“三传”课程实验体系改革研究

高建民

（上海应用技术大学城市建设与安全工程学院，上海 200235）

《2030 年前碳达峰行动方案》是碳达峰、碳中和目标的顶层设计。根据“双碳”目标的安排，2025 年，我国绿色低碳循环发展的经济体系将初步形成，重点行业能源利用效率大幅提升。根据统计，公共建筑中，风机和水泵设备的用电量占整个建筑用电量的30%～40%，约占整个动力用电(即除照明以外的用电)的40%～50%。风机和水泵设备为流动、传热和传质的动力设备。建筑环境与能源应用工程专业所牵涉的核心问题就是流动、传热和传质，既“三传”现象。实验教学作为“三传”课程不可缺少的组成部分，对培养学生的知识运用能力、实验操作能力、理论联系实际能力，分析与解决问题的能力，以至于“双碳”目标的如期实现都具有重大意义。因此，按照“基础扎实、知识面宽、动手能力强”的节能型人才培养模式，转变教育思想、更新教育理念，实现实验教学改革至关重要。

1 传统的流体与热工课程的实验教学方式

流动、传热和传质为建筑环境与能源应用工程专业的三大理论基础，流体力学、传热学、热质交换原理与设备是专业基础课程中的核心课程。这三门课程中的实验课程约占总学时数的1/8，流体力学所开设的实验有雷诺实验、流体流动阻力的测定、离心泵性能曲线测定、流动流体能量转换实验，传热学开设的实验有自流对流换热系数的测定、法向辐射率测试，热质交换原理与设备开设的实验有表面式换热器性能参数的测定、热管换热器实验。这些实验对三传理论进行了验证，基本覆盖了理论教学的主要内容，提高了教学效果。然而，这些实践环节的教学存在缺陷。

（1）实验内容上的缺陷。相似理论在流体力学、传热学两门课程中为重要的教学内容，是体现学生创新能力的重要环节，同时也是教学难点。热质交换原理和设备课程以相似理论为主线，以动量传输、热量传输及质量传输共同构成的传输理论为基础，研究发生在建筑环境与设备中的热质交换原理及相应的设备热工计算方法。然而，现有的实验体系没有牵涉到相似理论，这对于培养创新型人才来说是一个重要缺陷。

（2）实验性质上的缺陷。这些实验在性质上基本为验证性实验，是通过实践来验证理论的正确性。这就决定了实验教学效果的缺陷。通常实验时基本上都是老师先讲解实验目的、实验设备、实验步骤和操作，然后学生在老师的指导下，按实验指导书的要求，按设定的步骤进行操作，观察实验现象，得到预期的实验现象和结果。学生记录实验数据，写出实验报告。这种实验方式对于学生理解和掌握教材的基本理论和基本概念是必要的，但对于培养学生的设计能力、创新能力是远远不够的。它使学生对实验的总体认识模糊，不能融会贯通教学和实验的整体内容，降低了学生对实验的兴趣，使学生始终处于被动地位，得不到自主发挥和运用在课堂教学中学习的专业知识，缺乏从实验设计、实验准备、实验过程到实验结果的成就感；严重地限制了学生的科学想象力、综合实验能力、自主策划能力和创造性思维能力。这种实验方式与现代人才培养模式极不相吻合，极不适应高等教育改革的发展需要。

2 “三传”实验教学体系改革

实验教学是培养学生创新能力的最重要的教学环节，也是现在比较薄弱的环节， 充分发挥作用的教学环，高质量的实验教学将为教学改革画龙点睛，教学既要改革实验教学方法与手段，又要强化学生的工程实践能力与创新能力，还要注重学生综合分析问题和解决问题的能力。因此，我们从以下3 个方面入手，进行了实验体系改革。

（1）对三门课程的教学内容进行了调整，如流体力学与传热学两门课程中相似原理方面内容重复，因此，在传热学课程教学中可以忽略基本原理部分，适当增加传热方面的相似现象内容，这样可以节约两个学时，用来增加一个热传导方面实验，使实验牵涉到传热的三种方式，覆盖了理论教学的主要内容，通过调整教学重复得内容，总共在这三门课程中调整出六个学时用于增加实验教学学时。

