胡剛剛,楊志平
(華北電力大學(xué)熱能與動(dòng)力工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,北京 102206)
現(xiàn)代高等教育必須以能力、素質(zhì)培養(yǎng)為核心,突出培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、創(chuàng)造性思維和科研能力。當(dāng)代教育的一個(gè)重大轉(zhuǎn)變是從強(qiáng)調(diào)傳授知識(shí)和技能轉(zhuǎn)到重視學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)[1]。培養(yǎng)創(chuàng)新人才是高等教育的戰(zhàn)略目標(biāo)之一,關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和核心競爭力的提高,關(guān)系到建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[2]。實(shí)驗(yàn)室是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要基地,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要手段,在實(shí)驗(yàn)室里,學(xué)生通過學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)課程、參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研究,獲得更多動(dòng)手和動(dòng)腦機(jī)會(huì),透過現(xiàn)象挖掘本質(zhì),學(xué)會(huì)分析問題、解決問題的基本方法,不斷增進(jìn)對知識(shí)的理解,找到新的突破點(diǎn),使創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維得到提高[3]。高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理水平直接反映了學(xué)校的教學(xué)水平和科研實(shí)力。開放實(shí)驗(yàn)室體系的構(gòu)建是實(shí)踐教學(xué)模式改革的重要體現(xiàn),是高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的必由之路,對提升學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力有著重要的意義[4]。“雙一流”為高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)注入了新的內(nèi)涵,也提出了新的更高要求,實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與運(yùn)行管理必須打破傳統(tǒng)模式,強(qiáng)化內(nèi)涵式發(fā)展,才能更好地助力“雙一流”建設(shè)[5]。
熱工課程以研究熱能的有效利用及轉(zhuǎn)換與傳遞規(guī)律為基本內(nèi)容,在工科許多大類專業(yè)的人才培養(yǎng)中具有重要地位。在我國,熱工基礎(chǔ)課程一般指工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)兩門課程。工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)已經(jīng)成為歐美國家機(jī)械類學(xué)生的必修課,有的學(xué)校還設(shè)為工科學(xué)生的基礎(chǔ)課。在境外的高等工程教育中,傳熱學(xué)與熱力學(xué)課程的開設(shè)相當(dāng)普遍。作為應(yīng)用科學(xué),實(shí)驗(yàn)教學(xué)無疑是完整的課程教學(xué)的組成部分[6]。傳熱學(xué)作為研究熱量及質(zhì)量傳遞規(guī)律的工程技術(shù)科學(xué),是能源與動(dòng)力工程專業(yè)主要的專業(yè)基礎(chǔ)課程,通過這門課的學(xué)習(xí)可以達(dá)到兩個(gè)目的:①使學(xué)生獲得比較寬廣和鞏固的熱量和質(zhì)量傳遞規(guī)律的基本知識(shí),具備分析工程傳熱與傳質(zhì)問題的基本能力,掌握計(jì)算工程傳熱與傳質(zhì)問題的基本方法;②為學(xué)生以后從事熱能的合理利用和轉(zhuǎn)換、熱工設(shè)備效能優(yōu)化以及換熱器的設(shè)計(jì)等方面的工作,打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[7]。長期以來,傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)多以理論驗(yàn)證為主,沒有體現(xiàn)出設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性。學(xué)生被動(dòng)接受教師安排,實(shí)驗(yàn)過程按部就班地完成規(guī)定程序,自主性和個(gè)性發(fā)展被埋沒[8]?,F(xiàn)代課程觀認(rèn)為,課程是學(xué)生自己的體驗(yàn)過程,教師要把學(xué)生的學(xué)習(xí)組織好,給予學(xué)生有效的指導(dǎo)和幫助,課程教學(xué)過程是學(xué)生自我學(xué)習(xí)和發(fā)展過程,如果學(xué)生沒有自主學(xué)習(xí)、自我發(fā)展,學(xué)生的學(xué)習(xí)和成長是很難真正達(dá)到高水平[9]。
