胡刚刚，杨志平

（华北电力大学热能与动力工程国家级实验教学示范中心，北京 102206）

0 引言

现代高等教育必须以能力、素质培养为核心，突出培养学生的科学精神、创造性思维和科研能力。当代教育的一个重大转变是从强调传授知识和技能转到重视学生的主动学习［1］。培养创新人才是高等教育的战略目标之一，关系到国家经济社会发展和核心竞争力的提高，关系到建设创新型国家和人才强国战略目标的实现［2］。实验室是创新人才培养的重要基地，实验教学是培养创新人才的重要手段，在实验室里，学生通过学习实验课程、参与实验项目研究，获得更多动手和动脑机会，透过现象挖掘本质，学会分析问题、解决问题的基本方法，不断增进对知识的理解，找到新的突破点，使创新意识、创新思维得到提高［3］。高校实验室的建设与管理水平直接反映了学校的教学水平和科研实力。开放实验室体系的构建是实践教学模式改革的重要体现，是高校创新型人才培养的必由之路，对提升学生的自主创新能力和实践能力有着重要的意义［4］。“双一流”为高校实验室建设注入了新的内涵，也提出了新的更高要求，实验室建设与运行管理必须打破传统模式，强化内涵式发展，才能更好地助力“双一流”建设［5］。

热工课程以研究热能的有效利用及转换与传递规律为基本内容，在工科许多大类专业的人才培养中具有重要地位。在我国，热工基础课程一般指工程热力学与传热学两门课程。工程热力学与传热学已经成为欧美国家机械类学生的必修课，有的学校还设为工科学生的基础课。在境外的高等工程教育中，传热学与热力学课程的开设相当普遍。作为应用科学，实验教学无疑是完整的课程教学的组成部分［6］。传热学作为研究热量及质量传递规律的工程技术科学，是能源与动力工程专业主要的专业基础课程，通过这门课的学习可以达到两个目的：①使学生获得比较宽广和巩固的热量和质量传递规律的基本知识，具备分析工程传热与传质问题的基本能力，掌握计算工程传热与传质问题的基本方法；②为学生以后从事热能的合理利用和转换、热工设备效能优化以及换热器的设计等方面的工作，打下坚实的基础［7］。长期以来，传热学实验多以理论验证为主，没有体现出设计性和创新性。学生被动接受教师安排，实验过程按部就班地完成规定程序，自主性和个性发展被埋没［8］。现代课程观认为，课程是学生自己的体验过程，教师要把学生的学习组织好，给予学生有效的指导和帮助，课程教学过程是学生自我学习和发展过程，如果学生没有自主学习、自我发展，学生的学习和成长是很难真正达到高水平［9］。

1 创新人才培养模式探索

2008 年，为全面贯彻党的教育方针，落实教育部《关于加快研究型大学建设增强高等学校自主创新能力的若干意见》（教技〔2007〕5 号）精神，积极探索培养适应社会发展需求、德智体全面发展的高素质拔尖创新人才的有效途径，我校在能源动力与机械工程学院设立本科创新人才培养实验班，按照“厚基础、宽口径、强能力”的原则，强化创新能力、实践能力，提高实验内容的层次，开设综合性实验课程。2012 年，按照教育部“卓越工程师教育培养计划”，学校积极探索多层次“卓越计划”人才培养体系，构建工程创新型和工程实践型人才培养模式。①工程创新型：以现有创新人才培养实验班为基础，强化研究与创新，实施“课内外统合、学研双驱”培养模式，实行导师制、个性化培养方案。强化数理基础，注重综合能力和研究能力培养。②工程实践型：实施“学行并重、校企联合”培养模式，强化工程实践，注重企业实践环节，培养方案由校企双方共同制定。加强学科基础与专业基础，注重解决现场工程问题能力、开发能力和设计能力培养。2018 年，由我校和中国科学院工程热物理研究所联合创办吴仲华学院，致力于培养动力工程及工程热物理学科的杰出人才，探索具有我校特色的创新人才培养模式。

2 传热学综合创新实验平台建设

工程热力学、传热学是能源动力类专业的核心课程，而传热学理论与实验的联系更为密切，可以开设的实验数量也更多，建设什么样的实验台，采用怎样的实验教学模式，需要综合考虑学生人数、资金投入、培养目标等因素，适应能源动力类专业拔尖创新型人才培养的目标，建设的实验平台要有较高的安全可靠性，方便操作，测试仪表精度应高于普通实验要求，热能与动力工程国家级实验教学示范中心，利用教育部改善基本办学条件经费，购置英国希尔顿综合传热实验台，同时将本中心教师的科研实验进行转化，自制研发适合于本科生开展综合创新实验，具体建设的传热学综合创新实验平台包括11 个实验模块，如表1 所示。

