基于创新人才培养的热工实验教学模式研究

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010 －2020)年》提出，牢固确立人才培养在高校工作中的中心地位，着力培养信念执著、品德优良、知识丰富、本领过硬的高素质专门人才和拔尖创新人才。加大教学投入、深化教学改革、强化实践教学环节，培养具有创新意识、富有创新能力的各类创新型、应用型、复合型优秀人才，成为高校推进一流建设的关键任务。而实验教学作为高校工程实践教育的重要组成部分在创新人才培养中的重要性日益凸现。
热工实验是工程热力学、传热学理论课的实践环节，工程热力学与传热学，是能源动力类领域重要的专业基础课，课程内容知识点多、联系紧密、概念抽象、理论性强。热工实验教学可以通过基本理论在实际热力过程、能量传递过程中的应用，明确理论的应用对象，将抽象的理论通过实际过程表现出来，有助于学生理解工程热力学、传热学基本理论。
以注重学思结合、知行统一、因材施教为理论指导;遵循实践教学规律，在学校突出实验教学的地位，将实验教学中的辅助、服务性角色提升为创新教育中的主体、主导性角色之一，根据国家级教学示范中心内涵建设的要求，进行了热工实验课程建设研究与探索。
建立了强化预习环节，注重实验过程，突出学生主体，注重自主实验，实验结果现场考评、鼓励创新的实践教学模式，培养学生利用热工基础理论解决能源动力领域中实际问题的能力和创新能力，培养高素质创新型人才，满足能源动力行业的需求。
1 更新实验内容，建立多层次实验教学体系
目前的热工实验课程，基本上是附属于工程热力学、传热学理论课程，因而造成了实验时间少、实验内容单一。而且，这些实验项目多数为验证性实验，学生在实验课上只是按照老师的讲解或是教材的安排进行操作，以完成实验为目的，属于被动地进行实验。调动不了学生的主动性与积极性，而且创新意识与创新精神无法得到充分的发挥。所以，这种形式的实验课程体系已不能满足社会发展的需要和学校教学的要求。
针对目前的实际情况，结合调研清华大学、浙江大学、上海理工大学、哈尔滨工业大学等知名院校能源动力类国家级实验教学示范中心及热工实验课程建设现状，进行了热工实验教学改革，实现了热工实验课程独立设课，梳理了实验项目，更新了实验内容，建立了多层次实验教学体系。
对热工实验应开设的实验项目进行梳理，将实验项目分为基础性实验和综合性设计性实验，必修实验和选修实验，课内实验和课外实验，从而形成基础与综合相结合、必做与选做相结合、课内与课外相结合的多层次热工实验教学体系。
基础性实验，是学生理解与掌握能量转换与传递的理论知识的基础，通过基础性实验，才能够保证热工理论知识得到吸收和巩固。由于课时的限制，在设计实验课程体系的时候，在满足基本理论学习要求的前提下，适当地缩减基础性实验，节省更多课时。
综合性实验是学生对某一热工问题利用所学的多门知识、通过实验进行研究并解决问题，综合训练学生实验技能和实验方法。
设计性实验是学生根据给定的研究对象，结合该对象所涉及的理论知识，自主拟定实验题目，设计实验方案，利用实验室现有设备完成相应的实验，充分发挥学生的主动性，培养学生创新思维。
必做实验一般是指基础性实验，选做实验一般是指综合性实验，学生可在提供的综合性实验项目中选取自己感兴趣的实验项目。
例如:工程热力学实验开发出8 个实验项目，其中空气定压比热容测量、饱和蒸汽压力和温度关系测定等2 个实验为必做基础性实验。喷管中空气流动特性、空气定压比热随温度变化规律实验研究，二氧化碳临界状态测定，闭式循环热空气发动机实验，蒸汽动力循环实验，内燃机综合实验等6 个实验为选做的综合性实验，课内选做2 个。
课外实验一般都是设计性实验，学生利用课外时间就能源动力领域某一问题设计一套装置或利用实验设备组装一套实验装置，并能进行相应实验。也可结合全国节能减排大赛，学生自由组合设计节能减排作品。对参加课外实验的的学生给予适当奖励或加分鼓励学生参加课外实践，开拓视野，培养学生创新意识。
2 引进国外先进实验平台，更新陈旧实验设备
现有热工实验设备功能单一，设备质量差，有的设备测试结果甚至违反能量转换规律，难以满足新形势下的人才培养需求。
以国家级教学示范中心内涵建设为契机，申请100 多万元资金，从英国和美国分别引进了先进的热交换实验平台、传热基础实验平台，内燃机动力实验系统、蒸汽轮机发电系统等综合实验教学设备，解决了热工实验综合性设计性实验不足的主要问题。
(1) 热量交换基础实验平台。该实验平台主要由通用换热器实验平台、10 种换热器选件及数据采集系统组成。多种形式的换热器选件可共用一个实验平台。测量仪表能检测多达12 个温度测点和冷热流体流量，测量仪器准确度大大提高，进行所有相关的传热计算，获得正确的换热规律，同时学生根据实验要求自主组装仪器设备，进行热量交换规律的试验研究。
