許亞敏，顧力強，曹 瑋

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

0 引言

工程熱力學是國內(nèi)外大學能源動力、機械工程、土木工程、航空航天、低溫制冷、食品工程、化學工程、環(huán)境工程等多個理工科專業(yè)的核心課程，其教學方式的革新和創(chuàng)新是科學研究與教育的前沿問題之一［1-6］。工程熱力學實驗教學是該課程中必不可少的一部分，是幫助學生深入理解理論知識，提升知識運用能力和工程實踐能力的重要途徑［7-8］。因此，積極探索和改革工程熱力學實踐教學，建設適用于新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的實踐教學平臺具有積極的意義。

1 傳統(tǒng)實踐教學存在的問題

1.1 基礎實驗教學不足

工程熱力學是熱能動力類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，理論概念復雜，公式繁多［9］，基礎的實驗教學對于學生鞏固和深入理解理論知識是非常必要的，同時也是學生掌握基本實驗方法、實驗技能的必要途徑。但傳統(tǒng)的教學實驗存在兩方面的問題，①實驗儀器集成化、成品化程度高，導致原本就內(nèi)容單調(diào)的實驗，實驗過程更加單調(diào)，通常學生只需按照指導書的說明動動按鈕，讀讀數(shù)據(jù)即可得出較滿意的結(jié)果，整個過程幾乎沒有可以讓學生發(fā)揮主觀能動性的地方，也就無法調(diào)動學生的主動性思維，這樣“只有好的實驗結(jié)果，沒有好的實驗效果”的教學實驗對學生加深知識點理解、提升實踐能力的幫助是非常有限的。②教學方式上教師的主動性遠大于學生的主動性，教師每節(jié)課都仔細地講解關于實驗的方方面面，學生只需要認真聽，然后按照老師的講述或指導書的說明一步步操作即可。實驗成績也僅憑實驗報告來決定。這種教學模式和評價模式顯然無益于調(diào)動學生的積極性，提升其對實驗的興趣。

1.2 實踐教學模式單一

原有工程熱力學實驗只有氣體定壓比熱測定和氣體狀態(tài)特性測量兩個基礎性實驗，其中氣體狀態(tài)特性測量實驗由于考慮到環(huán)境、安全等因素，選擇的氣體工質(zhì)是高純氮氣。又考慮到實驗課時間有限，而溫度穩(wěn)定耗時較長，因此，只針對一個溫度數(shù)據(jù)下的壓強與體積之間的關系進行實驗測量。種種跡象表明，實驗教學對實驗條件的依賴性是很嚴重的，真實的工程熱力學實驗研究的內(nèi)容是受到參數(shù)變化范圍制約的，這就影響了學生實驗研究內(nèi)容的廣度和深度，不利于學生思維創(chuàng)新和能力的提升。

此外，原有工程熱力學實驗缺乏具有綜合性、自主性的項目實驗。基礎性實驗，雖然能使學生掌握到基本的理論知識和實驗技能，但基本還是對某一理論的驗證。學生對知識的綜合運用能力以及自主創(chuàng)新能力僅從基礎驗證性實驗中無法得到培養(yǎng)。因此，傳統(tǒng)的基礎實驗教學無法滿足新工科創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需求。

2 工程熱力學實踐教學改革

2.1 教學方式改革及實驗裝置改造

2.1.1 教學方式改革

鑒于傳統(tǒng)實驗教學存在的問題，對基礎教學實驗進行了一系列的改革。首先改變傳統(tǒng)的實驗教學模式，授課方式由被動式變?yōu)榛邮?。具體方式為：①加強課前預習，實驗教師將實驗目的、原理、設備介紹以及整個實驗的設計思路等內(nèi)容錄制在視頻中，提前發(fā)放給學生看，讓學生在進入實驗室之前就對實驗有基本的了解，同時提出相應的思考問題，比如氣體定壓比熱實驗中要算出比熱值，需要知道哪些物理量？這些量如何求得？氣體加熱后，為什么要經(jīng)過均流、旋流后才測量氣體的出口溫度？為解決這些問題，學生會主動思考、積極查閱資料，無形中增強了分析問題、解決問題的能力，同時也加強了對理論知識的理解和應用。②增設課堂預習考查環(huán)節(jié)，在實驗課上把原來的教師講述環(huán)節(jié)變成預習考查環(huán)節(jié)，通過考查互動，把實驗的要點傳授給學生。在實驗過程中教師也將隨時提問，啟發(fā)學生主動思考。如此，學生對待實驗的態(tài)度更端正認真了，互動的模式提升了學生實驗的積極性，激發(fā)了學生的主動性思維，從而加深了學生對基礎理論知識的理解和掌握。