表1 传热学综合创新实验平台模块构成

（1）线性导热模块（见图1）。该模块主要用于：①测量热量通过均匀平面壁面稳态传导的温度分布，并论证热流变化的影响；②了解傅里叶导热方程在固体材料的一维稳态热流率的应用；③测量热量通过复合平面壁面的稳态传导的温度分布，确定热量通过不同材料组合时的总传热系数；④测定金属试样的导热系数；⑤证明在恒定导热系数的固体材料中，温度梯度与一维热流的横截面积成反比。

图1 线性导热模块

（2）径向导热模块（见图2）。该模块主要用于：①测量通过厚壁圆筒壁的热能稳态传导的温度分布（径向能量流），并证明热流变化的影响；②了解傅里叶速率方程在确定热能通过厚圆柱体壁的稳态传导（径向能量流）的热流速率中的应用，以及使用该方程确定圆盘材料的热导率。

图2 径向导热模块

（3）扩展的表面传热模块（见图3）。该模块主要用于：①测量沿延伸表面的温度分布，并将结果与理论分析进行比较；②计算由自由对流和辐射换热组合方式产生的扩展表面的传热，并与理论分析进行比较；③确定棒材料的导热系数。

图3 扩展的表面传热模块

（4）液体和气体热导率测量模块（见图4）。该模块主要用于：液体或气体的热导率测定。

图4 液体和气体热导率测量模块

（5）非稳态导热模块（见图5）。该模块主要用于：①当对形状表面的温度进行阶跃变化时，观察热向固体形状中心的非稳态传导；②使用分析的瞬态温度/热流图来确定固体圆柱体的导热系数；③研究形状、尺寸和材料性能对非定常热流的影响；④瞬态温度分析的集总热容法研究。

图5 非稳态导热模块

（6）平板、圆管和翅片自由和强制换热模块（见图6）。该模块主要用于：①研究输入电源在自然对流情况下与表面温度变化的关系；②研究输入电源在强制对流情况下与表面温度变化的关系；③研究试件表面积对改善换热器的作用；④测量试件扩展表面的温度分布。

图6 平板、圆管和翅片自由和强制换热模块

（7）沸腾换热模块（见图7）。该模块主要用于：①对流沸腾、核沸腾和膜沸腾的可视化演示；②定压条件下临界条件及临界条件外热流和表面传热系数的测定；③压力对临界热流密度影响的研究；④膜状冷凝的演示和总传热系数的测量。

图7 沸腾换热模块

（8）辐射传热模块（见图8）。该模块主要用于：①测定辐射强度与到辐射表面距离的平方成反比（热辐射的平方反比定律）；②测定辐射强度与辐射表面温度的四次方成正比（斯忒藩-玻尔兹曼定律）；③确定辐射计测量的辐射强度与辐射表面和辐射计之间的视角因素之间的关系；④确定不同抛光程度（即磨光和灰度（镀银））表面的发射率并与黑体表面的发射率比较；⑤测定相互接近的表面的发射率如何影响表面温度和辐射传热；⑥验证基尔霍夫定律的正确性，即灰体表面的发射率等于与其他表面处于热平衡时的吸收率；⑦测定两个表面间的辐射传热量与它们之间的相互位置关系；⑧测定表面的照度与光源和表面之间距离的平方成反比（光照的平方反比定律）；⑨测定向任意方向单位角度内辐射的能量等于法向的辐射强度乘以辐射方向与法向夹角的余弦值（兰贝特余弦定律）；⑩测定光通过不透明材料的穿透率随着材料的厚度和吸收率增大成比例衰减规律（兰贝特吸收定律）。

图8 辐射传热模块

（9）对流和辐射综合传热模块（见图9）。该模块主要用于：①确定在自然对流条件下不同输入功率总传热量；②测量低表面温度下主导对流传热系数和高表面温度下主导辐射传热系数；③确定在不同气流速度下强制对流对热量传递的影响；④圆柱体周围的局部传热系数的确定。

图9 对流和辐射综合传热模块

（10）微尺度池沸腾传热实验模块（见图10）。该模块主要用于：①研究不同微尺度表面（光表面、槽型通道、微阵列、乳突等表面）的沸腾传热特性；②观察气泡的生长、脱离情况；③获得不同过冷度下的壁面传热特性。

图10 微尺度池沸腾传热实验模块

（11）凝结换热实验模块（见图11）。该模块主要用于：本实验将电加热器内产生的蒸汽通入凝汽器进行冷凝。凝汽器用冷水进行冷却，通过测量冷却水的流量和进出口温度计算冷水的得热量。通过测量蒸汽的温度、冷凝温度和蒸汽的流量可以计算出蒸汽的显热和潜热，进而计算蒸汽凝结过程的散热量。该实验台配置数据采集系统。

