机械大类专业热流课程教学改革的探索与思考.doc

本文系陕西科技大学机电工程学院教改基金资助项目（编号：09JG18）
机械大类专业热流课程教学改革的探索与思考
—以陕西科技大学为例
袁越锦 张勇 胡鹏睿 李瑞虎 陈海峰 杨立军
（陕西科技大学机电工程学院 陕西西安 710021）
【摘要】本文针对机械大类专业人才培养要求及热流课程本身特点，结合近两年来陕西科技大学热流课程教学存在的问题，探讨了热流课程的教学改革思路，建议适应机械大类各专业方向需求，建立分层次理论教学课程体系；结合理论教学，建立科学的实践教学体系；实行教研一体化的教学模式，增强教学中的科研含量。
【关键词】热流课程；机械专业；教学改革
近年来，基于“以流体介质能量载体为研究对象，将热流力学规律、热量传递规律和能量转换规律进行横向融合，专业基础课向专业课领域进行纵向渗透”的思路，将《工程流体力学》、《工程热力学》与《传热学》三部分经典内容整合为一门综合性“热流课程”已得到越来越多专家学者的认同。如今这类课程已不仅仅可作为技术基础课看待，很多情况下甚至可以作为专业课对待。由于机械工程类专业技术人员所从事的工作无不涉及能量的转换和传递问题。因此，热流课程是培养21世纪工科类学生、尤其是机械类专业学生的一门公共技术基础课。陕西科技大学从1999年设立“过程装备与控制工程”专业后，《工程热力学》、《传热学》与《工程流体力学》三门课程陆续开设。经过十来年的发展，目前该热流课程已成为学校机械大类各专业的一门公共课。
一、机械大类专业热流课程存在的问题
目前，陕西科技大学在机械大类专业中开设了5个专业方向，即：过程装备与控制工程、机械设计制造及自动化、工业工程、物流工程和材料成型及模具。由于热流课程内容知识点多、联系紧密、概念抽象、理论性较强等原因，开设该课程的过程中存在以下一些问题：（1）不同专业方向对热流知识需求的侧重点不同，该如何针对性地安排教学内容和课时量的多少是个不容易把握好的问题。（2）课程的实验项目单一，验证性实验居多，对有助于提高学生综合分析与解决问题能力以及实践创新能力的大型综合性实验（践）甚少；而且热流实验设备价格昂贵台套数少，当学生人数多时，供需矛盾相当突出。（3）教学方法和教学手段单一，热流课程开设之初采用的是教师在讲台上讲、学生在讲台下听的填鸭式教学。
二、探索与思考
1、适应机械大类各专业方向需求，建立分层次理论教学课程体系
在机械大类专业中开设热流课程首先遇到的就是理论教学内容的安排问题。由于课时数的限制，在机械大类专业中开设热流课程不可能象在能源动力类专业中那样学习的内容知识点都面面俱到，只能结合机械大类下各专业方向的知识需求及其特点有所取舍。其基本思路是：以质量、能量和动量守恒为线索将传统的三门课程内容融会贯通，以形成有机的整体，构成较系统的一门课，以基本概念基本定律为主要知识点围绕这些内容展开，改变一般《热工基础》课中把《传热学》和《工程热力学》当作两个独立部分，而且与《工程流体力学》内容不相关联的做法。
基于以上思路，为适应机械大类各专业方向的需求，我们建立了热流课程分层次理论教学课程体系，如表1所示。它主要包括以下11个模块的内容：（1）流体静力学，（2）流体动力学基础，（3）气体动力学基础，（4）有旋流动和有势流动，（5）热能转换的基本概念和基本定律，（6）工质的热力性质和热力过程，（7）热传导，（8）对流换热，（9）辐射换热，（10）传热过程与应用，（11）热力循环与应用。
表1 分层次理论教学课程体系
序号
专业
开设学时
理论教学内容所包含的模块
1
过程装备与控制工程
120
（1）~（11）
2
机械设计制造及自动化
90
（1）~（3）、（5）~（10）
3
材料成型及模具
90
（1）~（3）、（5）~（10）
4
物流工程
60
（1）~（2）、（5）~（9）
5
工业工程
60
（1）~（2）、（5）~（9）

2、结合理论教学，建立科学的实践教学体系
（1）建立热流课程基础实验平台。 通过补充必要的演示实验，加强学生对内部机理、运动过程、系统整体的深入了解；改造和精炼验证型实验，加强其综合性，提高其精确性，使其实验结果的可靠性和实验效率得到改善；补充开设大型综合性（或设计性实验，如复杂条件下工程传热系数测定、提高循环效率、强化传热等。形成分层次（基础实验、技术基础实验、专业实验）、多类型（演示型、验证型、设计型、研究型等）和多专业共享的热流课程群实验教学平台，如表2所示。
表2 热流课程基础实验平台
基础实验
技术基础实验
专业实验
气体定压比热的测定
流动阻力及局部阻力测定
多通道烘缸纸张干燥实验
流体流动雷诺数测定及伯努利方程验证
喷管实验
空调设备性能测试
平板附面层速度分布及绕流柱体表面压力分布的测定
对流传热系数的测定
复杂条件下工程传热系数测定
ＣＯ２Ｐ-Ｖ-Ｔ关系的测定及可视性饱和蒸汽压力和温度关系
换热器实验
非固结多孔介质孔隙蒸发流动与换热实验

