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摘要：传热学是建筑环境与能源应用工程专业的基石课程之一，实验教学是传热学授课的重要组成部分。随着新工科建设的推进，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基础上，针对学生参与度、创造性培养和考核方式进行了探讨，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能力的培育提供了参考。
关键词：传热学；实验课；教学现状；技术改革；制度改革
本文引用格式：王瑜,等.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[J].教育现代化,2019,6(42):49-52.
近年来，在实施创新驱动发展、新经济发展战略背景下，中国工程教育开始在新工科改革中前进，从“复旦共识”“天大行动”到“北京指南”，唱响了新工科建设“三部曲”[1]。
作为地方高校的南京工业大学，是江苏高水平大学建设“全国百强省属高校”、江苏省重点建设高校、江苏省综合改革试点高校、江苏省人才强校试点高校。在新工科建设中，南京工业大学立足区域经济发展，固本强源，协同创新，奋力建成国内一流国际知名创业型大学。实践创新能力的培养，是学校实现上述目标的关键。土木工程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工程专业（简称环能专业）更是江苏省最早设置的该专业。在新工科建设背景下，传统土木工程专业建设发展更需要以创新能力为核心[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能力是极其迫切的。
传热学是研究热量传递规律的科学，环能专业中遇到的大部分技术问题都和热量传递问题有关。2013年出版的《高等学校建筑环境与能源应用工程本科指导性专业规范》中明确提出，传热学属于专业基础核心知识[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，必须紧密结合新工科特征，与时俱进，积极吸收新的教学理念，探索新的教学方法，从而促进本专业人才培养体系的转型与提高[5]。
实验课程作为传热学教学的重要组成部分，同样需要依据新工科提倡的创新人才培养理念，更好地承担起通过实践教学，使学生熟练地运用相关知识解决实践问题的责任。本文中作者结合承担的传热学实验课授课情况，探讨了传热学实验课提高学生综合实践能力、自主创新能力的方法。
一实验课在传热学课程教学中的地位
传热学理论课程内容上具有基本概念性强且抽象、基本规律和公式多、基本应用广泛的特点[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，承担着促进学生理解课堂描述的热量传递规律和推动学生进行传热相关理论应用探索的责任和义务。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探索精神和创新意识，这正是创新型时代工程科技人员所必需的素质，是推动传热学领域跨学科发展的必备条件[7]。
二传热学实验课教学现状-以南京工业大学为例
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、对流和辐射三大部分，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帮助学生更好理解课堂上教授的传热学基本原理。在最终的考核过程中，单个实验占总分值的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2017和2018年在承担传热学课程教学的基础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。
通过课堂观察和批改实验报告，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，具体如下。
（一）结果误差问题
手动测量是实验中的重要环节，也是三个实验涉及数据的基本获取形式。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偏差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基本规律，会直接降低学生对课堂教学内容的接受程度。
主要原因在于：
1.学生对仪器不熟悉
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混淆、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。学生在观察数据一段时间不变后便认为系统已达到稳态，开始读数，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。
2.仪表校准和设备重置工作不到位
由于课程安排问题，有时会存在两个班连续进行实验的情况。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，需在测量光滑表面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表面恢复原状不到位，将直接影响后一个班测量的光滑表面黑度数值。
3.人员扰动影响实验工况
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。此时若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，小组成员若聚集在实验台周围靠近热电偶的区域，则背景温度测量结果不可避免会偏高，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，人员的走动和聚集也会对过余温度的计算数值产生影响。这说明在实验课教学中，学生对数据精度的意识还不够。
4.传统手算数据处理方式的局限
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λ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。实验手册建议的传统方法为在方格纸上描点，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提高。
（二）学生参与度问题
由于实验设备台套数和场地的限制，不能保证每人单独操作一个实验台，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，剩余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：