图11 凝结换热实验模块

3 面向创新人才培养的传热学实验模式

围绕创新人才培养，各高校都在根据自身特点积极探索，不断强化实验在创新人才培养过程中的重要作用，特别是让本科生进入科研实验室，在参与科研实验过程中培养创新能力。

作为专业基础教学实验室，如何发挥其培养学生创新能力的作用，是从事本科实验教学的老师一直探索的主题。本科实验室重点还是从动手能力、实践能力培养角度，采取实验室开放的模式，让学生自主进行实验，在验证课程知识点及原理的基础上，强化动手能力、处理数据能力、综合分析问题能力的培养，发挥承担后续科学研究实验承上启下的作用。

我校热能与动力工程实验教学中心于2017 年开始，将建设的传热学综合实验模块以开放实验的模式对创新实验班和卓越工程师班的学生开放，采用3～4人1 组，每组选择4～5 个实验，作为传热学课内实验与传热学课程同步进行，在验证所学知识点及原理规律的基础上，强化学生动手能力和实践能力的培养。2019年配合学校“双一流”学科的建设，为吴仲华学院单独开设32 学时传热学创新实验课程，与传热学理论课程同一学期开设，从第9 周开始，每周2 次，每次2学时，将每班学生分为9～10 组，每组要求利用11 个实验模块开展传热学综合实验，其中9 个模块为英国希尔顿公司生产，配有2 台主机，每个模块进行实验必须通过主机相连，由主机提供电源及过电保护，能够显示电流和电压，同时配置热电偶插槽及选择按钮和温度显示表盘。9 个模块只能同时接纳2 组同学进行实验，另外2 个模块可单独进行实验，每次最多可容纳5组同学进行实验。

本实验为独立开设，现有实验台套数不能满足全班同学同时进行。采用开放实验模式，先按照正常教学计划安排分组进行必做实验，其他选做实验采用开放方式，从第5 周开始即允许学生到实验室开展实验，第1 次课集中进行理论讲解，包括课程目的、实验模块、实验要求、考核办法等，然后到实验室对各实验模块及其注意事项进行逐一讲解，并进行实验分组安排。

通过实验室开放使计划实验时间没有完成的实验可在课后继续进行，同时对计划课时内不能安排实验的小组，可选择合适的时间（晚上或周末等）自主进行，对于实验中出现的问题可通过微信群发布，由老师或同学实时解答。

4 实验考核方式与成绩评定

本实验为单独开设实验课，成绩以百分计，主要从如下几个方面考核：①平时成绩占30 分，主要考查课内实验纪律以及实验过程参与程度；②实验成绩占70分，从3 方面考查：①实验报告，重点考查分析问题解决问题的能力（40 分）；②通过小组抽签方式采用PPT汇报一个实验（由理论课教师和实验教师组成答辩小组），考查学生的知识点掌握程度及协同协作的能力（20 分）；③考查学生创新能力和创新意识（10 分），让每个学生对实验模式、实验台存在的问题、改进措施、能否拓展新的实验项目发表自己的见解和体会，撰写论文专利等。

5 学生对传热学综合创新实验模式实施后的体会

自2017 年对创新动1501 班和实践动1501 班、创新动1601 班、吴仲华1701 班、吴仲华1801 班实施传热学综合创新实验模式以来，取得较好的效果。学生具体的体会主要有如下几点：

（1）该实验模式将传授知识和培养能力融为一体，由学生全程操作，调动了实验积极性和锻炼了动手能力，为将来从事科研打下基础。

（2）通过传热学创新实验课程，将传热学的理论具体化，加深了对知识的理解，促进了动手能力的提高，充分感受到了实验科学的魅力与困难，做实验需要充分的耐心，很多实验需要相当长的时间才能出结果。

（3）采用该实验模式，验证教材所学内容，发现实验误差出现的原因，提高自己运用所学知识分析问题，运用软件处理数据，查阅文献解决问题的能力。

（4）小组之间要分工明确、及时沟通、合作完成实验，才会事半功倍。

（5）时间灵活，自主操作多，相比传统一次过的实验有更深的印象和体会，对实验过程理解更深刻。在实际操作时，会遇到预料不到的小问题，通过分析研究解决，提高了实践能力。

6 结语

在“双一流”学科建设大背景下，如何建设实验室，如何开展实验，对于学生实践能力和创新能力培养至关重要。要结合专业人才培养目标，以学生为中心，建设适合本科生的综合实验平台，并对学生全面开放，为学生提供独立操作的机会，培养他们发现问题、分析问题以及解决问题的能力，促进理论与实践的紧密结合，进而培养学生的团队精神和创新意识，为落实国家创新人才培养战略实施起推动作用。