力得到較快提升，學(xué)生的科研興趣也由此被調(diào)動，一些學(xué)生會以課程項目為基礎(chǔ)，進一步拓展和深入研究，參加校內(nèi)外的各項科創(chuàng)比賽，如大學(xué)生創(chuàng)新實踐項目、節(jié)能減排大賽等。從此，“傳熱學(xué)”不再是紙上談兵。“項目式”教學(xué)模式獲得了廣大師生的肯定和好評。

3 基礎(chǔ)平臺和學(xué)習(xí)工廠

實驗的綜合性和靈活性決定了教學(xué)實驗平臺的性質(zhì)。以往的實驗臺是成套的成熟設(shè)備，學(xué)生看不到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對測量機理無法深入理解，而且，儀器的用途單一，無法滿足學(xué)生實驗的綜合創(chuàng)新性。改革后的實驗平臺是一個個基礎(chǔ)性的操作平臺，包含風(fēng)洞、加熱平臺、水循環(huán)系統(tǒng)、先進的NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等必備的儀器設(shè)備，以及風(fēng)速儀、流量計、萬用表等基本的測量儀表。實驗對象也具有多樣性，以供學(xué)生自主選擇。

課程項目則更需要開放型、創(chuàng)新性平臺作為支持。我院教學(xué)實驗中心在教學(xué)實驗平臺的基礎(chǔ)上配備了相對齊全的熱動類實驗系統(tǒng)和先進的測量儀器以滿足學(xué)生的個性化需求。另外，學(xué)院借鑒美國密西根大學(xué)、普渡大學(xué)及賓州州立大學(xué)等類似的學(xué)生學(xué)習(xí)車間或工廠模式，在我院教學(xué)實驗中心建設(shè)了產(chǎn)學(xué)合作基地——“學(xué)習(xí)工廠”，向?qū)W生提供學(xué)習(xí)加工車間以完成產(chǎn)品設(shè)計模型制造?！皩W(xué)習(xí)工廠”由“通用實踐平臺”和“精密測試與加工平臺”組成，如圖1所示。可覆蓋本科生的科創(chuàng)、企業(yè)產(chǎn)學(xué)合作的需求。在專業(yè)教師指導(dǎo)下，學(xué)生通過自主使用各類加工設(shè)備完成設(shè)計模型。

(a) 通用實踐平臺

(b) 精密測試與加工平臺

基本實驗平臺建設(shè)和學(xué)習(xí)工廠的建設(shè)，為實踐教學(xué)改革奠定了堅實的基礎(chǔ)，是學(xué)生開展自主創(chuàng)新實驗，進行開放式學(xué)習(xí)實踐的保障。

4 結(jié) 語

此次的實踐教學(xué)改革在內(nèi)容和形式上都取得了全方位的突破。改革后的傳熱學(xué)實驗教學(xué)不但增加了基礎(chǔ)實踐課程的深度、廣度、自由度，增強了其綜合性和創(chuàng)新性，還引入“項目式”教學(xué)模式，將課程實踐項目和社會需求緊密結(jié)合，以項目為中心，通過解決實際問題鍛煉學(xué)生的專業(yè)能力、探究能力以及其他能力。在教學(xué)方式上，則是以學(xué)生為中心，把傳統(tǒng)的灌輸式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿魇綄W(xué)習(xí)，構(gòu)建了開放的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，為學(xué)生提供獲取知識的多種渠道。實踐證明，該教學(xué)實踐改革的效果是顯著的，在這種以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目標，注重能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)培養(yǎng)的人才培養(yǎng)的模式下，學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)、綜合能力和創(chuàng)新意識都獲得了普遍提高。

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Practical Teaching Reform for Heat Transfer

XUYamin

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The new experiment teaching mode for “Heat Transfer” is one of reform achievements in our college, by taking America as lessons. With the goal of cultivating innovative talents, we put a high value on the cultivation of students’ comprehensive quality and innovative ability. Instead of traditional experiment teaching mode, we focus on students. Firstly, students have some comprehensive experiments, in which, they could master the professional knowledge better and enhance the ability of practice; Secondly, students are trained to solve practice problems by having projects, in which, they could enhance the professional skills, exploration ability, innovation capability and cooperation ability. Basic platform construction and learning factory construction are solid foundations of the practical teaching reform. It has been proved that this open research learning is effective to enhance the students’ comprehensive quality and professional abilities.

practical teaching reform; heat transfer; innovative talents; comprehensive quality; curriculum projects

2016-04-12

許亞敏(1981-)，女，山東聊城人，博士，工程師，研究方向：流動與傳熱，實驗教學(xué)與管理。

Tel.：13611968956; E-mail: yaminxu@sjtu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)05-0196-03