建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)傳熱學(xué)實驗教學(xué)的/r/n理論/r/n與/r/n考慮/r/n/r/n〔〕:/r/n

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/r/n摘要：傳熱學(xué)是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用/r/n工程/r/n專業(yè)的基石課程之一，實驗教學(xué)是傳熱學(xué)授課的重要組成/r/n局部/r/n。隨著新工科/r/n建立/r/n的推進(jìn)，傳熱學(xué)實驗教學(xué)也面臨著創(chuàng)新人才培養(yǎng)的責(zé)任和任務(wù)。本文在調(diào)研南京工業(yè)大學(xué)環(huán)能專業(yè)傳熱學(xué)實驗課教學(xué)現(xiàn)狀的根底上，針對學(xué)生參與度、/r/n創(chuàng)造/r/n性培養(yǎng)和考核方式/r/n進(jìn)展/r/n了/r/n討論/r/n，提出了一系列提升教學(xué)效果的措施，并明確了虛擬仿真實驗臺的載體和催化劑作用。研究結(jié)論為環(huán)能專業(yè)傳熱學(xué)教學(xué)質(zhì)量的提升和學(xué)生創(chuàng)新/r/n才能/r/n的培育提供了參考。/r/n

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/r/n關(guān)鍵詞：傳熱學(xué)；實驗課；教學(xué)現(xiàn)狀；技術(shù)改革；制度改革/r/n

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/r/n本文引用格式：王瑜,等.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用/r/n工程/r/n專業(yè)傳熱學(xué)實驗教學(xué)的/r/n理論/r/n與/r/n考慮/r/n[J].教育現(xiàn)代化,/r/n2022/r/n,6(42):49-52./r/n

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/r/n近年來，在/r/n施行/r/n創(chuàng)新驅(qū)動開展、新經(jīng)濟(jì)開展戰(zhàn)略背景下，中國/r/n工程/r/n教育/r/n開始/r/n在新工科改革中前進(jìn)，從"復(fù)旦共識";"天大行動";到"北京指南";，唱響了新工科/r/n建立/r/n"三部曲";【1】。/r/n

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/r/n作為地方高校的南京工業(yè)大學(xué)，是江蘇高/r/n程度/r/n大學(xué)/r/n建立/r/n"全國百強(qiáng)省屬高校";、江蘇省重點/r/n建立/r/n高校、江蘇省綜合改革試點高校、江蘇省人才強(qiáng)校試點高校。在新工科/r/n建立/r/n中，南京工業(yè)大學(xué)立足區(qū)域經(jīng)濟(jì)開展，固本強(qiáng)源，協(xié)同創(chuàng)新，奮力建成國內(nèi)一流國際/r/n知名/r/n創(chuàng)業(yè)型大學(xué)。/r/n理論/r/n創(chuàng)新/r/n才能/r/n的培養(yǎng)，是學(xué)校實現(xiàn)上述/r/n目的/r/n的關(guān)鍵。土木/r/n工程/r/n大類專業(yè)是南京工業(yè)大學(xué)特色專業(yè)之一，其中建筑環(huán)境與能源應(yīng)用/r/n工程/r/n專業(yè)〔簡稱環(huán)能專業(yè)〕更是江蘇省最早設(shè)置的該專業(yè)。在新工科/r/n建立/r/n背景下，傳統(tǒng)土木/r/n工程/r/n專業(yè)/r/n建立/r/n開展更需要以創(chuàng)新/r/n才能/r/n為核心【2】。程建杰等人【3】指出，在環(huán)能專業(yè)中如何調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，使得培養(yǎng)的學(xué)生真正具有設(shè)計和調(diào)試系統(tǒng)的/r/n才能/r/n是極其迫切的。/r/n

