0 引 言

作为首批国家试点学院,我院将创新型人才作为人才培养的目标,注重学生的综合素质培养,实现人才培养模式从知识传授向能力培养的转变^[1-2]。自2012年起,学院借鉴美国高校工程教育运行模式^[3-9],逐步完成对机械工程与能源动力课程体系的改革突破,加强课程的实践教学。一方面变传统的基础性验证性实验为综合创新性实验,另一方面引入“项目式”的教学组织方式。该教学过程注重学生的创新意识、知识与技术集成能力、交流沟通能力、团队合作能力的培养。在实践教学过程中,采用以“学生为中心”“教师多引导”的方式,给学生提供充分的思考空间和实践空间,从而激发了学生的主观创造思维,培养了学生的创新能力^[10-12]。

传热学是我院学生的专业必修课,它是一门基于实践的学科,实验研究是最基本的研究方法,而且它与各工程领域关系密切,实践性极强。作为本次改革的重要对象,自2012年起,已逐步完成相关的实验教学改革。实践证明,改革后的实践教学能真实地提高学生的综合素质、创新实践能力,激发学生的兴趣。

1 传统实验教学的不足

传热学传统的实验教学通常是根据教学大纲、教学计划制定实验内容,编写相应的实验指导书,实验老师讲授并一步步进行示范,学生再模仿操作来进行实践练习的。这种教学模式虽然一定程度上锻炼了学生的动手能力,但显然该方式束缚了学生的主观能动性与创新思维的发挥。传统实验教学存在的不足之处具体如下^[13-15]:

(1) 仪器设备产品化。传统的教学实验设备往往是从教学仪器公司直接购买或自主研发的产品,这种产品化的设备,其功能相对独立、单一,操作性简单,学生只需操作几个按键便可轻松得出数据,既不利于学生对理论知识的掌握,也无法给学生提供发挥自主能动性的空间,教师也很难在教学方式上进行教与学的互动。

(2) 实验内容缺乏综合性。传统实验以基础性实验居多,内容简单,单个实验的知识点较少。而且由于设备的产品化程度高,功能单一,很难在一个实验中对多个知识点进行融合。然而在实际中遇到的问题往往是综合的、复杂的,因此更需要综合性的实验内容,让学生综合课程中的多个知识点去分析解决问题,从而培养出实际解决问题的综合能力。

(3) 教学方法落后。传统的实验教学仍然是以“知识传授”为主,先由老师讲解和演示,然后,学生按老师的讲解,根据指导书上的操作步骤进行操作即可完成实验。学生缺少独立思考和实践的空间,缺少交流、讨论的机会,学生的主观能动性很难发挥。这样的教学方法影响了学生的实验兴趣、磨灭了学生的自主创新意识,限制了学生探究能力和创新能力的发展。

传统实验教学中的不足之处是相互关联的。要想得到根本性的改变,我们必须从实验内容、教学方法和仪器设备上全方位改变,建立全新的实践教学模式,重视学生的自主创新,加强综合素质的培养。

2 新型的实践教学模式

2012年,我院对传热学课程进行了全面改革,改革不仅体现在增加实践教学时间上,还体现在实践教学模式上,即打破传统的讲授+示范实验模式,实施开放性的综合实验教学模式+课程项目教学模式。新型的实践教学对学生更具吸引力,充分发挥了学生的学习主动性,切实提高了学生的动手实践能力和分析解决问题的能力,培养了学生的创新意识和综合素质。

2.1 综合实验教学模式

“传热学”课程的教学实验主要包括4个,见表1。

1个基础性实验+3个综合性实验构成了“传热学”综合实验教学的主要模块。“热电偶的制作和校验”简单、基础,却很有必要。热电偶是一种最为常用、制作最方便、测量精度也较高的温度测量工具。通过该实验,学生掌握了热电偶的制作和校验方法,可根据需要做任意数量和多种类型的热电偶用于后续实验自主创新,即经济又实惠,还锻炼了学生的动手能力。

传热综合实验是教学实验的主体组成部分。它全面涵盖了热传导、热对流和热辐射3种基本的热传递方式,实验内容基础,却不乏综合创新性。现以自然对流和强制对流特性实验为例进行说明,该实验的主要目的是学习横置圆柱与周围空气之间的自然对流换热与强制对流换热特性,理解对流换热系数的计算和非稳态导热过程的特点。重点考察的问题如下:①通过实验测量确定平均对流换热系数;②非稳态能量平衡,考察集中参数法是否适用于实验条件下的非稳态导热;③风速对平均对流换热系数的影响;④自然对流与强制对流换热的无量纲参数表征;⑤采用标准关联式计算平均对流换热系数。该实验准备了8个问题供学生思考和解答,包括对实验现象的观察理解、实验数据的处理分析,以及与书中经验公式的比较等。通过该实验,学生能较全面的掌握对流传热的理论基础和实验关联式,既巩固了理论课的教学效果,又锻炼了学生的实践能力。