（2）建立远程与虚拟实验中心。 为解决学生人数多、实验设备价格昂贵、台套数少的问题，引入虚拟技术，改革传统实验中一些片面的、粗糙的、繁琐的、低效的实验方法，建成远程与虚拟实验中心，该中心是机械大类专业共享的实验技术通用平台。开发了一套虚拟实验系统，将真实实验过程和环境模拟到计算机内完成。通过学生在真实实验之前，首先在虚拟系统上进行虚拟实验，完成虚拟实验后，对实验过程和环境已非常熟悉，从而在真实实验中能熟练地高质量地在规定时间内完成实验，收到很好的效果。
3、实行教研一体化的教学模式，增强教学中的科研含量
（1）改进教学方法和教学手段。为加强学生能力和素质的培养，丰富教学内容，活跃课堂气氛，必须对传统的教学方法与手段进行改革。课堂上，从过去传统的讲授为主转变为讲、演、答等多样化形式，讲授部分以主要知识点为内容采取精讲授多讨论的方法，重视理论联系实际，围绕专业及工程实际问题安排各教学环节；利用现代计算机技术，选用实景、动画等方式，制作图文结合、形象生动、通俗易懂的多媒体课件进行授课，使抽象的概念具体化，复杂的问题简单化，繁琐的内容精炼化，实际问题形象化，将学生缺乏的专业背景知识形象地演示出来，激发了学生的学习兴趣和创新思维；采用启发式教学方法，互问互答，与学生交流讨论，营造即活泼又严谨的学习氛围，提高教学效率。当然，对于理论课教学来讲，多媒体所介绍的一些现象仅仅是铺垫，而理解这些现象和求解一些基本问题的方法才是教学的最终目的。因此，在采用多媒体进行教学时，不能因为追求丰富多彩而忽略掉教学的最终目的，否则教学是浮躁的，不能让学生获得坚实的学科基础和理论素养。
（2）组织研究型课外教学活动 。 利用学校开展的“创新教育项目”和“优秀生导师制”活动，结合课程教学内容和专业实践，先后进行了“大型车辆制动散热装置设计”、“大换热量厂房保暖系统分析”、“蒸汽喷射式真空泵内流体流动特性”、“带式干燥机节能”、“大型球罐胀型”等多个研究型课外教学活动，取得了良好的效果。组织该活动时主要针对一些相关教师的科研项目、工程技术难题，开展专业性较强的研究，一般利用假期或学生实习周进行。研究型课外教学活动根据学生对知识的掌握情况进行优选，要求由知识掌握牢固、能力较强的学生来完成。
近年来，大学生也参加教师的科研和课外科技活动已成为一种趋势。这改变了原来只有教师和研究生参与科研的状况，学术研究气氛更加活跃，同时也支持了实验室建设，使教师、研究生的科研和学生课外科技活动更加方便，有力地促进了学科建设的发展。参加课外科技活动的同学都有一个共同的感受，就是通过课程学习再辅以课外科技实践活动使自己的能力得到综合锻炼。开展课外科技活动的实践表明，它对学生开阔视野，培养学生的工程观念和实际动手能力，锻炼学生对今后工作的适应性大有帮助。
（3）有专业特色的小论文、习题题库和资料库建设。 收集整理各专业相关资料，建设有专业特色的小论文题库，如纸机烘缸内流场、温度场的CFD模拟等，给学生更多的创新思维空间。建设习题集和测试训练题库，并将题库等电子文档资源上网，进行网络答疑、网络讨论等。此外，收集或自编一些包含有关公式和数据资料的数据库程序软件对学生开放，方便他们解决相关热流问题。
四、结语
将《工程流体力学》、《工程热力学》与《传热学》整合为一门综合性的“热流课程”已是一种趋势。但它不只是三者的简单合并，教学时应将三门学科的内容有机融为一体，同时从理论教学、教学方法及实验教学等方面进行改革。针对机械大类专业人才培养要求及热流课程本身特点，结合陕西科技大学近两年来热流课程教学改革实践，对该课程的教学进行了初浅的探索与思考；介绍了分层次理论教学课程体系、科学实践教学体系和“教-研”型教学模式；这些经验对热流课程的教学有着一定的参考价值。
【参考文献】
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【作者简介】
袁越锦 （1975- ），男，博士，陕西科技大学副教授，热流课程负责人。
张勇，陕西科技大学副教授，通讯作者。