機(jī)械大類專業(yè)熱流課程教學(xué)改革的探索與思考

1、本文系陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教改基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：09JG18）機(jī)械大類專業(yè)熱流課程教學(xué)改革的探索與思考以陜西科技大學(xué)為例袁越錦 張勇 胡鵬睿 李瑞虎 陳海峰 楊立軍（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 陜西西安 710021）【摘要】本文針對(duì)機(jī)械大類專業(yè)人才培養(yǎng)要求及熱流課程本身特點(diǎn)，結(jié)合近兩年來(lái)陜西科技大學(xué)熱流課程教學(xué)存在的問(wèn)題，探討了熱流課程的教學(xué)改革思路，建議適應(yīng)機(jī)械大類各專業(yè)方向需求，建立分層次理論教學(xué)課程體系；結(jié)合理論教學(xué)，建立科學(xué)的實(shí)踐教學(xué)體系；實(shí)行教研一體化的教學(xué)模式，增強(qiáng)教學(xué)中的科研含量。【關(guān)鍵詞】熱流課程；機(jī)械專業(yè)；教學(xué)改革近年來(lái)，基于“以流體介質(zhì)能量載體為研究對(duì)象，將熱流力學(xué)規(guī)

2、律、熱量傳遞規(guī)律和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律進(jìn)行橫向融合，專業(yè)基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課領(lǐng)域進(jìn)行縱向滲透”的思路，將工程流體力學(xué)、工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)三部分經(jīng)典內(nèi)容整合為一門(mén)綜合性“熱流課程”已得到越來(lái)越多專家學(xué)者的認(rèn)同。如今這類課程已不僅僅可作為技術(shù)基礎(chǔ)課看待，很多情況下甚至可以作為專業(yè)課對(duì)待。由于機(jī)械工程類專業(yè)技術(shù)人員所從事的工作無(wú)不涉及能量的轉(zhuǎn)換和傳遞問(wèn)題。因此，熱流課程是培養(yǎng)21世紀(jì)工科類學(xué)生、尤其是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的一門(mén)公共技術(shù)基礎(chǔ)課。陜西科技大學(xué)從1999年設(shè)立“過(guò)程裝備與控制工程”專業(yè)后，工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)與工程流體力學(xué)三門(mén)課程陸續(xù)開(kāi)設(shè)。經(jīng)過(guò)十來(lái)年的發(fā)展，目前該熱流課程已成為學(xué)校機(jī)械大類各專業(yè)的一門(mén)公共課。一

3、、機(jī)械大類專業(yè)熱流課程存在的問(wèn)題目前，陜西科技大學(xué)在機(jī)械大類專業(yè)中開(kāi)設(shè)了5個(gè)專業(yè)方向，即：過(guò)程裝備與控制工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化、工業(yè)工程、物流工程和材料成型及模具。由于熱流課程內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多、聯(lián)系緊密、概念抽象、理論性較強(qiáng)等原因，開(kāi)設(shè)該課程的過(guò)程中存在以下一些問(wèn)題：（1）不同專業(yè)方向?qū)崃髦R(shí)需求的側(cè)重點(diǎn)不同，該如何針對(duì)性地安排教學(xué)內(nèi)容和課時(shí)量的多少是個(gè)不容易把握好的問(wèn)題。（2）課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，對(duì)有助于提高學(xué)生綜合分析與解決問(wèn)題能力以及實(shí)踐創(chuàng)新能力的大型綜合性實(shí)驗(yàn)（踐）甚少；而且熱流實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴、臺(tái)套數(shù)少，當(dāng)學(xué)生人數(shù)多時(shí)，供需矛盾相當(dāng)突出。（3）教學(xué)方法和教學(xué)手段單一

4、，熱流課程開(kāi)設(shè)之初采用的是教師在講臺(tái)上講、學(xué)生在講臺(tái)下聽(tīng)的填鴨式教學(xué)。 二、探索與思考1、適應(yīng)機(jī)械大類各專業(yè)方向需求，建立分層次理論教學(xué)課程體系在機(jī)械大類專業(yè)中開(kāi)設(shè)熱流課程首先遇到的就是理論教學(xué)內(nèi)容的安排問(wèn)題。由于課時(shí)數(shù)的限制，在機(jī)械大類專業(yè)中開(kāi)設(shè)熱流課程不可能象在能源動(dòng)力類專業(yè)中那樣學(xué)習(xí)的內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)都面面俱到，只能結(jié)合機(jī)械大類下各專業(yè)方向的知識(shí)需求及其特點(diǎn)有所取舍。其基本思路是：以質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒為線索將傳統(tǒng)的三門(mén)課程內(nèi)容融會(huì)貫通，以形成有機(jī)的整體，構(gòu)成較系統(tǒng)的一門(mén)課，以基本概念基本定律為主要知識(shí)點(diǎn)圍繞這些內(nèi)容展開(kāi)，改變一般熱工基礎(chǔ)課中把傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)當(dāng)作兩個(gè)獨(dú)立部分，而且與工程流體