2.1.2 實驗裝置升級改造

基礎教學實驗一方面是強化學生對理論知識的理解和掌握，還有一個很重要的方面就是提高學生的動手操作能力和實驗技術水平。從教學儀器生產(chǎn)廠家直接購買的實驗裝置集成化程度高，參數(shù)測量基本都是數(shù)據(jù)直接讀取型，不利于培養(yǎng)學生的動手操作能力，更談不上對測試技術的掌握，為此將實驗裝置進行了改造，比如氣體定壓比熱實驗中，將原來的測溫元件溫度計替換成在工業(yè)和科研中更常用的溫度傳感器熱電偶或熱電阻進行數(shù)據(jù)采集，如圖1 所示。學生通過LabVIEW或VB（Visual basic）自己編寫程序得到溫度數(shù)據(jù)，這樣學生通過實驗既能掌握理論知識，又能對相關的先進測試技術加以掌握，從而為后續(xù)的項目實驗及工業(yè)應用打下基礎。

圖1 升級后的氣體定壓比熱實驗裝置

授課方式的改變必將影響考核機制的變化，原來的實驗成績僅憑實驗報告，導致學生一味的只追求結(jié)果而不敢嘗試，甚至為追求高分而篡改抄襲實驗數(shù)據(jù)。改革后的考核包括預習部分（20%）、課堂表現(xiàn)（30%）和實驗報告（50%）3 部分，能更全面地考核學生的實驗技能和知識掌握情況，因此更為合理和公平。

改革后的基礎教學實驗最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢，使學生在學習理論知識的同時，通過實驗加深理解，同時掌握基本的實驗技能和測試技能，為下一步的綜合創(chuàng)新實驗項目打下基礎。

2.2 真實實驗與虛擬仿真實驗結(jié)合

隨著信息和科技的發(fā)展，虛擬仿真實驗已經(jīng)逐步深入教學，突破了實驗教學對實驗條件的依賴性，借助多媒體技術、虛擬仿真技術、傳感技術、輸入輸出技術構(gòu)建了一種高度仿真的實驗教學環(huán)境，使學習者體驗置身其中的感覺，能夠?qū)崿F(xiàn)互動實驗教學，最大限度地激發(fā)學生的自主實驗興趣以及揭開物理奧秘的沖動，有助于發(fā)展學生的構(gòu)建思維，具有獨特的實驗教學實踐作用。

目前，關于熱能動力學科的虛擬仿真教學項目大多集中在對大型系統(tǒng)的仿真模擬上，比如大型電廠的發(fā)電系統(tǒng)、水利發(fā)電運行與故障處理、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運行實訓等，又或是針對某一動力裝置的結(jié)構(gòu)和性能的虛擬仿真實驗，如汽車發(fā)動機性能測試、離心泵虛擬設計與仿真等虛擬實驗［10-11］。而針對工程熱力學、傳熱學等基礎學科基本原理的虛擬仿真實驗非常少。

為此，建立了容器充放氣特性及熱力學分析虛擬仿真實驗，并設計了多種工況條件，從而拓展了學生的研究范圍和研究深度，有利于學科的發(fā)展和專業(yè)人才的培養(yǎng)。該實驗和原有的氣體狀態(tài)特性（PVT）實驗進行虛實結(jié)合，從而彌補了真實實驗中無法提供的各種工況，兩者的對比如表1 所示。

表1 氣體狀態(tài)特性測量實驗及其虛擬仿真實驗工況對比

圖2 所示為容器充放氣特性及熱力學分析虛擬仿真實驗的設計圖，可見，通過管道自由切換和連接，很容易完成工況轉(zhuǎn)換，從而大大擴展了實驗研究的內(nèi)容。

圖2 虛擬仿真實驗設計圖

2.3 綜合創(chuàng)新項目式實踐教學

基礎教學實驗能夠幫助學生加強對基本熱工原理的理解，但若僅有這樣的實驗，肯定達不到培養(yǎng)雙一流建設和新工科建設所需復合型、創(chuàng)新型人才的目的。

我校機械與動力工程學院（下稱我院）近年來越來越注重學生自主創(chuàng)新實驗的開展，通過自主性實驗，培養(yǎng)學生的動手能力、知識應用能力、問題解決能力以及團隊協(xié)作能力等［12-16］。近幾年來，我院對工程熱力學課程的實踐教學部分逐漸調(diào)整，減少了基礎性實驗的比重，增加了設計性實踐教學，建設了多套自主創(chuàng)新實踐平臺，學生在此實踐平臺上根據(jù)實驗目的和要求自主設計、搭建實驗臺，完成實驗研究。