2008 年,為全面貫徹黨的教育方針,落實(shí)教育部《關(guān)于加快研究型大學(xué)建設(shè)增強(qiáng)高等學(xué)校自主創(chuàng)新能力的若干意見》(教技〔2007〕5 號(hào))精神,積極探索培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求、德智體全面發(fā)展的高素質(zhì)拔尖創(chuàng)新人才的有效途徑,我校在能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院設(shè)立本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)班,按照“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力”的原則,強(qiáng)化創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力,提高實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的層次,開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)課程。2012 年,按照教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”,學(xué)校積極探索多層次“卓越計(jì)劃”人才培養(yǎng)體系,構(gòu)建工程創(chuàng)新型和工程實(shí)踐型人才培養(yǎng)模式。①工程創(chuàng)新型:以現(xiàn)有創(chuàng)新人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)班為基礎(chǔ),強(qiáng)化研究與創(chuàng)新,實(shí)施“課內(nèi)外統(tǒng)合、學(xué)研雙驅(qū)”培養(yǎng)模式,實(shí)行導(dǎo)師制、個(gè)性化培養(yǎng)方案。強(qiáng)化數(shù)理基礎(chǔ),注重綜合能力和研究能力培養(yǎng)。②工程實(shí)踐型:實(shí)施“學(xué)行并重、校企聯(lián)合”培養(yǎng)模式,強(qiáng)化工程實(shí)踐,注重企業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié),培養(yǎng)方案由校企雙方共同制定。加強(qiáng)學(xué)科基礎(chǔ)與專業(yè)基礎(chǔ),注重解決現(xiàn)場工程問題能力、開發(fā)能力和設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)。2018 年,由我校和中國科學(xué)院工程熱物理研究所聯(lián)合創(chuàng)辦吳仲華學(xué)院,致力于培養(yǎng)動(dòng)力工程及工程熱物理學(xué)科的杰出人才,探索具有我校特色的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。
工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)是能源動(dòng)力類專業(yè)的核心課程,而傳熱學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系更為密切,可以開設(shè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)量也更多,建設(shè)什么樣的實(shí)驗(yàn)臺(tái),采用怎樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,需要綜合考慮學(xué)生人數(shù)、資金投入、培養(yǎng)目標(biāo)等因素,適應(yīng)能源動(dòng)力類專業(yè)拔尖創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo),建設(shè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要有較高的安全可靠性,方便操作,測試儀表精度應(yīng)高于普通實(shí)驗(yàn)要求,熱能與動(dòng)力工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,利用教育部改善基本辦學(xué)條件經(jīng)費(fèi),購置英國希爾頓綜合傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái),同時(shí)將本中心教師的科研實(shí)驗(yàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,自制研發(fā)適合于本科生開展綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),具體建設(shè)的傳熱學(xué)綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括11 個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K,如表1 所示。
表1 傳熱學(xué)綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊構(gòu)成