5、力學(xué)內(nèi)容不相關(guān)聯(lián)的做法。基于以上思路，為適應(yīng)機(jī)械大類各專業(yè)方向的需求，我們建立了熱流課程分層次理論教學(xué)課程體系，如表1所示。它主要包括以下11個(gè)模塊的內(nèi)容：（1）流體靜力學(xué)，（2）流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，（3）氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，（4）有旋流動(dòng)和有勢(shì)流動(dòng)，（5）熱能轉(zhuǎn)換的基本概念和基本定律，（6）工質(zhì)的熱力性質(zhì)和熱力過(guò)程，（7）熱傳導(dǎo)，（8）對(duì)流換熱，（9）輻射換熱，（10）傳熱過(guò)程與應(yīng)用，（11）熱力循環(huán)與應(yīng)用。表1 分層次理論教學(xué)課程體系序號(hào)專業(yè)開(kāi)設(shè)學(xué)時(shí)理論教學(xué)內(nèi)容所包含的模塊1過(guò)程裝備與控制工程120（1）（11）2機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化90（1）（3）、（5）（10）3材料成型及模具90（1）（3）

6、、（5）（10）4物流工程60（1）（2）、（5）（9）5工業(yè)工程60（1）（2）、（5）（9）2、結(jié)合理論教學(xué)，建立科學(xué)的實(shí)踐教學(xué)體系（1）建立熱流課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 通過(guò)補(bǔ)充必要的演示實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)內(nèi)部機(jī)理、運(yùn)動(dòng)過(guò)程、系統(tǒng)整體的深入了解；改造和精煉驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)其綜合性，提高其精確性，使其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和實(shí)驗(yàn)效率得到改善；補(bǔ)充開(kāi)設(shè)大型綜合性（或設(shè)計(jì)性）實(shí)驗(yàn)，如復(fù)雜條件下工程傳熱系數(shù)測(cè)定、提高循環(huán)效率、強(qiáng)化傳熱等。形成分層次（基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)）、多類型（演示型、驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型、研究型等）和多專業(yè)共享的熱流課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，如表2所示。表2 熱流課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

7、技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)專業(yè)實(shí)驗(yàn)氣體定壓比熱的測(cè)定流動(dòng)阻力及局部阻力測(cè)定多通道烘缸紙張干燥實(shí)驗(yàn)流體流動(dòng)雷諾數(shù)測(cè)定及伯努利方程驗(yàn)證噴管實(shí)驗(yàn)空調(diào)設(shè)備性能測(cè)試平板附面層速度分布及繞流柱體表面壓力分布的測(cè)定對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定復(fù)雜條件下工程傳熱系數(shù)測(cè)定-關(guān)系的測(cè)定及可視性飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系換熱器實(shí)驗(yàn)非固結(jié)多孔介質(zhì)孔隙蒸發(fā)流動(dòng)與換熱實(shí)驗(yàn)（2）建立遠(yuǎn)程與虛擬實(shí)驗(yàn)中心。 為解決學(xué)生人數(shù)多、實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴、臺(tái)套數(shù)少的問(wèn)題，引入虛擬技術(shù)，改革傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中一些片面的、粗糙的、繁瑣的、低效的實(shí)驗(yàn)方法，建成遠(yuǎn)程與虛擬實(shí)驗(yàn)中心，該中心是機(jī)械大類專業(yè)共享的實(shí)驗(yàn)技術(shù)通用平臺(tái)。開(kāi)發(fā)了一套虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和環(huán)境模擬到計(jì)算機(jī)內(nèi)

8、完成。通過(guò)學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)之前，首先在虛擬系統(tǒng)上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，完成虛擬實(shí)驗(yàn)后，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和環(huán)境已非常熟悉，從而在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中能熟練地高質(zhì)量地在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，收到很好的效果。3、實(shí)行教研一體化的教學(xué)模式，增強(qiáng)教學(xué)中的科研含量（1）改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段。為加強(qiáng)學(xué)生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，豐富教學(xué)內(nèi)容，活躍課堂氣氛，必須對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)方法與手段進(jìn)行改革。課堂上，從過(guò)去傳統(tǒng)的講授為主轉(zhuǎn)變?yōu)橹v、演、答等多樣化形式，講授部分以主要知識(shí)點(diǎn)為內(nèi)容采取精講授多討論的方法，重視理論聯(lián)系實(shí)際，圍繞專業(yè)及工程實(shí)際問(wèn)題安排各教學(xué)環(huán)節(jié)；利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，選用實(shí)景、動(dòng)畫(huà)等方式，制作圖文結(jié)合、形象生動(dòng)、通俗易懂的多媒體課件進(jìn)行