在实验教学方式上,我们抛弃“步骤化”教学方式,注重学生实验探索能力的培养,以学生为主导,营造一个宽松的实验环境,鼓励学生独立思考、勤于动手,发挥自主能动性。在实验教学过程中,教师只是给出实验的基本目标,讲解设备仪器的使用方法和操作规范,而在实验设计和操作步骤上给予学生充分的自主和创新空间,例如材料的选用、热电偶的布置等等。学有余力的学生还可以在完成基本的实验目标后,进一步拓展和深入。实验涉及的知识点很多,在内容上实现了综合性,在设计方法上又体现了学生的自主创新性。

通过综合实验的锻炼,学生加深了对基础知识的理解和应用,掌握了基本的实验技能,提高了动手实践能力,同时激发了创新意识,培养了交流沟通合作能力。这些都为下一步的课程项目打下坚实的基础。

2.2 课程项目教学模式

伴随着理论课的学习,综合教学实验也相继结束,学生的实践能力得到了提高,于是,更高的要求提出来——设计并执行课程项目。项目教学最显著的特点是“以项目为主线、教师为主导、学生为主体”,改变了以往“教师讲,学生听”被动的教学模式,创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式。在教学实施过程中重点考虑如何发挥教师的指导作用,如何发挥学生的主体作用,如何让学生在完成项目的过程中达到教学目标的要求。课程项目的目标是提高学生理论联系实际的能力和独立科研的能力,培养学生的科研兴趣。课程项目在整个课程教学中所占比重很大(25%),学生非常重视。

项目的题目和要求,通常由任课老师来制定,任课教师从工程实践中提炼问题,根据学生的专业基础将之转变为课程实践项目,同时鼓励学生自拟课题,但需经任课老师认可;项目采用团队合作方式进行,学生自由组合,4或5名学生为一小组,各组课题不同;课题确定后,学生便开始进行市场调研、概念设计、详细设计、样机制作与测试、技术经济分析等,在这一系列教学环节中,体验实际工程中产品开发的各个环节;最后,各小组提交项目报告,进行项目成果展示和答辩,接受教师和专家的评审考核;最终,任课教师会根据报告内容和答辩情况给出课程项目的成绩。

课程项目教学模式给学生提供了良好的科创平台,在解决实际工程问题过程中,学生的创新意识和综合工程能力得到较快提升,学生的科研兴趣也由此被调动,一些学生会以课程项目为基础,进一步拓展和深入研究,参加校内外的各项科创比赛,如大学生创新实践项目、节能减排大赛等。从此,“传热学”不再是纸上谈兵。“项目式”教学模式获得了广大师生的肯定和好评。

3 基础平台和学习工厂

实验的综合性和灵活性决定了教学实验平台的性质。以往的实验台是成套的成熟设备,学生看不到内部结构,对测量机理无法深入理解,而且,仪器的用途单一,无法满足学生实验的综合创新性。改革后的实验平台是一个个基础性的操作平台,包含风洞、加热平台、水循环系统、先进的NI数据采集系统等必备的仪器设备,以及风速仪、流量计、万用表等基本的测量仪表。实验对象也具有多样性,以供学生自主选择。

课程项目则更需要开放型、创新性平台作为支持。我院教学实验中心在教学实验平台的基础上配备了相对齐全的热动类实验系统和先进的测量仪器以满足学生的个性化需求。另外,学院借鉴美国密西根大学、普渡大学及宾州州立大学等类似的学生学习车间或工厂模式,在我院教学实验中心建设了产学合作基地——“学习工厂”,向学生提供学习加工车间以完成产品设计模型制造。“学习工厂”由“通用实践平台”和“精密测试与加工平台”组成,如图1所示。可覆盖本科生的科创、企业产学合作的需求。在专业教师指导下,学生通过自主使用各类加工设备完成设计模型。

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图1   学习工厂

   

基本实验平台建设和学习工厂的建设,为实践教学改革奠定了坚实的基础,是学生开展自主创新实验,进行开放式学习实践的保障。

4 结 语

此次的实践教学改革在内容和形式上都取得了全方位的突破。改革后的传热学实验教学不但增加了基础实践课程的深度、广度、自由度,增强了其综合性和创新性,还引入“项目式”教学模式,将课程实践项目和社会需求紧密结合,以项目为中心,通过解决实际问题锻炼学生的专业能力、探究能力以及其他能力。在教学方式上,则是以学生为中心,把传统的灌输式学习转变为探索式学习,构建了开放的学习环节,为学生提供获取知识的多种渠道。实践证明,该教学实践改革的效果是显著的,在这种以培养创新人才为目标,注重能力培养和综合素质培养的人才培养的模式下,学生的专业素质、综合能力和创新意识都获得了普遍提高。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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