(1)線性導(dǎo)熱模塊(見圖1)。該模塊主要用于:①測量熱量通過均勻平面壁面穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)的溫度分布,并論證熱流變化的影響;②了解傅里葉導(dǎo)熱方程在固體材料的一維穩(wěn)態(tài)熱流率的應(yīng)用;③測量熱量通過復(fù)合平面壁面的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)的溫度分布,確定熱量通過不同材料組合時(shí)的總傳熱系數(shù);④測定金屬試樣的導(dǎo)熱系數(shù);⑤證明在恒定導(dǎo)熱系數(shù)的固體材料中,溫度梯度與一維熱流的橫截面積成反比。
圖1 線性導(dǎo)熱模塊
(2)徑向?qū)崮K(見圖2)。該模塊主要用于:①測量通過厚壁圓筒壁的熱能穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)的溫度分布(徑向能量流),并證明熱流變化的影響;②了解傅里葉速率方程在確定熱能通過厚圓柱體壁的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)(徑向能量流)的熱流速率中的應(yīng)用,以及使用該方程確定圓盤材料的熱導(dǎo)率。
圖2 徑向?qū)崮K
(3)擴(kuò)展的表面?zhèn)鳠崮K(見圖3)。該模塊主要用于:①測量沿延伸表面的溫度分布,并將結(jié)果與理論分析進(jìn)行比較;②計(jì)算由自由對流和輻射換熱組合方式產(chǎn)生的擴(kuò)展表面的傳熱,并與理論分析進(jìn)行比較;③確定棒材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
圖3 擴(kuò)展的表面?zhèn)鳠崮K
(4)液體和氣體熱導(dǎo)率測量模塊(見圖4)。該模塊主要用于:液體或氣體的熱導(dǎo)率測定。
圖4 液體和氣體熱導(dǎo)率測量模塊
(5)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模塊(見圖5)。該模塊主要用于:①當(dāng)對形狀表面的溫度進(jìn)行階躍變化時(shí),觀察熱向固體形狀中心的非穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo);②使用分析的瞬態(tài)溫度/熱流圖來確定固體圓柱體的導(dǎo)熱系數(shù);③研究形狀、尺寸和材料性能對非定常熱流的影響;④瞬態(tài)溫度分析的集總熱容法研究。
圖5 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模塊
(6)平板、圓管和翅片自由和強(qiáng)制換熱模塊(見圖6)。該模塊主要用于:①研究輸入電源在自然對流情況下與表面溫度變化的關(guān)系;②研究輸入電源在強(qiáng)制對流情況下與表面溫度變化的關(guān)系;③研究試件表面積對改善換熱器的作用;④測量試件擴(kuò)展表面的溫度分布。
圖6 平板、圓管和翅片自由和強(qiáng)制換熱模塊
(7)沸騰換熱模塊(見圖7)。該模塊主要用于:①對流沸騰、核沸騰和膜沸騰的可視化演示;②定壓條件下臨界條件及臨界條件外熱流和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的測定;③壓力對臨界熱流密度影響的研究;④膜狀冷凝的演示和總傳熱系數(shù)的測量。
圖7 沸騰換熱模塊
(8)輻射傳熱模塊(見圖8)。該模塊主要用于:①測定輻射強(qiáng)度與到輻射表面距離的平方成反比(熱輻射的平方反比定律);②測定輻射強(qiáng)度與輻射表面溫度的四次方成正比(斯忒藩-玻爾茲曼定律);③確定輻射計(jì)測量的輻射強(qiáng)度與輻射表面和輻射計(jì)之間的視角因素之間的關(guān)系;④確定不同拋光程度(即磨光和灰度(鍍銀))表面的發(fā)射率并與黑體表面的發(fā)射率比較;⑤測定相互接近的表面的發(fā)射率如何影響表面溫度和輻射傳熱;⑥驗(yàn)證基爾霍夫定律的正確性,即灰體表面的發(fā)射率等于與其他表面處于熱平衡時(shí)的吸收率;⑦測定兩個(gè)表面間的輻射傳熱量與它們之間的相互位置關(guān)系;⑧測定表面的照度與光源和表面之間距離的平方成反比(光照的平方反比定律);⑨測定向任意方向單位角度內(nèi)輻射的能量等于法向的輻射強(qiáng)度乘以輻射方向與法向夾角的余弦值(蘭貝特余弦定律);⑩測定光通過不透明材料的穿透率隨著材料的厚度和吸收率增大成比例衰減規(guī)律(蘭貝特吸收定律)。
圖8 輻射傳熱模塊
(9)對流和輻射綜合傳熱模塊(見圖9)。該模塊主要用于:①確定在自然對流條件下不同輸入功率總傳熱量;②測量低表面溫度下主導(dǎo)對流傳熱系數(shù)和高表面溫度下主導(dǎo)輻射傳熱系數(shù);③確定在不同氣流速度下強(qiáng)制對流對熱量傳遞的影響;④圓柱體周圍的局部傳熱系數(shù)的確定。
圖9 對流和輻射綜合傳熱模塊
(10)微尺度池沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)?zāi)K(見圖10)。該模塊主要用于:①研究不同微尺度表面(光表面、槽型通道、微陣列、乳突等表面)的沸騰傳熱特性;②觀察氣泡的生長、脫離情況;③獲得不同過冷度下的壁面?zhèn)鳠崽匦浴?/p>
圖10 微尺度池沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)?zāi)K
