信息和多媒体技术与传热学实验教学的整合

罗清海 柳建祥 熊 军

南华大学 湖南衡阳 421001

☆现代教育技术与装备☆

信息和多媒体技术与传热学实验教学的整合

罗清海 柳建祥 熊 军

南华大学 湖南衡阳 421001

信息和多媒体技术日益成为必须的现代工程教学手段，本文分析了信息和多媒体技术与传热学实验教学整合的意义，总结了应用的方式，包括模拟演示、数字实验、资源共享等。优化实践教学环节，既要发挥教师主导作用，又要突出学生主体地位，模拟实验、数字化实验与传统实验应该相辅相成，相得益彰。

信息和多媒体技术；传热学实验教学；探索能力培养

信息和多媒体技术的发展为现代教学模式奠定了基础，同时也为优秀教学模式的实施创造了条件，但其应用效果也受诸多因素的制约。传热学研究热量传递过程及其规律，是众多工程类专业学生必修的专业基础课。传热学的发展及其与其它学科的结合、渗透，直接推动现代科学技术的迅速发展。传热学是一门以实验为基础的学科，实验教学的质量在很大程度上决定了传热学教学的效果。信息和多媒体技术与传热学实验教学整合，对于实现实验手段多样化和现代化，培养学生探索精神有十分积极的意义。

一、信息和多媒体技术与传热学实验教学整合的意义

信息和多媒体技术日益成为必须的现代工程教学手段。

1.连续扩招形势下，高校教育资源出现严重短缺的局面，信息和多媒体技术与实验教学整合，可以降低对实验硬件设备的依赖性，提高实验教学时间、空间安排的灵活性。

2.信息和多媒体技术与实验教学整合，可加强实验教学与社会、生活和工程之间的联系，信息和多媒体技术的交互性和超文本链接优势，又为“师生互动”提供了可靠的保证。

3.借助现代信息和多媒体技术可以跟踪现代科技进步，领略全球范围内的现代传热学研究进展及其工程应用的最新成就，把握传热学的发展方向及其研究热点。

4.借助现代信息和多媒体技术，数值模拟实验可以形象展示动态温度场、热传导和热对流机理等抽象概念，有助于学生对传热学本质和规律的理解。

5.借助现代信息和多媒体技术，数字信息系统实验室(Digital Information System Laboratory-DISLab)提高实验自动化程度，减少实验人因误差，有助于学生创新能力的培养。

6.借助现代信息和多媒体技术，可以建立跨专业、跨学校的课程联盟，组建基于现代网络技术的传热学课程论坛，实现传热学教育教学资源共享。

二、信息和多媒体技术在传热学实验教学中的应用

信息和多媒体技术与传热学实验教学整合，在实验的不同环节，发挥独特的作用。

1.信息和多媒体技术作为模拟演示工具

实验课不仅要让学生在实验规范要求下完成实验步骤，重要的是要通过实验过程的观察，加深对相关概念和规律的理解。信息和多媒体技术作为演示的工具，可使静态事物动态化、微观现象可视化、抽象知识形象化。热传导模拟演示如图1所示。

图1 热传导模拟演示

对于工程技术中遇到的许多几何形状复杂的导热问题，由于数学上的困难，目前还无法得到其分析解。在近几十年中，随着计算机技术的迅速发展，对物理问题进行离散求解的数值方法得到日益广泛地应用，数值传热学已经成为求解复杂传热问题，特别是非稳态传热问题求解的最重要途径。数值模拟实验可以直观演示非稳态传热过程中物体内部的温度分布特性及其变化过程(如图2所示)，而传统实验根本无法展示。

图2 温度场数值模拟

对流换热是热量传递的基本方式之一，但传统实验过程只能反映对流换热的实际效果，学生对对流换热的本质和规律理解困难。借助信息和多媒体技术就可模拟演示对流换热过程中温度场、速度场的变化过程，并可选择性地重复观察边界层的变化，有利于学生建立完整的对流换热的物理图景。对流传热传质边界层如图3所示。