(2) 传热基础实验平台。包括通用传热实验台，15 种实验模块，数据采集系统等。通过自主组合进行传导、对流、辐射换热规律实验验证，掌握基本的热交换规律，进一步研究稳态和非稳态传热规律，自然对流和强迫对流换热规律以及平板、针板、翅板等不同传热面的换热规律等，培养学生综合运用基本传热原理解决实际问题的能力。
(3) 内燃机动力实验系统。内燃机实验台带有各种测量仪表和控制系统，可研究内燃机的工作原理、性能参数随工况变化的规律等。通过测量空气和燃料的流量，空气的温度和压力，输出轴的扭矩和转速，排气温度，输出功率等参数，研究不同燃料喷射量的情况下，内燃机的扭矩和转速、功率和转速、热效率等性能参数的变化规律，加深学生对内燃机循环的理解。
(4) 蒸汽轮机动力发电试验系统。蒸汽轮机动力发电系统是一套完整的微型实验系统，用以进行蒸汽发电厂系统工程教学与培训，复制了一套发电厂的所有主要部件，帮助学生进行学习。尽管系统是按比例缩小的，但仪器设备测量精度高，学生通过试验，完全能体验全尺寸真实系统运行过程，掌握朗肯循环的热力学基本原理。
该套设备可进行热力学第一定律及能量转换关系研究;热力学第二定律及热力循环分析研究;控制量大小分析研究;熵分析研究;等熵分析及透平/喷嘴效率研究;传热分析及锅炉效率研究等实验，使学生掌握蒸汽动力系统燃烧过程，蒸汽能源系统基本原理，发电基本原理，培养学生运用所学知识，借助复杂试验平台进行热工转换实验研究的能力。
以上实验设备可以开发出新的实验项目，如套管式、板式热交换器换热性能实验、热平衡实验、辐射强度实验、反射强度实验、斯特林发动机原理实验、内燃机原理实验、内燃机性能实验、朗肯循环原理实验、蒸汽轮机发电系统性能实验等发综合性、设计性实验项目，该实验设备做成模块化设计，学生可根据不同的实验选择不同的通用设备、采集系统及实验模块进行实验，充分发挥学生的自主能力，培养了学生的动手能力和创新能力。
3 引入MOOC 理念创新实验教学模式
MOOC 即大规模网络开放课程，强调教学资源共享，课前学习与课堂教学相结合，实现了教与学的颠倒，变教师主动教为学生主动学的教学模式。MOOC教学模式应用于实验教学中，克服了教师讲解、演示、学生跟着学，跟着做的单一教学模式的弊端，充分发挥学生的主动性和积极性，突出学生在学习中的主体地位，培养学生的科学素养及创新意识。学生根据实验要求，利用课外时间、网络共享教学资源、师生互动平台，完成实验课程预习，大大缩短了教师讲解和实验操作的时间，增加了学生之间相互讨论、相互交流以及获得实验结果、实验规律的时间，培养学生综合实践能力。
(1) 开发热工实验网络教学平台、强化预习环节。结合MOOC 教学理念，借助信息化技术开发热工实验教学平台，实现教学资源共享，通过网络进行教学和管理。
开发了网络共享教学资源，如开发了热电偶综合训练、平板导热实验、二氧化碳P—V—T 关系实验、风洞实验、喷管实验、沸腾换热实验、辐射换热实验等虚拟仿真实验软件，录制了相关教学视频、开发了热工实验多媒体教学课件等，使学生在做实验之前在网上进行实验原理学习，设备仪器使用，虚拟实验操作等，完成预习任务。
学生可在网络教学实验平台上，按学号登录，登录后进入学习系统进行预习，完成预习环节后，提交预习报告，具备预约实验资格，预约成功后进入实验室进行实验。预习时，首先打开多媒体课件，了解实验原理、目的、仪器设备及实验方法等，然后观看虚拟实验课件，并进行虚拟操作，只有按照实验步骤正确完成虚拟实验操作，才能进入下一步骤，观看实验教学视频，最后生成预习报告，完成预习。这样学生在做实验之前掌握了实验内容及仪器设备使用方法，能够独立快速完成实验，并获得准确的实验结果。
(2) 加强过程监控、注重自主实验。通过教学管理系统结合网站教学资源，进行过程监控，强化预习环节。注重实验过程，突出学生主体，上课时老师作为参与者与学生交流、讨论，帮助解决主要问题，整个实验学生自主完成，最后对实验成果进行评价。
开发实验数据处理软件，注重实验结果考评，现场评定实验成果。对学生测试的实验数据进行现场处理，及时发现学生实验中的问题，直至全部解决为止。
(3) 改革考核方式，注重能力考核。改变以往单一的只以实验报告定成绩的考核方式，注重综合素质培养，建立全面、完善的考核制度。
采用“1 + 3 + 3 + 2 + 1”考核方式，总成绩中:预习占10%，学生现场组织与动手能力占30%，实验成果占30%，实验总结及分析占20%，课外实验占10%。注重实验过程、实验能力和实验成果的考核，强化学生自主创新意识的培养。
4 结语
通过热工实验课程持续建设研究与实践，逐步形成了加强过程监控、强化预习环节;注重实验过程，突出学生主体，实现自主实验;改革实验考评方法，注重现场评定实验结果的热工实验教学特色。
研究成果已应用于热工实验教学中，每年使得我校4 个学院相关专业20 多个本科生班，600 多名学生受益，经过实践，教学效果良好。