(11)凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)?zāi)K(見圖11)。該模塊主要用于:本實(shí)驗(yàn)將電加熱器內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽通入凝汽器進(jìn)行冷凝。凝汽器用冷水進(jìn)行冷卻,通過測量冷卻水的流量和進(jìn)出口溫度計(jì)算冷水的得熱量。通過測量蒸汽的溫度、冷凝溫度和蒸汽的流量可以計(jì)算出蒸汽的顯熱和潛熱,進(jìn)而計(jì)算蒸汽凝結(jié)過程的散熱量。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)配置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
圖11 凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)?zāi)K
圍繞創(chuàng)新人才培養(yǎng),各高校都在根據(jù)自身特點(diǎn)積極探索,不斷強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)在創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中的重要作用,特別是讓本科生進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室,在參與科研實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)創(chuàng)新能力。
作為專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室,如何發(fā)揮其培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的作用,是從事本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的老師一直探索的主題。本科實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)還是從動(dòng)手能力、實(shí)踐能力培養(yǎng)角度,采取實(shí)驗(yàn)室開放的模式,讓學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在驗(yàn)證課程知識(shí)點(diǎn)及原理的基礎(chǔ)上,強(qiáng)化動(dòng)手能力、處理數(shù)據(jù)能力、綜合分析問題能力的培養(yǎng),發(fā)揮承擔(dān)后續(xù)科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)承上啟下的作用。
我校熱能與動(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心于2017 年開始,將建設(shè)的傳熱學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K以開放實(shí)驗(yàn)的模式對創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班和卓越工程師班的學(xué)生開放,采用3~4人1 組,每組選擇4~5 個(gè)實(shí)驗(yàn),作為傳熱學(xué)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與傳熱學(xué)課程同步進(jìn)行,在驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)點(diǎn)及原理規(guī)律的基礎(chǔ)上,強(qiáng)化學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。2019年配合學(xué)?!半p一流”學(xué)科的建設(shè),為吳仲華學(xué)院單獨(dú)開設(shè)32 學(xué)時(shí)傳熱學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程,與傳熱學(xué)理論課程同一學(xué)期開設(shè),從第9 周開始,每周2 次,每次2學(xué)時(shí),將每班學(xué)生分為9~10 組,每組要求利用11 個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K開展傳熱學(xué)綜合實(shí)驗(yàn),其中9 個(gè)模塊為英國希爾頓公司生產(chǎn),配有2 臺(tái)主機(jī),每個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)必須通過主機(jī)相連,由主機(jī)提供電源及過電保護(hù),能夠顯示電流和電壓,同時(shí)配置熱電偶插槽及選擇按鈕和溫度顯示表盤。9 個(gè)模塊只能同時(shí)接納2 組同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),另外2 個(gè)模塊可單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每次最多可容納5組同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
本實(shí)驗(yàn)為獨(dú)立開設(shè),現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺(tái)套數(shù)不能滿足全班同學(xué)同時(shí)進(jìn)行。采用開放實(shí)驗(yàn)?zāi)J剑劝凑照=虒W(xué)計(jì)劃安排分組進(jìn)行必做實(shí)驗(yàn),其他選做實(shí)驗(yàn)采用開放方式,從第5 周開始即允許學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn),第1 次課集中進(jìn)行理論講解,包括課程目的、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、實(shí)驗(yàn)要求、考核辦法等,然后到實(shí)驗(yàn)室對各實(shí)驗(yàn)?zāi)K及其注意事項(xiàng)進(jìn)行逐一講解,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分組安排。
