“工程热力学”综合设计性实验教学改革探索

[摘 要] 新工科建设背景下，面向对学生工程思维、实践能力和创新意识培养的新需求，现有“工程热力学”课程实验教学环节存在学生中心地位不够突出、教学模式相对单一、实验手段比较落后、知识强化与能力培养效果不够显著等问题。针对这些问题，以气体定压比热测定实验为例，探讨传统演示和验证性实验向综合设计性实验转变的教学改革方法，总结实验任务导入、知识学习与能力储备、总体方案制定与实施、评价与改进四步走的综合设计性实验教学实施方法。从课程体系角度出发，对如何有效支撑综合设计性实验教学改革进行探讨。

[关键词] 工程热力学;综合设计实验;实验教学;新工科

[基金项目] 2021年度湖南省教育厅教学改革项目“以应用效果为导向的‘推进系统试验方法’课程自主学习-互助教学模式研究”（yjsy2021023）;2019年度国防科技大学教学改革项目“面向××××先进动力课程体系建设教学”（yjsy2019xxx）：2021度湖南省教育厅研究生教改课题“以应用效果为导向的‘推进系统试验方法’课程自主学习-互助教学模式研究”（2021JGYB009）

[作者简介] 车碧轩（1990—），男，四川西昌人，博士，国防科技大学空天科学学院讲师，主要从事空间先进推进技术、磁流体力学、多物理场耦合仿真研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）36-0064-06 [收稿日期] 2021-09-14

引言

近年来，为了满足国家战略发展新调整和国际竞争新挑战对创新型工程技术人才提出的巨大需求，支撑由“中国制造”向“中国智造”和“中国创造”的全面产业升级，在教育部高等教育司的推动下，国内各大高校掀起了新工科教学改革探索热潮[1]。新工科建设以立德树人为引领，通过优化教学内容、创新教学模式，切实提高学生的工程实践能力和整合创新能力，最终实现培养多元化、创新型卓越工程人才[2]。

“工程热力学”是一门从工程技术观点出发，研究工质的热力学性质、热能与机械能转化的规律和方法，以及有效利用热能途径的专业基础课程，是能源动力、医疗化工、航空航天、机械工程等诸多学科领域培养合格工程师的必备课程，在我国工科类专业中得到了广泛开设。“工程热力学”的开课时间一般在“大学物理”“高等数学”等公共基础课程之后，各学科专业课程之前，是公共基础课程和专业课程之间的纽带和桥梁。从教学内容上来看，工程热力学既包含较为抽象的概念定义、基本定律，也包含对生产生活中各种工程实际问题的分析与讨论，具有很强的理论联系实际的特点，对于学生工程思维、实践能力、创新意识的培养至关重要[3，4]。

实验教学作为理论联系实际的主要环节，对帮助学生巩固课堂理论知识、掌握科学实验方法、锻炼知识整合与运用能力、培养严谨务实的工作作风具有重要作用。然而，受高校实验室保障条件相对滞后、实验教学重视程度不足、实验教学改革难度较大等因素的制约，实验教学改革相较于课堂教学相对滞后，目前大部分高校仍主要采用传统的演示性和验证性实验教学模式，学生的积极性和参与感不足，教学效果难以达到预期[5，6]。

通过将传统的演示、验证性实验转变为综合设计性实验，让学生参与实验设计、实施和改进的全过程，突出强化学生中心主体地位，可有效增强实验教学效果。本文针对“工程热力学”课程实验教学环节，对实验教学现状进行分析，以气体定压比热测定实验为例，探索传统演示验证性实验向综合设计性实验的转变方法，最后浅谈对于开展综合设计性实验教学改革关键的理解和认识。

一、实验教学现状分析

我校“工程热力学”课程目前主要面向飞行器动力工程专业开设，含理论课30学时和实验课2学时。其中，理论课共分七章，分别讲授绪论、基本概念和定义、热力学第一定律、热力学第二定律、工质的热力性质、流动过程热力分析和化学反应热力学等内容，实验课则开展了可视性饱和蒸汽压力和温度关系实验和气体定压比热测定实验两个分组实验[7]。

