建筑环境与能源应用工程专业传热学实验教学的实践与思考

建筑环境与能源应用工程专业传热学实验教学的/r/n理论/r/n与/r/n考虑/r/n/r/n〔〕:/r/n

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/r/n摘要：传热学是建筑环境与能源应用/r/n工程/r/n专业的基石课程之一，实验教学是传热学授课的重要组成/r/n局部/r/n。随着新工科/r/n建立/r/n的推进，传热学实验教学也面临着创新人才培养的责任和任务。本文在调研南京工业大学环能专业传热学实验课教学现状的根底上，针对学生参与度、/r/n创造/r/n性培养和考核方式/r/n进展/r/n了/r/n讨论/r/n，提出了一系列提升教学效果的措施，并明确了虚拟仿真实验台的载体和催化剂作用。研究结论为环能专业传热学教学质量的提升和学生创新/r/n才能/r/n的培育提供了参考。/r/n

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/r/n关键词：传热学；实验课；教学现状；技术改革；制度改革/r/n

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/r/n本文引用格式：王瑜,等.建筑环境与能源应用/r/n工程/r/n专业传热学实验教学的/r/n理论/r/n与/r/n考虑/r/n[J].教育现代化,/r/n2022/r/n,6(42):49-52./r/n

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/r/n近年来，在/r/n施行/r/n创新驱动开展、新经济开展战略背景下，中国/r/n工程/r/n教育/r/n开始/r/n在新工科改革中前进，从"复旦共识";"天大行动";到"北京指南";，唱响了新工科/r/n建立/r/n"三部曲";【1】。/r/n

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/r/n作为地方高校的南京工业大学，是江苏高/r/n程度/r/n大学/r/n建立/r/n"全国百强省属高校";、江苏省重点/r/n建立/r/n高校、江苏省综合改革试点高校、江苏省人才强校试点高校。在新工科/r/n建立/r/n中，南京工业大学立足区域经济开展，固本强源，协同创新，奋力建成国内一流国际/r/n知名/r/n创业型大学。/r/n理论/r/n创新/r/n才能/r/n的培养，是学校实现上述/r/n目的/r/n的关键。土木/r/n工程/r/n大类专业是南京工业大学特色专业之一，其中建筑环境与能源应用/r/n工程/r/n专业〔简称环能专业〕更是江苏省最早设置的该专业。在新工科/r/n建立/r/n背景下，传统土木/r/n工程/r/n专业/r/n建立/r/n开展更需要以创新/r/n才能/r/n为核心【2】。程建杰等人【3】指出，在环能专业中如何调整教学内容，使得培养的学生真正具有设计和调试系统的/r/n才能/r/n是极其迫切的。/r/n

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/r/n传热学是研究热量传递规律的科学，环能专业中遇到的大/r/n局部/r/n技术问题都和热量传递问题有关。/r/n2022/r/n年出版的?高等学校建筑环境与能源应用/r/n工程/r/n本科指导性专业标准/r/n?/r/n中明确提出，传热学属于专业根底核心知识【4】，在课程体系和学生的认知体系中均占据重要地位。。因此，传热学课程教学过程中，必须/r/n严密/r/n结合新工科特征，与时俱进，积极吸收新的教学理念，/r/n探究/r/n新的教学/r/n方法/r/n，从而促进本专业人才培养体系的转型与/r/n进步/r/n【5】。/r/n

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/r/n实验课程作为传热学教学的重要组成/r/n局部/r/n，同样需要/r/n根据/r/n新工科提倡的创新人才培养理念，更好地/r/n承当/r/n起通过/r/n理论/r/n教学，使学生/r/n纯熟/r/n地运用相关知识解决/r/n理论/r/n问题的责任。本文中作者结合/r/n承当/r/n的传热学实验课授课情况，/r/n讨论/r/n了传热学实验课/r/n进步/r/n学生综合/r/n理论/r/n才能/r/n、自主创新/r/n才能/r/n的/r/n方法/r/n。/r/n