通過實(shí)驗(yàn)室開放使計(jì)劃實(shí)驗(yàn)時(shí)間沒有完成的實(shí)驗(yàn)可在課后繼續(xù)進(jìn)行,同時(shí)對計(jì)劃課時(shí)內(nèi)不能安排實(shí)驗(yàn)的小組,可選擇合適的時(shí)間(晚上或周末等)自主進(jìn)行,對于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題可通過微信群發(fā)布,由老師或同學(xué)實(shí)時(shí)解答。
本實(shí)驗(yàn)為單獨(dú)開設(shè)實(shí)驗(yàn)課,成績以百分計(jì),主要從如下幾個(gè)方面考核:①平時(shí)成績占30 分,主要考查課內(nèi)實(shí)驗(yàn)紀(jì)律以及實(shí)驗(yàn)過程參與程度;②實(shí)驗(yàn)成績占70分,從3 方面考查:①實(shí)驗(yàn)報(bào)告,重點(diǎn)考查分析問題解決問題的能力(40 分);②通過小組抽簽方式采用PPT匯報(bào)一個(gè)實(shí)驗(yàn)(由理論課教師和實(shí)驗(yàn)教師組成答辯小組),考查學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)掌握程度及協(xié)同協(xié)作的能力(20 分);③考查學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)(10 分),讓每個(gè)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)?zāi)J?、?shí)驗(yàn)臺(tái)存在的問題、改進(jìn)措施、能否拓展新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)表自己的見解和體會(huì),撰寫論文專利等。
自2017 年對創(chuàng)新動(dòng)1501 班和實(shí)踐動(dòng)1501 班、創(chuàng)新動(dòng)1601 班、吳仲華1701 班、吳仲華1801 班實(shí)施傳熱學(xué)綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)J揭詠恚〉幂^好的效果。學(xué)生具體的體會(huì)主要有如下幾點(diǎn):
(1)該實(shí)驗(yàn)?zāi)J綄魇谥R(shí)和培養(yǎng)能力融為一體,由學(xué)生全程操作,調(diào)動(dòng)了實(shí)驗(yàn)積極性和鍛煉了動(dòng)手能力,為將來從事科研打下基礎(chǔ)。
(2)通過傳熱學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程,將傳熱學(xué)的理論具體化,加深了對知識(shí)的理解,促進(jìn)了動(dòng)手能力的提高,充分感受到了實(shí)驗(yàn)科學(xué)的魅力與困難,做實(shí)驗(yàn)需要充分的耐心,很多實(shí)驗(yàn)需要相當(dāng)長的時(shí)間才能出結(jié)果。
(3)采用該實(shí)驗(yàn)?zāi)J?,?yàn)證教材所學(xué)內(nèi)容,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差出現(xiàn)的原因,提高自己運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題,運(yùn)用軟件處理數(shù)據(jù),查閱文獻(xiàn)解決問題的能力。
(4)小組之間要分工明確、及時(shí)溝通、合作完成實(shí)驗(yàn),才會(huì)事半功倍。
(5)時(shí)間靈活,自主操作多,相比傳統(tǒng)一次過的實(shí)驗(yàn)有更深的印象和體會(huì),對實(shí)驗(yàn)過程理解更深刻。在實(shí)際操作時(shí),會(huì)遇到預(yù)料不到的小問題,通過分析研究解決,提高了實(shí)踐能力。
在“雙一流”學(xué)科建設(shè)大背景下,如何建設(shè)實(shí)驗(yàn)室,如何開展實(shí)驗(yàn),對于學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)至關(guān)重要。要結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo),以學(xué)生為中心,建設(shè)適合本科生的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并對學(xué)生全面開放,為學(xué)生提供獨(dú)立操作的機(jī)會(huì),培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題的能力,促進(jìn)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和創(chuàng)新意識(shí),為落實(shí)國家創(chuàng)新人才培養(yǎng)戰(zhàn)略實(shí)施起推動(dòng)作用。