以气体定压比热测定实验为例，其实验系统如图1所示，由风机、流量计、比热仪主体、电功率调节及测量系统等组成。学生需要分别测定空气在流量计出口的干、湿球温度以获得空气的相对湿度，再测量空气经比热仪前后的温度、电热器的输入功率、流量和流量计出口的压力，最后结合对应的物性参数数据，计算被测气体的定压比热[8]（P36）。该实验涉及温度、压力、热量（电功）、流量等物理量的测量，计算中还需要用到比热及混合气体方面的知识，总体方案涉及稳态开口系统能量方程和流动过程热力分析等课程内容的具体运用，如果组织得当，将有助于强化学生对相关理论知识的认识，具有较强的综合锻炼效果。尽管如此，在面对新工科建设对人才综合创新能力培养所提出的诸多新的要求时，现有实验教学模式还存在以下不足。

（一）学生中心主体地位不够突出，部分学生参与度较低

尽管已经经过多轮教学方法改良和实验条件建设，并引入基于全面质量管理体系PDCA循环[9]的实验教学实施办法，但实验教学目前仍按照教师讲授—学生操作的传统被动教学模式进行（见图2），学生中心主体地位不够突出。以本实验为例，在整个实验教学过程中，学生更多的是实验流程的操作者，按照实验指导书划定的步骤开启设备，待温度、压力等参数稳定10分钟以上后，进行一次数据读取;然后调整电功率，再等待下一组稳定状态参数的出现……在整个实验过程中，温度、压力的测量方法已经固定，参数是否达到稳定也给出了具体的判定标准，实验可能出现的现象也都有具体描述，对于选择哪一种实验测量手段，采用什么样的实验整体方案，如何选择具体参数等问题，自主选择和研究创新的空间十分有限，很难调动学生的积极性。此外，受设备台套数限制，实际教学过程中一般采用分组实验的形式进行组织，部分学习主动性较差的学生干脆直接“搭便车”，甚至抄袭实验报告，实验教学的参与度几乎为零。

（二）实验教学内容缺乏高阶性，知识强化与能力培养作用有限

气体定压比热测定实验在测量仪器的选择、比热仪的保温设计、压力表的布置等方面的考虑本身就蕴含了丰富的热力学知识。完全理解实验设备的运行，需要系统掌握状态参数及其特性、稳态开口系统能量方程、流动滞止过程和传热学的相关基础知识。尽管各项实验都能涉及多个理论知识模块，但学生在具体实验过程往往只会关注实验中的主体任务，对于相关的基础性知识则直接略过。对于掌握较好的学生，只要严格遵循实验指导书按部就班便能顺利完成实验，实验步骤相对固定、缺乏挑战性;对于掌握较差的学生，又容易出现仪器设备操作失误、读表错误、实验条件控制不佳等问题，难以获得预期的实验现象。学生在开展实验前的知识能力储备不足，实验本身的难度又相对较低，实验所能达到的训练效果就变得十分有限。同时，由于实验流程对于学生深入思考的调动不足，实验对于理论知识的强化作用并不明显，甚至有学生反映，由于不理解时间过程的操作细节，实验之后对于相关的理论知识反而更加困惑。

（三）实验教学模式较为单一，师生之间和学生内部交流互动不足

目前实验教学仍然按照课前预习、教师讲授、分组实施、报告撰写的传统教学模式进行，实验步骤相对固定，学生之间相互讨论和向教师提问的内在动力不足。此外，受高等院校课时压缩的外部趋势影响，学生需要在短短两个学时内完成可视性饱和蒸汽压力和温度关系实验与气体定压比热测定实验两个实验，实验时间较为紧张。为按时下课，学生往往不假思考地照着实验流程匆忙完成实验，当出现不合理现象时也倾向于通过更换实验设备、找同学代做、索要同学数据等方式解决问题，很少有时间进行深入细致的讨论。同时，按照本门课程的教学进度安排，实验课往往在理论知识学习完成后的最后几堂课进行，实验结束后课程教学也随即结束，生生、师生间围绕实验结果再做进一步沟通交流的机会都十分有限。