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/r/n一实验课在传热学课程教学中的地位/r/n

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/r/n传热学理论课程内容上具有根本概念性强且抽象、根本规律和公式多、根本应用广泛的特点【6】。传热学实验课是连接传热学理论和实际应用的桥梁和纽带，是课堂抽象理论的实际表述与验证，/r/n承当/r/n着促进学生理解课堂/r/n描绘/r/n的热量传递规律和推动学生/r/n进展/r/n传热相关理论应用/r/n探究/r/n的责任和义务。除了对课堂理论教学提供辅助之外，传热学实验教学有助于培养学生的/r/n探究/r/n精神和创新意识，这正是创新型时代/r/n工程/r/n科技人员所必需的素质，是推动传热学领域跨学科开展的必备条件【7】。/r/n

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/r/n二传热学实验课教学现状-以南京工业大学为例/r/n

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/r/n南京工业大学环能专业对传热学课程实行小班化教学，每个班理论学时为64学时，实验学时为6学时。针对传热学中导热、对流和辐射三大/r/n局部/r/n，目前的教学大纲规定需对应完成三项实验，分别为稳态球体法测粒装材料的导热系数实验、空气横掠单管时平均换热系数测定实验和中温辐射黑度测定实验。此类实验均为原理性验证实验，希望通过实验过程的操作与获得数据的处理过程/r/n帮助/r/n学生更好理解课堂上教授的传热学根本原理。在最终的考核过程中，单个实验占/r/n总分值/r/n的8%，实验课共占24%；以实验课出勤状况和最终的实验报告分数组合给出实验课成绩。作者于/r/n2022/r/n和/r/n2022/r/n年在/r/n承当/r/n传热学课程教学的根底上同时指导学生的实验课，实验课流程为传统线性流程，如图1所示。/r/n

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/r/n通过课堂/r/n观察/r/n和/r/n修改/r/n实验报告，发现虽然实验步骤简单，但在技术和非技术层面仍然存在一些问题，/r/n详细/r/n如下。/r/n

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/r/n〔一〕结果误差问题/r/n

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/r/n手动测量是实验中的重要环节，也是三个实验/r/n涉及/r/n数据的根本获取形式。在整个手动测量过程中，每组数据都需经过调试、读数、二次计算等过程，其中存在的操作精度和读数/r/n偏向/r/n会直接影响结果误差。随着误差的增大，最终拟合获得的实验曲线不满足传热学根本规律，会直接降低学生对课堂教学内容的/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.学生对仪器不熟悉/r/n

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/r/n除了三次2学时的实验外，学生无法接触到传热学教学实验设备，实验课上往往是学生第一次操作仪器。第一次操作仪器难免会出现不少错误，包括工况调节不到位、多个传感器之间读数/r/n混淆/r/n、未等到系统稳定就读数等问题。三个实验中均存在加热等待稳定后测量的步骤，由于加热过程时间较长，尤其是到最后阶段，数据变化的时间间隔越来越长。学生在/r/n观察/r/n数据一段时间不变后便认为系统已到达稳态，/r/n开始/r/n读数，然而此时热电偶测量的温度数据仍然在升高，读数过程中前后获得的数据甚至不在一个工况范围内。/r/n

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/r/n2.仪表校准和设备重置工作不到位/r/n

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/r/n由于课程/r/n安排/r/n问题，有时会存在两个班连续/r/n进展/r/n实验的情况。此时，前一个班做完实验后只是简单关闭电源，并未重新校准仪表后再让后一个班使用。另外，其他一些设备也并未恢复到位。如中温辐射黑度测定实验中，需在测量光滑外表的辐射换热量之后将其涂黑，考察近似黑体的辐射换热量。前一个班完成实验后外表恢/r/n复原/r/n状不到位，将直接影响后一个班测量的光滑外表黑度数值。/r/n

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/r/n3.人员扰动影响实验工况/r/n

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/r/n稳态球体法测量导热系数实验中，最终热量是由球体内介质传递至球体外，完成导热过程。此时假设实验台周围的小组成员频繁走动，会加速空气与球体的对流换热过程，从而影响导热系数的测量过程。在辐射实验中需测量环境背景温度，小组成员假设/r/n聚集/r/n在实验台周围靠近热电偶的区域，那么背景温度测量结果不可防止会偏高，影响到辐射黑度的测量结果。同样，对流换热实验过程中，需根据测得的环境温度计算过余温度，人员的走动和/r/n聚集/r/n也会对过余温度的计算数值产生影响。这/r/n说明/r/n在实验课教学中，学生对数据精度的意识还不够。/r/n