9、授課，使抽象的概念具體化，復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，繁瑣的內(nèi)容精煉化，實(shí)際問(wèn)題形象化，將學(xué)生缺乏的專業(yè)背景知識(shí)形象地演示出來(lái)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維；采用啟發(fā)式教學(xué)方法，互問(wèn)互答，與學(xué)生交流討論，營(yíng)造即活潑又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)氛圍，提高教學(xué)效率。當(dāng)然，對(duì)于理論課教學(xué)來(lái)講，多媒體所介紹的一些現(xiàn)象僅僅是鋪墊，而理解這些現(xiàn)象和求解一些基本問(wèn)題的方法才是教學(xué)的最終目的。因此，在采用多媒體進(jìn)行教學(xué)時(shí)，不能因?yàn)樽非筘S富多彩而忽略掉教學(xué)的最終目的，否則教學(xué)是浮躁的，不能讓學(xué)生獲得堅(jiān)實(shí)的學(xué)科基礎(chǔ)和理論素養(yǎng)。（2）組織研究型課外教學(xué)活動(dòng) 。 利用學(xué)校開(kāi)展的“創(chuàng)新教育項(xiàng)目”和“優(yōu)秀生導(dǎo)師制”活動(dòng)，結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容和專業(yè)實(shí)

10、踐，先后進(jìn)行了“大型車(chē)輛制動(dòng)散熱裝置設(shè)計(jì)”、“大換熱量廠房保暖系統(tǒng)分析”、“蒸汽噴射式真空泵內(nèi)流體流動(dòng)特性”、“帶式干燥機(jī)節(jié)能”、“大型球罐脹型”等多個(gè)研究型課外教學(xué)活動(dòng)，取得了良好的效果。組織該活動(dòng)時(shí)主要針對(duì)一些相關(guān)教師的科研項(xiàng)目、工程技術(shù)難題，開(kāi)展專業(yè)性較強(qiáng)的研究，一般利用假期或?qū)W生實(shí)習(xí)周進(jìn)行。研究型課外教學(xué)活動(dòng)根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況進(jìn)行優(yōu)選，要求由知識(shí)掌握牢固、能力較強(qiáng)的學(xué)生來(lái)完成。近年來(lái)，大學(xué)生也參加教師的科研和課外科技活動(dòng)已成為一種趨勢(shì)。這改變了原來(lái)只有教師和研究生參與科研的狀況，學(xué)術(shù)研究氣氛更加活躍，同時(shí)也支持了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，使教師、研究生的科研和學(xué)生課外科技活動(dòng)更加方便，有力地促

11、進(jìn)了學(xué)科建設(shè)的發(fā)展。參加課外科技活動(dòng)的同學(xué)都有一個(gè)共同的感受，就是通過(guò)課程學(xué)習(xí)再輔以課外科技實(shí)踐活動(dòng)使自己的能力得到綜合鍛煉。開(kāi)展課外科技活動(dòng)的實(shí)踐表明，它對(duì)學(xué)生開(kāi)闊視野，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念和實(shí)際動(dòng)手能力，鍛煉學(xué)生對(duì)今后工作的適應(yīng)性大有幫助。（3）有專業(yè)特色的小論文、習(xí)題題庫(kù)和資料庫(kù)建設(shè)。 收集整理各專業(yè)相關(guān)資料，建設(shè)有專業(yè)特色的小論文題庫(kù)，如紙機(jī)烘缸內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的CFD模擬等，給學(xué)生更多的創(chuàng)新思維空間。建設(shè)習(xí)題集和測(cè)試訓(xùn)練題庫(kù)，并將題庫(kù)等電子文檔資源上網(wǎng)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)答疑、網(wǎng)絡(luò)討論等。此外，收集或自編一些包含有關(guān)公式和數(shù)據(jù)資料的數(shù)據(jù)庫(kù)程序軟件對(duì)學(xué)生開(kāi)放，方便他們解決相關(guān)熱流問(wèn)題。四、結(jié)語(yǔ)將工程

12、流體力學(xué)、工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)整合為一門(mén)綜合性的“熱流課程”已是一種趨勢(shì)。但它不只是三者的簡(jiǎn)單合并，教學(xué)時(shí)應(yīng)將三門(mén)學(xué)科的內(nèi)容有機(jī)融為一體，同時(shí)從理論教學(xué)、教學(xué)方法及實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面進(jìn)行改革。針對(duì)機(jī)械大類專業(yè)人才培養(yǎng)要求及熱流課程本身特點(diǎn)，結(jié)合陜西科技大學(xué)近兩年來(lái)熱流課程教學(xué)改革實(shí)踐，對(duì)該課程的教學(xué)進(jìn)行了初淺的探索與思考；介紹了分層次理論教學(xué)課程體系、科學(xué)實(shí)踐教學(xué)體系和“教-研”型教學(xué)模式；這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)熱流課程的教學(xué)有著一定的參考價(jià)值?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 教育部面向21世紀(jì)熱工課程改革項(xiàng)目組. 熱工課程在工科各專業(yè)人才培養(yǎng)中的地位及設(shè)置建議J. 高等工程教育, 2000, (增刊) : 6 11. 2 何雅玲, 陶文銓. 對(duì)我國(guó)熱工基礎(chǔ)課程發(fā)展的一些思考J. 中