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热工实验教学的思考

2019-06-03 13:16:23
       热工学(包括工程热力学、传热传质学、工程流体力学) 是研究热能与机械能相互转换和传递的基本规律, 以及能量的合理有效利用的一门学科, 涉及到自然界和工程技术的各个领域, 如宇航、通信、冶金、地矿、机电、交通、建筑、化工、农林、仪表等领域无一不存在热现象及其技术问题。有时它在某一领域的技术进步中起着关键性的作用。比如, 微电子和超大规模集成电路芯片的散热、微型电机的冷却、微细材料的加工、航天器热控制等, 必须应用微细尺度传热传质理论来解决。各项科学技术的进步, 使热工学理论不断完善; 反过来, 它又成为各个工程技术领域发展的必要的理论支柱。《工程热力学》和《传热学》是学生必修的主要专业基础课,它们是连接基础课和专业课的重要纽带,是学生分析和解决问题的关键环节。热工课程既具有基础课的理论性,概念多且抽象,同时又具有专业课的应用性和技术性,与实际的工程技术问题紧密联系,涉及范围广泛,公式繁多并且约束条件复杂。由于这两门课程的这些特点,再加上学生没有实际工程经验,理解和学习起来有相当的难度。而热工实验则恰恰是课程理论和工程实际的中间环节,通过它,学生可以直观的了解一些实际的物理模型和测量手段,学习一些数据处理方法,近似地接触了解工程实际,反过来极大的帮助他们学习热工理论知识。
1.目前热工教学实验以及相关实验教学方面的实践想法
热工实验室主要对象是设备系的建筑环境与设备工程专业,主要承担工程热力学和传热学两门课程的实验任务。由于场地和资金原因,工程热力学只开设了 CO2P- V- T 关系实验和气体定压比热测定两个实验项目,每个实验项目 4 个台位;而传热学只开设了强迫对流和非稳态法测物体的导热性能两个实验,每个实验项目两个台位。传热学实验中的强迫对流实验一直是个老大难问题。本实验是在一构造好的实验风洞中,放置一实验用紫铜圆管,圆管内部均匀绕有电阻丝对圆管进行加热,通过测量多组热工数据,计算出不同工况下空气流过单管表面的平均表面换热系数,进而整理出准则方程式。这是一个综合性的实验,涉及较多的课程知识,并应用传热学和流体力学中的多种测量手段,测量了风速、功率、温度等多个参数,非常有利于学生学习热工知识。但是,由于引风机风力大,而紫铜管的加热功率小,数据极难稳定(在该实验中,电位差计的热电势值三分钟之内基本不变,才能认为数据稳定),此外,该实验要多次变化电压和风口出口挡板开度来得到多组数据,因此实验时间很长。经多次实验发现,如果做实验时,先做高电压的文章编号:1672- 7894(2008)10- 101- 01
组再做电压的组,这样做低电压组的实验时,数据稳定的时间会相对较短。于是,在指导学生实验时,教学生做实验时,从电压高的组依次做到电压低的组,这样一来,学生做完电压最高的一组实验后,后面低电压组的实验时间就大大缩短。虽然后面的时间缩短了,但是第一组的时间还是很长,做完一个实验还是要一整个半天的时间。
虽然强迫对流实验是一个较复杂的综合实验,但它复杂的地方主要是数据处理和准则整理,而不是实验过程中的操作和数据记录。在实验仪器连接完好的情况下,学生们只要认真地听取老师的讲解,一般都能很容易地进行实验操作和数据读取记录工作。这样一来,看似复杂的实验过程就变成了一场漫长的等待数据稳定的过程。虽说大多数工程实际就是这么枯燥、乏味,但学生们主要是学习实验的方法和实验过程,大可不必在等待数据上花费过多的时间,另外,由于该实验等待的时间过长且过程操作简单,很容易消磨学生的学习热情和学习兴趣,影响他们的热工学习。只要我们在编程时,把稳定时间设定成几分钟,这样我们就可以在计算机上方便地进行实验,这样既解决了实验台位少、场地小带来的不便,又能消除实验时间过长给学生带来的烦躁,整个过程非常直观快捷。有兴趣的学生还可以参与编程,先从传热学的基本原理中分析出结果,通过仿真实验加以验证;反过来,又可以先观察变化过程,根据原理加以解释。使学生对内容理解得更为透彻,观察现象“知其然”,分析原理“知其所以然”,达到很好的教学效果。
2.关于热工实验教学的进一步思考
(1)随着多媒体技术的不断发展,网络应用的日渐普及,在网络教学平台的基础上,使用多媒体 CAI 课件进行教学已成为教学革新的一种趋势,这对于实验教学也是同样适用的。实践已经证明,多媒体 CAI 课件以其独特的优势,在现代教育教学中充当着越来越重要的角色。它具有丰富的表现力,不仅能对微观过程进行模拟,还可以对抽象事务进行生动直观表现,对复杂过程进行简化和再现。这点在热工类实验教学中尤为重要,因为有些实验原理或过程较为抽象,用理论或文字解释往往很难让学生真正理解,现在通过图片、动画或视频可将这些微观抽象的概念加以直观展现。
(2)建立热工实验思考题库,促进学生思考探索。结合每项实验和所涉及的基础理论、实验原理、实验技能、结构特性、综合设计、实际应用等内容编写出一套思考题, 编辑到数据处理程序上, 按排列组合规律分配给每个学生。只要哪个学生上机处理数据, 计算机就会分配给他一套思考题。尽管每个小组实验测试数据相同, 但每个学生的思考题内容不同, 或同一道题的思路不同, 则实验报告内容也就各有千秋。