（1）实验过程无法引发学生的兴趣
学生对此类按照教师要求一步步进行的实验不感兴趣，认为实验简单枯燥，不需要所有人都参与进来。
（2）考核方式无法考察学生的参与程度
目前实验课主要依据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，且能在教师要求的期限内提交实验报告就符合考核要求。如何量化学生在实验中的参与和投入程度仍是空白。
（三）创造性培养问题
在现有实验教学过程中，实验开始前，教辅人员已将热电偶等传感器的测试位置布置好，授课教师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，无法体现学生对课程的理解。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思考，学生无法将传热学实验与课程内容的实际应用联系起来通过实验课无法实现学以致用的目的。
（四）考核方式问题
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能力和参与程度。考核是最好的动力，目前的考核制度更着重于考察结果，学生在过程中究竟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标准，自然会造成没有动力和参与性不强的问题。
三教学内容和方法的创新
上述问题的解决，单独依靠技术措施和单独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能力培养的新管理方法，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。
创新体系中的关键步骤如下：
（一）虚拟实验平台的建立与应用
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探索尝试的作用，供学生课前熟悉实验内容、初步设计方案和课后完善实验方案。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方案；结合自己的方案完成实际实验操作后，学生可根据实验结果修正实验方案，复现实验结果，进一步明确自己方案的合理性。虚拟实验平台可以有效解决台套数不足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创造性，开拓学生思维。本专业殷亮老师已基于Modelica软件搭建了初步的热力学分析虚拟实验平台[8]，希望能在此基础上整合资源，建立传热学分析虚拟实验平台。
（二）设置实验室开放活动和实验网上预约系统
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方法和误差分析的基本认识。开放日实验室教师将全程陪同学生并向其介绍基础的数据采集、数据测试和误差分析等方法。考虑实验逐步开放化，不同同学所需的仪器设备均不相同，可以提出网上预约分批实验的方法，选用相近实验方案的同学可同时进行实验，进一步缩减实验人数。
（三）建立与实践接轨的自主创新实验机制
联系实际和培养解决实际传热问题的能力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，可考虑以实际项目为参照物搭建小尺寸平台，如导热部分的教学实验，可以结合实际工程中的墙体绝热设计，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工程应用案例，依据实际案例提出与导热、对流和辐射相关的实验研究对象，鼓励学生通过自主创新设计实验方案。根据学生设计的初步方案，实验室提供基础设备和仪表，帮助学生完成实验。
（四）完善考核指标
随着实验课倾向于开放式创新训练，考核方式也在批改实验报告的基础上增加新内容。学生在每次实验结束后需提交基于虚拟仿真平台的实验设计方案，方案结合报告形成完整的从设计到实施到数据处理的实验流程，教师直接针对每个人完成流程的质量进行打分。除了联系传热学理论，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，教师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实践经验。
四结论
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，探讨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方法的问题，提出了一系列教学改进建议，为新时期环能专业传热学课程的发展提供了参考。具体结论如下：
（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探索尝试的作用，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方案；
（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；
（3）创新能力培养方面，将结合实际项目提出具体实验目标，给学生预留充分的自由空间设计方案，并提供方案所需的基础设施和仪表；
（4）考核方式方面，通过结合实验方案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能力。
参考文献
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[2]孙峻.“新工科”土木工程人才创新能力培养[J]．高等建筑教育,2018,27(2):05-09．
[3]程建杰,龚延风,张广丽.建环专业建筑设备自动化课程的教学实践探索[J].教育教学论坛,2016,(6):154-155.
[4]高等学校建筑环境与设备工程学科专业指导委员会.高等学校建筑环境与能源应用工程本科指导性专业规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2013.
[5]王瑜,李维,谈美兰等.新工科背景下建筑环境与能源应用工程专业传热学课程教学研究[J].高等建筑教育,2018,27(05):14-19.
[6]尚琳琳,郭煜,马利敏等.传热学实验创新能力培养的探索与实践[J].中国教育技术装备,2014,(18):144-145.
[7]刘海涌,郭涛.混合式学习方法在传热学实验课教学中的应用研究[J].当代教育实践与教学研究,2018,(11):39-40.
[8]殷亮,周斌,程建杰,等.基于Modelica火用分析库的虚拟实验平台在能源专业教学中的应用[J].化工高等教育,2017,153(1):63-67.
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