（四）实验方法和技术相对落后，与学科发展前沿联系不紧密

近年来能源动力和实验测量技术领域技术取得快速发展。课堂教学环节可以通过引入各类教学案例和补充相关教学内容及时跟进，而在实验教学环节，受实验硬件开发周期限制，一直未能做到与时俱进。以本实验为例，采用腰轮流量计测量空气流量，采用干湿球温度计获得空气相对湿度[8]（P29），这些方法不仅技术落后、精度较差，操作还较为不便，学生在实际实验时容易出现失误。行业内部早已使用更加方便智能的流量计和湿度计产品[10]，如果不能与行业热点技术和未来发展趋势结合，那么在培养学生与时俱进的工程应用能力时实验教学将显得力不从心。

二、综合设计性实验教学改革方案设计

现有的实验教学模式没有跳出验证性实验范畴，实验设备和实验方案已经固定，部分实验甚至连参数范围也已经确定，学生需要做的仅仅是按照实验说明复现教材中的现象和规律。前文分析已经指出，以气体定压比热测定实验为代表的现有各类实验项目本身已具有较强的综合性，通过将现有验证性实验改造转变为综合设计性实验，能够以较低成本有效提升实验教学效果。

开展综合设计性实验教学可以采用基于问题驱动教学法（PBL）的教学模式[11]，按照如图3所示的四个阶段的顺序推进，即实验任务导入、知识学习与技能储备、总体方案制定与实施、评价与改进，下面以气体定压比热测定实验为例，浅谈各个阶段的具体实施方法和注意事项。

（一）第一阶段，实验任务导入

在课程进度前期的适当节点，比如第二章《基本概念和定义》完成之后开始实验项目的导入工作，向学生详细阐述实验任务，并将试验任务拆分为多个具体的子问题，引导学生确定完成任务所需要的知识点，它们分别分属哪几个章节。以本实验为例，为实现对气体定压比热的测定，需要完成温度、压力等状态参数的测量，以及加热量（或电功率）等过程量的测量，还要考虑环境散热、水蒸气杂质等各种因素带来的干扰。所涉及的知识点主要包括状态参数的定义与测量、能量平衡、开口系统能量方程、混合气体等教学内容，分散在课程的第二、第三和第五章。在这一阶段，强调相关知识点的结构性，注意知识网络的梳理，让学生明白解决某一子问题所需要的知识点在整个知识网络中的位置，做到心中有全局。

（二）第二阶段，知识学习与技能储备

完成实验任务的问题拆分与关联知识点的确定工作后，学生带着问题投入课程理论知识学习，学习过程伴随课程进度推进。当解决某个子问题所需的相关知识点讲授完成后，便可通过课堂讨论或课后作业的形式，让学生思考该子问题的解决方法，再通过教员评审或分组讨论等形式，对学生所提出的方法进行评价和改进。在这一阶段，需要注意知识的基础性，帮助学生理解各种实验手段的原理，掌握基本的实验技能，是整个综合设计性实验教学活动的基础。以本实验中涉及的压力、温度等状态参数的测量为例，应重点引导学生了解各类传感器的原理和特点，学会根据具体问题选择不同的传感器型号。

（三）第三阶段，总体方案制定与实施

在完成理论知识学习和基本技能储备之后，便可以开展实验总体方案的制定与实施工作。这一过程注意突出对学生训练的综合性，引导学生梳理各个子问题之间的联系，整合前期学习的碎片化知识与技能，以小组为单位形成可行的实验实施方案。考虑到实验室自身的条件限制，教师可以先给出部分仪器设备的备选清单，让学生在此基础上进行方案设计。随后，由教师对学生提出的方案进行指导和遴选，确定2～3个具体可行的方案。根据实验方案，结合实验室已有条件开展前期准备工作，指导学生采购所缺设备器材、搭建实验系统。最后，学生按照自行设计的实验流程和实验参数完成实验，形成实验设计报告和结果报告。

（四）第四阶段，评价与改进

学生对各自的实验方案和实验结果进行分组汇报，通过学生互评和师生互评等方式对实验方案和教学环节进行评价，讨论改进措施。这一过程注意鼓励学生的创新性和批判性。对不同小组的实验方案和实验结果进行横向对比，总结效果好的经验，分析效果差的原因，讨论误差的来源和可能的改进方向。对于具有突出创新性和取得较好实验效果的实验方案，引导学生进行深入挖掘，结合目前行业新技术的发展与应用，帮助实验教学本身持续改进。