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/r/n4.传统手算数据处理方式的局限/r/n

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/r/n稳态球体法测量导热系数实验完成后，需要拟合曲线获得导热系数/r/nlambda;和内外壁平均温度tm之间的关系曲线；空气横掠单管换热系数测定实验完成后，需要拟合努塞尔数Nu和雷诺数Re之间的无量纲关联式曲线。实验手册/r/n建议/r/n的传统/r/n方法/r/n为在方格纸上描点，根据点的分布趋势手绘曲线。由于描点误差和点的取舍问题，手绘的曲线可能无法正确反映导热系数或对流换热系数的变化。如能改用计算机软件如Excel、Origin或Matlab完成数据点绘图和关联式拟合，拟合出的关联式整体精度将大大/r/n进步/r/n。/r/n

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/r/n〔二〕学生参与度问题/r/n

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/r/n由于实验设备台套数和场地的限制，不能保证每人/r/n单独/r/n操作一个实验台，一般是以5人成组的形式合作完成一次实验。然而在实际实验过程中，经常存在5人中只有1-2人在调试和记录数据，/r/n剩余/r/n的同学并未参与到实验过程中，只是在最后记录下了小组同学的实验数据回去完成报告。造成此种现象的原因主要为：/r/n

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/r/n〔1〕实验过程无法引发学生的兴趣/r/n

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/r/n学生对此类按照/r/n教师/r/n要求一步步/r/n进展/r/n的实验不感兴趣，认为实验简单/r/n枯燥/r/n，不需要所有人都参与进来。/r/n

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/r/n〔2〕考核方式无法考察学生的参与程度/r/n

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/r/n目前实验课主要/r/n根据/r/n出勤和提交的报告给出成绩，规定时间内学生只要在实验室，且能在/r/n教师/r/n要求的期限内提交实验报告就/r/n符合/r/n考核要求。如何量化学生在实验中的参与和投入程度仍是空白。/r/n

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/r/n〔三〕/r/n创造/r/n性培养问题/r/n

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/r/n在现有实验教学过程中，实验/r/n开始/r/n前，教辅人员已将热电偶等传感器的测试位置布置好，授课/r/n教师/r/n会详细讲解一遍实验过程，学生只需按照实验步骤完成数据测量和处理工作。在实验过程中，无法/r/n表达/r/n学生对课程的理解。更有甚者，学生依葫芦画瓢做完之后，也不知道自己实际在做什么实验，与理论课程哪个章节有关系。在实验过程设计和实验效果实现方面，均没有留空间供学生自由/r/n考虑/r/n，学生无法将传热学实验与课程内容的实际应用/r/n联络/r/n起来通过实验课无法实现学以致用的目的。/r/n

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/r/n〔四〕考核方式问题/r/n

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/r/n目前的实验课考核方式，只要学生参与了实验且报告质量好就可以获得较好的分数，无法评价学生的动手/r/n才能/r/n和参与程度。考核是最好的动力，目前的考核制度更着重于考察结果，学生在过程中/r/n终究/r/n能获得什么无法量化考察；无法量化考察意味着学生没有参照物和/r/n标准/r/n，自然会造成没有动力和参与性不强的问题。/r/n

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/r/n三教学内容和/r/n方法/r/n的创新/r/n

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/r/n上述问题的解决，/r/n单独/r/n依靠技术措施和/r/n单独/r/n依靠管理措施都是不够的，必须将二者结合，引入虚拟仿真新技术和面向创新/r/n才能/r/n培养的新管理/r/n方法/r/n，构建一套传热学实验课创新体系。作者初步构建的体系如图2所示。/r/n

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/r/n创新体系中的关键步骤如下：/r/n

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/r/n〔一〕虚拟实验平台的建立与应用/r/n

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/r/n建立传热学实验课虚拟实验平台可以在实验前和实验后发挥促进学生/r/n探究/r/n尝试的作用，供学生课前熟悉实验内容、初步设计/r/n方案/r/n和课后完善实验/r/n方案/r/n。虚拟平台中提供一定量的实验设备和测试传感器，实验前学生可在虚拟实验平台上初步设置实验工况，通过传感器测试模拟的方式获得对应的结果，并大致构建属于自己的实验/r/n方案/r/n；结合自己的/r/n方案/r/n完成实际实验操作后，学生可根据实验结果修正实验/r/n方案/r/n，复现实验结果，进一步明确自己/r/n方案/r/n的合理性。虚拟实验平台可以有效解决台套数缺乏造成的学生参与度不强的问题，给了每个学生操作空间；还可以在反复的工况设置和参数计算中提升学生/r/n创造/r/n性，开拓学生思维。本专业殷亮/r/n教师/r/n已基于Modelica软件搭建了初步的热力学分析虚拟实验平台[8]，希望能在此根底上整合资源，建立传热学分析虚拟实验平台。/r/n