图3 对流传热传质边界层

借助仿真模拟技术，还可以演示常规设施难以实现的实验，进行物理过程的动态分析，如核态沸腾模拟演示（如图4所示）。

图4 核态沸腾模拟演示

传统实验模式受设施、场地的限制，只能侧重于基本原理的演示，难以实现基础理论与工程实际的结合，因此，工程类学生毕业以后，往往还要经历一个较长的职业培训阶段才能独立承担专业技术工作。借助仿真模拟技术，可以模拟演示传热学在现代工程中的应用，实现传热学基础理论、实验演示、工程应用的直接对接。传热学课程中，工程实验演示内容取决于专业需要，针对建筑环境与设备工程专业，传热学工程实验模拟演示的内容主要包括以下几大类：(1)建筑与环境热交换；(2)建筑冷热源及末端设施；(3)热质交换设备及传热强化；(4)空气处理过程及设备；(5)建筑供冷/供热循环。

2.组建数字信息系统实验室

数字信息系统实验室是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统。它运用传感器采集实验数据，通过接口与计算机连接，完成数据的采集、分析，必要时可以绘出数据分析表和曲线图，还可以进行实验误差分析与讨论。采用DIS实验系统可以实现多个参数实验数据的自动采集，实现长时间无人值守实验，减少实验人因误差，使处理数据的工作简单化，减轻实验劳动强度。无人值守的某实验室室内外温度变化对照实验120小时结果如图5所示，实验过程中，每20分钟自动采集一组数据。

图5 长期无人值守实验记录

DIS实验简化了实验数据的采集过程，但要求学生有更高的实验方案设计能力和实验数据的处理能力。DIS实验使许多实验从定性观察上升到了定量分析层面，实验质量和教学效果得到了提升。培养学生的创造性思维能力，是实验教学的最重要目标。DIS实验通过改变参数可以方便地实现模拟实验系统演示不同的实验状态，学生在对比分析中，加深对传热学基本概念、基本规律的理解。比如，改变温度条件可以改变热泵系统的性能(热泵模拟如图6所示)，改变Bi参数的取值范围可以改变无限大平壁温度分布特性，改变导热系数可以改变半无限物体周期性变化边界条件下温度波的特性，等等。

图6 热泵系统模拟演示

3.实现课程资源共享

在网络环境下，可通过下载、复制或建立友情链接的方式，实现基于互联网的虚拟实验及其它课程资源的共享。采用网络版“仿真传热学实验室”，学生可以通过人机对话方式观看仿真实验演示，遇到问题还可以通过互联网课程论坛展开讨论。还可以网上畅游，获取相关资源，如教学录像、电子教案、工程案例、历史名家、学科历史和典故趣闻等。

借助信息和多媒体技术，可以建立跨专业、跨学校的课程联盟，充分利用国家重点学科、国家重点实验室、国家工程中心或国家重点科研基地的优越科研、实验条件，以及校外优秀企业的工程实践和科研试验条件，实现优质资源共享，如传热学精品课程资源、与课程相关的工程案例等。一方面可以感受不同的育人风格和学术氛围的熏陶，以及能够接触先进仪器设备等；另一方面通过学科交叉，相互交流，有利于创新性人才的脱颖而出。

三、优化实验教学环节

信息和多媒体技术与实验教学整合，一要发挥教师主导作用，引导学生观察和思考；二要突出学生主体地位，有效培养学生的探索和创新能力。

1.发挥教师的主导作用

基本不改变传统教学模式，只是将信息和多媒体技术作为实验教学内容的演示工具。一般在传统实验演示的基础上，用计算机模拟实验演示其过程，使学生获得的表象得以强化，或者通过模拟实验演示实践实验难以实现的内容，然后再进行抽象概括，形成概念，找出特征、规律。如热传导、热对流、热辐射3种基本传热方式，传统实验只能反映热量传递的结果和表象，而且实验条件难以控制，很难实现单一的热传递过程，借助模拟实验，不仅可以演示3种基本传热方式的微观机理，而且可以演示单一传热方式的过程和规律。帮助学生建立基本热传递过程的动态形象，加深对抽象概念、规律的理解。