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/r/n傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，環(huán)能專業(yè)中遇到的大/r/n局部/r/n技術(shù)問題都和熱量傳遞問題有關(guān)。/r/n2022/r/n年出版的?高等學(xué)校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用/r/n工程/r/n本科指導(dǎo)性專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)/r/n?/r/n中明確提出，傳熱學(xué)屬于專業(yè)根底核心知識【4】，在課程體系和學(xué)生的認(rèn)知體系中均占據(jù)重要地位。。因此，傳熱學(xué)課程教學(xué)過程中，必須/r/n嚴(yán)密/r/n結(jié)合新工科特征，與時俱進(jìn)，積極吸收新的教學(xué)理念，/r/n探究/r/n新的教學(xué)/r/n方法/r/n，從而促進(jìn)本專業(yè)人才培養(yǎng)體系的轉(zhuǎn)型與/r/n進(jìn)步/r/n【5】。/r/n

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/r/n實驗課程作為傳熱學(xué)教學(xué)的重要組成/r/n局部/r/n，同樣需要/r/n根據(jù)/r/n新工科提倡的創(chuàng)新人才培養(yǎng)理念，更好地/r/n承當(dāng)/r/n起通過/r/n理論/r/n教學(xué)，使學(xué)生/r/n純熟/r/n地運用相關(guān)知識解決/r/n理論/r/n問題的責(zé)任。本文中作者結(jié)合/r/n承當(dāng)/r/n的傳熱學(xué)實驗課授課情況，/r/n討論/r/n了傳熱學(xué)實驗課/r/n進(jìn)步/r/n學(xué)生綜合/r/n理論/r/n才能/r/n、自主創(chuàng)新/r/n才能/r/n的/r/n方法/r/n。/r/n

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/r/n一實驗課在傳熱學(xué)課程教學(xué)中的地位/r/n

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/r/n傳熱學(xué)理論課程內(nèi)容上具有根本概念性強(qiáng)且抽象、根本規(guī)律和公式多、根本應(yīng)用廣泛的特點【6】。傳熱學(xué)實驗課是連接傳熱學(xué)理論和實際應(yīng)用的橋梁和紐帶，是課堂抽象理論的實際表述與驗證，/r/n承當(dāng)/r/n著促進(jìn)學(xué)生理解課堂/r/n描繪/r/n的熱量傳遞規(guī)律和推動學(xué)生/r/n進(jìn)展/r/n傳熱相關(guān)理論應(yīng)用/r/n探究/r/n的責(zé)任和義務(wù)。除了對課堂理論教學(xué)提供輔助之外，傳熱學(xué)實驗教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的/r/n探究/r/n精神和創(chuàng)新意識，這正是創(chuàng)新型時代/r/n工程/r/n科技人員所必需的素質(zhì)，是推動傳熱學(xué)領(lǐng)域跨學(xué)科開展的必備條件【7】。/r/n

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/r/n二傳熱學(xué)實驗課教學(xué)現(xiàn)狀-以南京工業(yè)大學(xué)為例/r/n

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/r/n南京工業(yè)大學(xué)環(huán)能專業(yè)對傳熱學(xué)課程實行小班化教學(xué)，每個班理論學(xué)時為64學(xué)時，實驗學(xué)時為6學(xué)時。針對傳熱學(xué)中導(dǎo)熱、對流和輻射三大/r/n局部/r/n，目前的教學(xué)大綱規(guī)定需對應(yīng)完成三項實驗，分別為穩(wěn)態(tài)球體法測粒裝材料的導(dǎo)熱系數(shù)實驗、空氣橫掠單管時平均換熱系數(shù)測定實驗和中溫輻射黑度測定實驗。此類實驗均為原理性驗證實驗，希望通過實驗過程的操作與獲得數(shù)據(jù)的處理過程/r/n幫助/r/n學(xué)生更好理解課堂上教授的傳熱學(xué)根本原理。在最終的考核過程中，單個實驗占/r/n總分值/r/n的8%，實驗課共占24%；以實驗課出勤狀況和最終的實驗報告分?jǐn)?shù)組合給出實驗課成績。作者于/r/n2022/r/n和/r/n2022/r/n年在/r/n承當(dāng)/r/n傳熱學(xué)課程教學(xué)的根底上同時指導(dǎo)學(xué)生的實驗課，實驗課流程為傳統(tǒng)線性流程，如圖1所示。/r/n