（2）对实验的教学方式进行了一些改革，传统的实验通常是先在课堂上学习了理论然后做实验进行验证。这种传统的实验教学方式使学生始终处于被动地位，只是通过实验去寻找符合理论的数据和结论，这违背了实验本身的意义，即通过实验来发现事物本身的规律，这样就会抑制学生的思维，不能锻炼他们探索自然规律的能力，同时也会降低他们对学习的兴趣。因此，我们改变以老师为主，讲得过多束缚学生手脚的办法，树立学生的主体作用，鼓励他们勤于思考，敢于动手。在实验过程中针对学生的遇到的问题，采用引导而不是告诉的方式让学生去解决问题。由于学生位于主体地位，因此，在实验过程中积极活跃，思维和动手能力得到了充分的发挥。另外，我们对于一些理论上并不是较为复杂教学内容和对应的实验进行调整，先让学生通过预习理论教学内容，再去做对应的实验，在实验过程中，通过现场边实验边指导，然后在课堂上对这些理论内容实验中没有体现的方面进行讲解，并实验进行总结。而对于雷诺实验的教学内容则完全在实验室进行，获得了良好的教学效果。在这些实验中我们发现，学生的求知愿望和学习兴趣空前高涨，人人积极地参与思考和动手操作，这与平时表现完全不同，而且询问指导教师的问题深度有了很大提高，实验教学气氛特别良好。当询问学生为何这次实验如此积极时，学生回答说这个实验就像网络游戏，有很大的未知性和挑战性，因此实验对此很感兴趣。通过实验报告的披阅发现实验报告的总体水平有了很大提高，一些同学在实验报告中所提出的问题显示了强烈的求知愿望。在以后的课堂提问以及期末考试发现，采用这种教学模式后，学生这部分教学内容掌握得相牢固。

（3）积极开设综合性、创新性实验。我校实验的场地较大，但投入的实验购置经费有限，因此我们积极思考，如何在实验投入不多的情况下开设一些综合性、创新性高水平的实验，提高实验教学效果。一方面，通过工程教育专业认证的机会积极申请到20 万实验建设经费；另一方面，在实验项目的建设上考虑了能为教师的科研提供方便，这样就可以获得一部分科研经费的支持。由于总的经费有限，我们自己设计了一个简单的水槽及相应控制装置，购置了一套工业摄像机以及一些简单的模型加工根据和材料。我们根据一些教师的科研方向开设实验。例如，有的教师从事建筑群的风环境模拟，我们开设了简单的风环境模拟实验。具体是要求学生在学习《建筑环境学》的基础上调查自己所熟悉的建筑群，然后通过相似原理进行实体模型设计加工，利用水和染料来模拟在风的作用下污染物在建筑群的扩散分布规律。这些综合性、创新性实验我们还开设有大空间室内气流组织实验、室内火灾烟气流动模拟实验、室内污染物扩散模拟实验。我们开设的这些实验都是成本较低且易于实现的实验。但对于学生来说却是不易，因为必须对相关的专业知识要有了解，而且要通过相似原理进行流动、传热和传质进行相似分析，才能设计出相应的模型。实验教学的具体实施办法让学生了解实验室，知道实验室有什么条件，可以做什么事情。实验室建议四个实验方向：建筑群的扩散分布规律、大空间室内气流组织实验、室内火灾烟气流动模拟实验、室内污染物扩散模拟实验，但实验模拟的对象由学生自己在选取，由于学校位于上海市中心区域，这些实验模拟对象比较好找。当然，学生也可以自己动脑筋和请教专业教师做其他的方向实验。在实验时间安排上，这些实验的完成时间为一个学期，由学生的课后时间来完成。数个学生根据自己的兴趣组成一个小团队选择一个实验方向，由相应科学研究方向的教师进行指导完成。最后根据学生在实验中的表现将实验成绩加在热质交换原理与设备课程的成绩上。

通过对几届学生问卷调查，调查结果显示，实验教学改革取得非常明显的效果。以前许多学生在课后没有学习方向，通过实验，学生了解了所学的理论知识能有什么用途，在课堂上的学习的热情有很大的提高，课后在相应的教师指导下积极搞调研，查资料，认真做实验。最后的结果是学生学习兴趣提高了，对于理论知识掌握得更加牢固，最重要的是学生能将理论知识用于实践，思维能力和动手能力得到了很好的锻炼，教师的科研项目更加顺利进行。

3 结语

通过这几年的实践，实验教学不仅提高了学生的思维能力和动手能力，更提高了他们对理论知识的掌握，这两年学生的这三门课程的成绩比以前有了很大的提高，其原因是通过实验增强了学生学习的目的性，将学生的“被动”学习转变为“主动”学习，将学生的“客体”地位转变为“主体”地位，促进学生深入学习已掌握的知识并将其用于实践中，同时提高了综合运用知识解决问题的能力。

通过综合性、创新性实验，培养了学生的合作与团队精神，强化了创新意识及创造性设计的能力。由此培养的学生既有扎实的流动、传热和传质的理论基础，又有应用性知识和背景，既有扎实的理论知识又有熟练的计算机操作技能，不但在校期间参与课题研究中已经显示出优势并做出成绩，而且毕业后在工作中同样具有较强的竞争能力。

“三传”课程实验体系改革不是为了解决实践教育的具体问题，更重要的是可以使我们进一步加强对新时期人才培养模式的认识。实践教学的加强和改革，更促进了理论教学的发展，提高了教育质量和教学水平，提高了学生的全面素质，为培养创新人才打下了坚实的基础。