2.突出学生的主体地位

在传统的实验教学中，由于条件的限制，学生的探究欲望往往不能得到很好的满足，信息和多媒体技术环境能为学生提供探究的有利条件。借助专业工具软件创设的虚拟仿真环境，学生能在动态情景空间中观察现象、读取数据、探索和发现研究对象的变化规律。通过数值传热学与信息和多媒体技术的结合，分析非稳态传热现象和规律，学会物理图景的动态分析，加深对传热学本质和规律的理解。传热学教学中，这类常规实验不便演示的探索性实验通常有：传热传质光测实验、红外热像实验、换热器性能实验、非稳态传热问题检测、边界层可视化演示、流体外掠管束可视化等。

四、信息和多媒体技术与传统实验手段的优势互补

1.模拟实验与传统实验的互补

实验教学是培养学生学习兴趣的重要途径，信息和多媒体技术可以突破传统实验仪器的局限性，补充、完善真实实验的不理想之处。

信息和多媒体技术可以对那些难以观察到的、复杂的实验进行模拟和再现，成为常规实验的补充。模拟实验可以演示在正常条件下不能实现的理想化的模型，可弥补学生感性认识的不足，因此，把模拟实验与传统实验结合起来，会收到事半功倍的教学效果。

为防止发生意外伤害，或由于实验条件的限制，有一些实验，如高温或深冷实验、真空或失重环境传热实验等，一般是不能在普通实验室做的，虚拟实验环境则可解决这一难题，有利于学生知识构建的完善。

值得注意的是，培养学生的实践能力和严谨的、以事实为依据的科学态度，是传热学实验教学的基本目的之一。模拟是被理想化的模型，对一些操作方便、效果明显的实验，无论从真实性还是从效果来看，都不宜用计算机模拟。如果忽略传统实验的价值，一味用虚拟的实验过程替代真实实验，将会弱化学生的实际操作能力和科学意识，背离实验教学的初衷。

2.数字化实验与传统实验的互补

数字化的实验环境和资源是现实环境和资源在空间、时间上的延伸，它与现实的环境和资源并没有本质差异。但是，由于数字化实验涉及综合性、技术性的知识较多，学生对许多内容都比较生疏，实验时注意力容易转移。同时，数字化实验自动化程度高，易使学生单纯关注实验数据的采集、处理，忽视实验的物理意义，使实验变成数字“游戏”。

传统实验与数字化实验对学生的影响有明显差异：前者侧重于培养细致、认真、耐心的习惯，后者则有利于培养在观察中思考、探究的能力；前者重视实验操作技能的训练，后者则有利于培养利用信息和多媒体技术的能力；前者重视培养数据处理的能力，后者则有利于培养分析判断的能力；前者学生设计实验的局限性比较大，重视实验规范的约束，后者学生自行设计、操作的约束较小，有利于自主探索和创新能力的培养；因此，尽管数字化改造是现代工程教育中实验教学条件改善不可缺少的一环，但应该把传统实验条件作为实验室建设的基础，信息和多媒体技术装备只是传统实验的有力辅助或补充设备。

五、结束语

1.信息和多媒体技术与实验教学整合，是现代工程教育的必然要求，对缓解实验教学硬件紧缺压力，实现教育资源共享，提高理论教学成效，跟踪学科发展前沿，培养学生探索精神都有实际意义。

2.信息和多媒体技术不仅可以作为原理实验、工程应用的模拟、演示工具，在创新性、综合性实验设计，提高实验的自动化、可视化、复现性程度，降低实验成本和工作强度，减少实验人因误差方面，比传统实验手段具有更大优势。

3.借助信息和多媒体技术与传统实验手段的优势整合，优化实践教学环节，既要发挥教师主导作用，又要突出学生主体地位，模拟实验、数字化实验与传统实验应该相辅相成，相得益彰。

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Integration of information and multimedia technology with experimental teaching of heat transfer

Luo Qinghai, Liu Jianxiang, Xiong Jun
University of south China, Hengyang, 421001, China

Information and multimedia technologies are playing a more and more important role in modern engineering education. The significances were analyzed for integration of information and multimedia technologies with experimental teaching of heat transfer. The application methods were summarized as simulations, DISLab and resource sharing. In order to optimize experiment teaching, it is necessary to harmonize teachers’ leading role and students’ main initiative, and simulations, DISLab and real experiments should supplement and bring out the best in each other.

information and multimedia technologies; experimental teaching of heat transfer; exploration ability cultivation

2010-04-06

罗清海，博士，副教授。