2.3.1 綜合創(chuàng)新實踐平臺建設

2017 年以來，我院積極響應教育部新工科建設，以培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程技術人才為目標，建設了一批新型的綜合創(chuàng)新實踐平臺，為我校新工科建設提供基礎技術支撐。針對工程實踐和熱工學科的教學重點和難點問題設計了多工況氣體流動特性和熱力學分析綜合創(chuàng)新實踐平臺（見圖3、4），該實踐平臺適用于新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，是開放、綜合、創(chuàng)新型熱工實踐平臺。

圖3 氣體流動特性綜合實踐平臺示意圖

圖4 氣體熱力學分析綜合實踐平臺示意圖

該實踐平臺可以進行氣體流動特性和氣體熱力學分析兩方面的研究內(nèi)容，平臺設計注重學科交叉與融合，注重傳統(tǒng)工業(yè)和新技術的結(jié)合，注重實驗形式的開放化、內(nèi)容的系統(tǒng)、層次化。具體體現(xiàn)為：在建設模式上，實現(xiàn)模塊化設計，根據(jù)預計的研究內(nèi)容和所需條件，設計、定制了相應的實驗模塊，并配備多種兼具先進性與通用性的測量設備，以便學生根據(jù)實驗目的進行自主設計和搭建實驗。在建設內(nèi)容上，包括兩個層次，第1 層次側(cè)重基礎研究，可進行的實驗內(nèi)容涵蓋工程熱力學多個教學重點和難點，如噴管內(nèi)流動特性、背壓改變對噴管流動特性的影響，高壓容器放氣特性、容器充氣的特性和熱力學分析等，學生需自己提出實驗方案、搭建實驗裝置，目的是掌握變工況噴管流動特性，以及對典型的非穩(wěn)定流動過程——充放氣的特性及能量轉(zhuǎn)換的特性進行研究，并能應用于工程實踐；第2 層次屬于高層次的拓展性實驗，側(cè)重多學科知識的交叉運用與創(chuàng)新，如等速和等質(zhì)量流量充氣過程的實現(xiàn)、流動不可逆作功能量損失的驗證等。這些創(chuàng)新性實驗，需要學生融合多學科的知識，同時又為學生自由發(fā)揮留出了足夠的想象空間。

該實踐平臺可擴展、可深入，滿足不同層次的學生的需要，有助于多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的培養(yǎng)。

2.3.2 基于綜合創(chuàng)新實踐平臺的項目式實踐教學

項目式教學是我院近年來一直推行的教學模式，該方式將教學由被動式變?yōu)榱酥鲃邮?，學生會主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新。工程熱力學實踐教學在原有基礎實驗的基礎上增加了綜合創(chuàng)新項目實踐，學生在完成基礎實驗教學和課程教學的基礎上，將綜合多學科知識，利用綜合創(chuàng)新實踐平臺提供的資源，分組完成1～2 個綜合實踐項目或工程實踐項目。

學生在此開放式、綜合性、創(chuàng)新型實踐平臺上，通過自行設計實驗、搭建實驗裝置、實際測量和分析驗證等一系列實踐活動后，除了能掌握學科重要知識點外，在開放設計與解決問題技能、實驗技能、分析和解釋數(shù)據(jù)技能等諸多方面將得到有效訓練和能力提升，從而提高其綜合創(chuàng)造力和原始創(chuàng)新力。

3 結(jié)語

經(jīng)過幾年來的改革實踐，我院工程熱力學實踐教學的內(nèi)容和形式都取得了全面突破。對于基礎實驗教學，改變了傳統(tǒng)的被動式授課方式，強化師生互動，并且通過對實驗儀器升級改造，引入先進測試技術；考核也更全面，拓展到實驗前、實驗中、實驗后3 個方面。這些措施全方位調(diào)動了學生的實驗積極性和主動性，提高了學生的動手能力和創(chuàng)造能力。同時，在實驗教學中引入虛擬仿真實驗，做到虛實互補，拓展了實驗研究的廣度和深度。

為面向新工科人才培養(yǎng)的需要，還建設了多工況氣體流動特性和熱力學分析綜合創(chuàng)新實踐平臺，為學生自主創(chuàng)新實踐提供了平臺和技術支撐。經(jīng)過該實踐教學平臺的分層次訓練，學生不但具有多學科基礎知識的應用能力和解決工程問題的能力，其工程科技創(chuàng)新、創(chuàng)造能力也必將得到快速提升。實踐表明，我院的工程熱力學實踐教學改革，改善了國內(nèi)現(xiàn)有熱能動力學科實踐教學模式，切實提高了實踐教學的質(zhì)量，為新工科人才培養(yǎng)起到了積極的作用。