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/r/n通過課堂/r/n觀察/r/n和/r/n修改/r/n實驗報告，發(fā)現(xiàn)雖然實驗步驟簡單，但在技術(shù)和非技術(shù)層面仍然存在一些問題，/r/n詳細(xì)/r/n如下。/r/n

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/r/n〔一〕結(jié)果誤差問題/r/n

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/r/n手動測量是實驗中的重要環(huán)節(jié)，也是三個實驗/r/n涉及/r/n數(shù)據(jù)的根本獲取形式。在整個手動測量過程中，每組數(shù)據(jù)都需經(jīng)過調(diào)試、讀數(shù)、二次計算等過程，其中存在的操作精度和讀數(shù)/r/n偏向/r/n會直接影響結(jié)果誤差。隨著誤差的增大，最終擬合獲得的實驗曲線不滿足傳熱學(xué)根本規(guī)律，會直接降低學(xué)生對課堂教學(xué)內(nèi)容的/r/n承受/r/n程度。/r/n

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/r/n主要原因在于：/r/n

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/r/n1.學(xué)生對儀器不熟悉/r/n

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/r/n除了三次2學(xué)時的實驗外，學(xué)生無法接觸到傳熱學(xué)教學(xué)實驗設(shè)備，實驗課上往往是學(xué)生第一次操作儀器。第一次操作儀器難免會出現(xiàn)不少錯誤，包括工況調(diào)節(jié)不到位、多個傳感器之間讀數(shù)/r/n混淆/r/n、未等到系統(tǒng)穩(wěn)定就讀數(shù)等問題。三個實驗中均存在加熱等待穩(wěn)定后測量的步驟，由于加熱過程時間較長，尤其是到最后階段，數(shù)據(jù)變化的時間間隔越來越長。學(xué)生在/r/n觀察/r/n數(shù)據(jù)一段時間不變后便認(rèn)為系統(tǒng)已到達(dá)穩(wěn)態(tài)，/r/n開始/r/n讀數(shù)，然而此時熱電偶測量的溫度數(shù)據(jù)仍然在升高，讀數(shù)過程中前后獲得的數(shù)據(jù)甚至不在一個工況范圍內(nèi)。/r/n

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/r/n2.儀表校準(zhǔn)和設(shè)備重置工作不到位/r/n

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/r/n由于課程/r/n安排/r/n問題，有時會存在兩個班連續(xù)/r/n進(jìn)展/r/n實驗的情況。此時，前一個班做完實驗后只是簡單關(guān)閉電源，并未重新校準(zhǔn)儀表后再讓后一個班使用。另外，其他一些設(shè)備也并未恢復(fù)到位。如中溫輻射黑度測定實驗中，需在測量光滑外表的輻射換熱量之后將其涂黑，考察近似黑體的輻射換熱量。前一個班完成實驗后外表恢/r/n復(fù)原/r/n狀不到位，將直接影響后一個班測量的光滑外表黑度數(shù)值。/r/n

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/r/n3.人員擾動影響實驗工況/r/n

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/r/n穩(wěn)態(tài)球體法測量導(dǎo)熱系數(shù)實驗中，最終熱量是由球體內(nèi)介質(zhì)傳遞至球體外，完成導(dǎo)熱過程。此時假設(shè)實驗臺周圍的小組成員頻繁走動，會加速空氣與球體的對流換熱過程，從而影響導(dǎo)熱系數(shù)的測量過程。在輻射實驗中需測量環(huán)境背景溫度，小組成員假設(shè)/r/n聚集/r/n在實驗臺周圍靠近熱電偶的區(qū)域，那么背景溫度測量結(jié)果不可防止會偏高，影響到輻射黑度的測量結(jié)果。同樣，對流換熱實驗過程中，需根據(jù)測得的環(huán)境溫度計算過余溫度，人員的走動和/r/n聚集/r/n也會對過余溫度的計算數(shù)值產(chǎn)生影響。這/r/n說明/r/n在實驗課教學(xué)中，學(xué)生對數(shù)據(jù)精度的意識還不夠。/r/n

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/r/n4.傳統(tǒng)手算數(shù)據(jù)處理方式的局限/r/n