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/r/n〔二〕设置实验室开放活动和实验网上预约系统/r/n

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/r/n实验课外，通过设置实验室开放日的活动主动引导学生多进实验室，多动手，建立对不同仪器测试/r/n方法/r/n和误差分析的根本认识。开放日实验室/r/n教师/r/n将全程陪同学生并向其介绍根底的数据采集、数据测试和误差分析等/r/n方法/r/n。考虑实验逐步开放化，不同同学所需的仪器设备均不/r/n一样/r/n，可以提出网上预约分批实验的/r/n方法/r/n，选用相近实验/r/n方案/r/n的同学可同时/r/n进展/r/n实验，进一步缩减实验人数。/r/n

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/r/n〔三〕建立与/r/n理论/r/n接轨的自主创新实验机制/r/n

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/r/n联络/r/n实际和培养解决实际传热问题的/r/n才能/r/n是传热学实验最主要的教学目的。后续实验室设备提升过程中，可考虑以实际工程为参照物搭建小尺寸平台，如导热/r/n局部/r/n的教学实验，可以结合实际/r/n工程/r/n中的墙体绝热设计，让学生在此类平台中操作设计和验证导热过程。实验指导书中不再以某一单一实验台为对象细化解释实验步骤，取而代之地是给出不同的/r/n工程/r/n应用案例，/r/n根据/r/n实际案例提出与导热、对流和辐射相关的实验研究对象，/r/n鼓励/r/n学生通过自主创新设计实验/r/n方案/r/n。根据学生设计的初步/r/n方案/r/n，实验室提供根底设备和仪表，/r/n帮助/r/n学生完成实验。/r/n

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/r/n〔四〕完善考核指标/r/n

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/r/n随着实验课倾向于开放式创新训练，考核方式也在/r/n修改/r/n实验报告的根底上增加新内容。学生在每次实验/r/n完毕/r/n后需提交基于虚拟仿真平台的实验设计/r/n方案/r/n，/r/n方案/r/n结合报告形成/r/n完好/r/n的从设计到/r/n施行/r/n到数据处理的实验流程，/r/n教师/r/n直接针对每个人完成流程的质量/r/n进展/r/n打分。除了/r/n联络/r/n传热学理论，实验课中对学生后续其他课程的学习和科学研究最有作用的是数据测量与处理。实验完成后，/r/n教师/r/n还可针对课上应用的传感器，着重考察学生对传感器操作和读数的掌握，使得传热学实验课留给学生的不仅是理论知识，还有可以持续使用的/r/n理论/r/n经历/r/n。/r/n

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/r/n四结论/r/n

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/r/n本文以南京工业大学环能专业传热学实验课程为研究对象，/r/n讨论/r/n了新工科背景下传热学实验课的定位，总结了传统实验课教学/r/n方法/r/n的问题，提出了一系列教学/r/n改良/r/n建议/r/n，为新时期环能专业传热学课程的开展提供了参考。/r/n详细/r/n结论如下：/r/n

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/r/n〔1〕虚拟仿真实验平台在实验前和实验后均能发挥促进学生/r/n探究/r/n尝试的作用，基于虚拟仿真实验平台这一载体，学生可以更容易地设计和修正属于自己的实验/r/n方案/r/n；/r/n

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/r/n〔2〕针对学生不熟悉设备和参与度不够的问题，拟采取设置实验室开放日和应用网上预约系统进一步缩减课堂人数的措施；/r/n

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/r/n〔3〕创新/r/n才能/r/n培养方面，将结合实际工程提出/r/n详细/r/n实验/r/n目的/r/n，给学生预留/r/n充分/r/n的自由空间设计/r/n方案/r/n，并提供/r/n方案/r/n所需的根底设施和仪表；/r/n

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/r/n〔4〕考核方式方面，通过结合实验/r/n方案/r/n和实验报告评估学生在实验整体流程中的表现，并着重考察学生使用传感器和处理数据的/r/n才能/r/n。/r/n

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/r/n参考文献/r/n

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