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/r/n穩(wěn)態(tài)球體法測量導(dǎo)熱系數(shù)實驗完成后，需要擬合曲線獲得導(dǎo)熱系數(shù)/r/nlambda;和內(nèi)外壁平均溫度tm之間的關(guān)系曲線；空氣橫掠單管換熱系數(shù)測定實驗完成后，需要擬合努塞爾數(shù)Nu和雷諾數(shù)Re之間的無量綱關(guān)聯(lián)式曲線。實驗手冊/r/n建議/r/n的傳統(tǒng)/r/n方法/r/n為在方格紙上描點，根據(jù)點的分布趨勢手繪曲線。由于描點誤差和點的取舍問題，手繪的曲線可能無法正確反映導(dǎo)熱系數(shù)或?qū)α鲹Q熱系數(shù)的變化。如能改用計算機(jī)軟件如Excel、Origin或Matlab完成數(shù)據(jù)點繪圖和關(guān)聯(lián)式擬合，擬合出的關(guān)聯(lián)式整體精度將大大/r/n進(jìn)步/r/n。/r/n

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/r/n〔二〕學(xué)生參與度問題/r/n

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/r/n由于實驗設(shè)備臺套數(shù)和場地的限制，不能保證每人/r/n單獨/r/n操作一個實驗臺，一般是以5人成組的形式合作完成一次實驗。然而在實際實驗過程中，經(jīng)常存在5人中只有1-2人在調(diào)試和記錄數(shù)據(jù)，/r/n剩余/r/n的同學(xué)并未參與到實驗過程中，只是在最后記錄下了小組同學(xué)的實驗數(shù)據(jù)回去完成報告。造成此種現(xiàn)象的原因主要為：/r/n

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/r/n〔1〕實驗過程無法引發(fā)學(xué)生的興趣/r/n

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/r/n學(xué)生對此類按照/r/n教師/r/n要求一步步/r/n進(jìn)展/r/n的實驗不感興趣，認(rèn)為實驗簡單/r/n枯燥/r/n，不需要所有人都參與進(jìn)來。/r/n

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/r/n〔2〕考核方式無法考察學(xué)生的參與程度/r/n

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/r/n目前實驗課主要/r/n根據(jù)/r/n出勤和提交的報告給出成績，規(guī)定時間內(nèi)學(xué)生只要在實驗室，且能在/r/n教師/r/n要求的期限內(nèi)提交實驗報告就/r/n符合/r/n考核要求。如何量化學(xué)生在實驗中的參與和投入程度仍是空白。/r/n

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/r/n〔三〕/r/n創(chuàng)造/r/n性培養(yǎng)問題/r/n

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/r/n在現(xiàn)有實驗教學(xué)過程中，實驗/r/n開始/r/n前，教輔人員已將熱電偶等傳感器的測試位置布置好，授課/r/n教師/r/n會詳細(xì)講解一遍實驗過程，學(xué)生只需按照實驗步驟完成數(shù)據(jù)測量和處理工作。在實驗過程中，無法/r/n表達(dá)/r/n學(xué)生對課程的理解。更有甚者，學(xué)生依葫蘆畫瓢做完之后，也不知道自己實際在做什么實驗，與理論課程哪個章節(jié)有關(guān)系。在實驗過程設(shè)計和實驗效果實現(xiàn)方面，均沒有留空間供學(xué)生自由/r/n考慮/r/n，學(xué)生無法將傳熱學(xué)實驗與課程內(nèi)容的實際應(yīng)用/r/n聯(lián)絡(luò)/r/n起來通過實驗課無法實現(xiàn)學(xué)以致用的目的。/r/n

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/r/n〔四〕考核方式問題/r/n

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/r/n目前的實驗課考核方式，只要學(xué)生參與了實驗且報告質(zhì)量好就可以獲得較好的分?jǐn)?shù)，無法評價學(xué)生的動手/r/n才能/r/n和參與程度?？己耸亲詈玫膭恿?，目前的考核制度更著重于考察結(jié)果，學(xué)生在過程中/r/n終究/r/n能獲得什么無法量化考察；無法量化考察意味著學(xué)生沒有參照物和/r/n標(biāo)準(zhǔn)/r/n，自然會造成沒有動力和參與性不強(qiáng)的問題。/r/n

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/r/n三教學(xué)內(nèi)容和/r/n方法/r/n的創(chuàng)新/r/n

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/r/n上述問題的解決，/r/n單獨/r/n依靠技術(shù)措施和/r/n單獨/r/n依靠管理措施都是不夠的，必須將二者結(jié)合，引入虛擬仿真新技術(shù)和面向創(chuàng)新/r/n才能/r/n培養(yǎng)的新管理/r/n方法/r/n，構(gòu)建一套傳熱學(xué)實驗課創(chuàng)新體系。作者初步構(gòu)建的體系如圖2所示。/r/n

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/r/n創(chuàng)新體系中的關(guān)鍵步驟如下：/r/n

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/r/n〔一〕虛擬實驗平臺的建立與應(yīng)用/r/n

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/r/n建立傳熱學(xué)實驗課虛擬實驗平臺可以在實驗前和實驗后發(fā)揮促進(jìn)學(xué)生/r/n探究/r/n嘗試的作用，供學(xué)生課前熟悉實驗內(nèi)容、初步設(shè)計/r/n方案/r/n和課后完善實驗/r/n方案/r/n。虛擬平臺中提供一定量的實驗設(shè)備和測試傳感器，實驗前學(xué)生可在虛擬實驗平臺上初步設(shè)置實驗工況，通過傳感器測試模擬的方式獲得對應(yīng)的結(jié)果，并大致構(gòu)建屬于自己的實驗/r/n方案/r/n；結(jié)合自己的/r/n方案/r/n完成實際實驗操作后，學(xué)生可根據(jù)實驗結(jié)果修正實驗/r/n方案/r/n，復(fù)現(xiàn)實驗結(jié)果，進(jìn)一步明確自己/r/n方案/r/n的合理性。虛擬實驗平臺可以有效解決臺套數(shù)缺乏造成的學(xué)生參與度不強(qiáng)的問題，給了每個學(xué)生操作空間；還可以在反復(fù)的工況設(shè)置和參數(shù)計算中提升學(xué)生/r/n創(chuàng)造/r/n性，開拓學(xué)生思維。本專業(yè)殷亮/r/n教師/r/n已基于Modelica軟件搭建了初步的熱力學(xué)分析虛擬實驗平臺[8]，希望能在此根底上整合資源，建立傳熱學(xué)分析虛擬實驗平臺。/r/n

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/r/n〔二〕設(shè)置實驗室開放活動和實驗網(wǎng)上預(yù)約系統(tǒng)/r/n

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/r/n實驗課外，通過設(shè)置實驗室開放日的活動主動引導(dǎo)學(xué)生多進(jìn)實驗室，多動手，建立對不同儀器測試/r/n方法/r/n和誤差分析的根本認(rèn)識。開放日實驗室/r/n教師/r/n將全程陪同學(xué)生并向其介紹根底的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測試和誤差分析等/r/n方法/r/n?？紤]實驗逐步開放化，不同同學(xué)所需的儀器設(shè)備均不/r/n一樣/r/n，可以提出網(wǎng)上預(yù)約分批實驗的/r/n方法/r/n，選用相近實驗/r/n方案/r/n的同學(xué)可同時/r/n進(jìn)展/r/n實驗，進(jìn)一步縮減實驗人數(shù)。/r/n

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/r/n〔三〕建立與/r/n理論/r/n接軌的自主創(chuàng)新實驗機(jī)制/r/n

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/r/n聯(lián)絡(luò)/r/n實際和培養(yǎng)解決實際傳熱問題的/r/n才能/r/n是傳熱學(xué)實驗最主要的教學(xué)目的。后續(xù)實驗室設(shè)備提升過程中，可考慮以實際工程為參照物搭建小尺寸平臺，如導(dǎo)熱/r/n局部/r/n的教學(xué)實驗，可以結(jié)合實際/r/n工程/r/n中的墻體絕熱設(shè)計，讓學(xué)生在此類平臺中操作設(shè)計和驗證導(dǎo)熱過程。實驗指導(dǎo)書中不再以某一單一實驗臺為對象細(xì)化解釋實驗步驟，取而代之地是給出不同的/r/n工程/r/n應(yīng)用案例，/r/n根據(jù)/r/n實際案例提出與導(dǎo)熱、對流和輻射相關(guān)的實驗研究對象，/r/n鼓勵/r/n學(xué)生通過自主創(chuàng)新設(shè)計實驗/r/n方案/r/n。根據(jù)學(xué)生設(shè)計的初步/r/n方案/r/n，實驗室提供根底設(shè)備和儀表，/r/n幫助/r/n學(xué)生完成實驗。/r/n

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/r/n〔四〕完善考核指標(biāo)/r/n

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/r/n隨著實驗課傾向于開放式創(chuàng)新訓(xùn)練，考核方式也在/r/n修改/r/n實驗報告的根底上增加新內(nèi)容。學(xué)生在每次實驗/r/n完畢/r/n后需提交基于虛擬仿真平臺的實驗設(shè)計/r/n方案/r/n，/r/n方案/r/n結(jié)合報告形成/r/n完好/r/n的從設(shè)計到/r/n施行/r/n到數(shù)據(jù)處理的實驗流程，/r/n教師/r/n直接針對每個人完成流程的質(zhì)量/r/n進(jìn)展/r/n打分。除了/r/n聯(lián)絡(luò)/r/n傳熱學(xué)理論，實驗課中對學(xué)生后續(xù)其他課程的學(xué)習(xí)和科學(xué)研究最有作用的是數(shù)據(jù)測量與處理。實驗完成后，/r/n教師/r/n還可針對課上應(yīng)用的傳感器，著重考察學(xué)生對傳感器操作和讀數(shù)的掌握，使得傳熱學(xué)實驗課留給學(xué)生的不僅是理論知識，還有可以持續(xù)使用的/r/n理論/r/n經(jīng)歷/r/n。/r/n

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/r/n四結(jié)論/r/n

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/r/n本文以南京工業(yè)大學(xué)環(huán)能專業(yè)傳熱學(xué)實驗課程為研究對象，/r/n討論/r/n了新工科背景下傳熱學(xué)實驗課的定位，總結(jié)了傳統(tǒng)實驗課教學(xué)/r/n方法/r/n的問題，提出了一系列教學(xué)/r/n改良/r/n建議/r/n，為新時期環(huán)能專業(yè)傳熱學(xué)課程的開展提供了參考。/r/n詳細(xì)/r/n結(jié)論如下：/r/n

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/r/n〔1〕虛擬仿真實驗平臺在實驗前和實驗后均能發(fā)揮促進(jìn)學(xué)生/r/n探究/r/n嘗試的作用，基于虛擬仿真實驗平臺這一載體，學(xué)生可以更容易地設(shè)計和修正屬于自己的實驗/r/n方案/r/n；/r/n

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/r/n〔2〕針對學(xué)生不熟悉設(shè)備和參與度不夠的問題，擬采取設(shè)置實驗室開放日和應(yīng)用網(wǎng)上預(yù)約系統(tǒng)進(jìn)一步縮減課堂人數(shù)的措施；/r/n

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/r/n〔3〕創(chuàng)新/r/n才能/r/n培養(yǎng)方面，將結(jié)合實際工程提出/r/n詳細(xì)/r/n實驗/r/n目的/r/n，給學(xué)生預(yù)留/r/n充分/r/n的自由空間設(shè)計/r/n方案/r/n，并提供/r/n方案/r/n所需的根底設(shè)施和儀表；/r/n

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/r/n〔4〕考核方式方面，通過結(jié)合實驗/r/n方案/r/n和實驗報告評估學(xué)生在實驗整體流程中的表現(xiàn)，并著重考察學(xué)生使用傳感器和處理數(shù)據(jù)的/r/n才能/r/n。/r/n

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/r/n參考文獻(xiàn)/r/n

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