摘要：专业基础课中的实验教学对于抽象概念和理论的理解非常重要，是培养大学生的创新意识和探索能力的重要环节。本文以专业基础课中传统实验教学为基础，以构建综合性实验教学和开放实验室的建设为目标，说明演示性实验和仿真实验是对现有实验条件不足的有力补充。
关键词：专业基础课；演示性实验；综合性实验；开发实验室；仿真实验
一、实验教学在专业基础课中的地位及重要性
实验是科学探索的先导。大学生通过基本实验教学能掌握基本的实验技能，能深入理解专业基础课中的基本理论知识。实验教学是培养大学生专业领域创新意识和探索能力不可替代的手段。实验教学已被列为实现创新人才培养目标的重要教学环节。热能工程、建筑环境与设备工程等专业的专业基础课包括工程热力学、传热学和工程流体力学。它们普遍存在概念多、理论抽象、公式繁杂等问题，有必要通过实验环节加强教学方面的理解。本文从专业基础课的基础实验出发，在原有实验教学体系的基础上，对专业课程的实验室建设和教学改革提出一些构想。
二、能源动力类专业的实验教学体系基础
《工程热力学》、《工程流体力学》和《传热学》三门课程的实验是能源动力类专业最为重要的专业基础课程，一般包括：①换热器温差传热做功能力损失测定；②水的沸腾过程及其P-T汽化曲线测定；③喷管流动特性实验；④压缩机效率测定实验；⑤制冷循环性能系数ε测定；⑥冷却塔性能测试实验；⑦CO2超临界P-V-T实验测定；⑧空气的比热容的测定；⑨管道内雷诺实验；⑩能量方程（伯努利方程）实验等。
1.基础实验的作用。河北工业大学能源与环境工程学院热能工程专业为了充分发挥实验教学的功能，在实验课上引导和培养学生的实验技能及动手能力，理清实验课教学与专业基础理论课程的关系，要求学生以严谨求实的态度、以科学创新意识积极动手完成实验，让学生理解实验课中实验现象与教学理论的关系、实验现象得出的结论在理论教学中的作用以及现象与理论的过渡过程等，以期通过实验教学环节达到理解抽象理论和概念的目标。首先是基本测量仪器仪表以及测量系统的使用，包括温度、液位、流量、湿度、流速等基本热工参数的测量，目的是使学生了解和掌握基本物性参数中测量的基本原理与方法。指导教师在定压条件下帮助学生完成空气比热的测量实验、金属热导率等基本实验教学，让学生通过这些实验过程理解物质属性的测量方法，并在理论教学上逐步进行专业基础课的其他相关实验。
2.演示性实验在教学中的重要地位。在经费条件有限的情况下，演示性和验证性实验可以填充实验教学中的部分不足。演示性实验通过直观视觉反映抽象的概念或理论，对于学生理解抽象概念，印证基本理论有较大帮助，既可以达到巩固课堂上所学内容的目的，又可以使学生初步熟悉各种仪器设备及其操作规程。比如工程热力学课程是热能工程、建筑环境与设备等专业非常重要的专业基础课之一。它对后续专业课程的学习起着至关重要的作用。这是其本身知识体系所决定的。我们知道热力学理论是从热能与机械能相互转换的实践中发展起来的，主要内容围绕热与功转换。其中动力循环部分，有较多的抽象的概念，例如热力学第二定律，开尔文说：“不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机”。该定律用实验验证非常困难，而用仿真实验则比较容易做到。水的定压加热过程实验，包括水的一点（三相点）、二线（饱和水线、饱和蒸汽线）、三区（过冷水区、汽水两相共存区、过热蒸汽区）、五态（过冷水、饱和水、湿蒸汽、饱和蒸汽和过热蒸汽），加入动画仿真，学生就很容易掌握水蒸汽的热力性质。热力过程和热力循环中一些内容也可以加入动画仿真，在教学上引导学生自主分析，从而提高其对知识的理解和对知识的感受能力。工程流体力学可以进行自然循环静压传递扬水演示实验水流流动形态及绕流演示实验、流谱演示实验、水击现象演示实验、虹吸原理演示实验、空化机理演示实验、紊动机理演示实验等。
3.仿真实验室的建设和健全。仿真实验室可以利用动画软件进行研究演示，在节约财力的基础上，能部分达到学生理解实验的目的，特别是大型复杂实验。相关的例子如《工程热力学》锅炉中工质水的定压加热过程，由过冷水加热到饱和水、到饱和蒸汽、再到过热蒸汽的过程涉及复杂烦琐的计算，若通过计算机编程技术来计算此过程，不仅可提高计算效率，还可锻炼学生把编程技术用于工程计算的能力。《水和水蒸气热力性质图表》和《空气热力性质图表》等这些传统图表，通过编写程序的方法使用，可有效降低出错的可能性。现在很多设计和科研部门已采用一些工具软件。有一些工具软件使用的项目，可以借鉴其他高校正在进行的火电机组仿真实验室的建设和健全。模拟实验项目有200MW和300MW火电机组的全过程，包括锅炉启动前的准备：制粉系统首先投入运行，锅炉给水系统相继打开，引风系统相继作用，系统点火，空气预热器配风，相应参数维持到正常运行状态，汽轮机开始正常冲转、加负荷、并网等，给水三冲量控制投入，炉膛壁温的检测等环节的实施。让学生通过仿真实验加深对锅炉机组、汽轮机机组等主辅设备系统组成和运行原理的认识和理解；通过仿真实验来理解热力发电厂中锅炉给水控制、给煤控制和蒸汽控制系统的基本功能、组成和操作方法；通过模拟实际操作，对现代大型火力发电机组的运行方式进行比较深入的认识，同时对火电机组仿真技术有了一定的了解。学生通过对不同容量火电机组的全工况仿真运行实践，不仅可以提高动手能力，而且深入理解专业知识，也增加了专业自信。
4.综合性实验教学和开放实验室。逐步建立综合性实验教学和开放实验室是实验教学的重要环节。综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与之相关课程的实验。为了进一步拓展学生的实验领域和实验技能，我们以专业基础课的理论指导开拓综合性实验，在有限物力及财力的条件下，通过自行研制设计开发新的实验内容，在现有设备和热工系统的基础上改造原有设备和系统，开发研制具有新功能的系统。例如，在换热器实验台上，把原来的换热管改成热管等项目；在利用太阳能集热器加热水的系统中，改造其成为小型溴化锂制冷系统中蒸汽发生器中的热源。在条件允许的情况下，可组织学生设计和安排实验的基础平台，以激发学生在此方面学习的积极性和探索精神的热情。目前正在做不同管道（螺纹管、波纹管等）的换热器的传热性能的研发，就让学生感受到了自主学习和探索的乐趣。我们在开展创新层次实践平台的构建，培养学生独立思考和创新能力方面还需要很多设想，要不断地将其付诸实现，需要不断的探索和努力。
依据热能工程和建筑环境与设备专业基础课的特点和需求，提出专业基础课中实验教学在优化理论课程中的重要地位，并使专业基础实验教学项目和教学手段，在教学中得到一体化的建设和整合，可以通过分阶段、有重点、分项目地安排实验教学课程，将传统的把工程流体力学、工程热力学和传热学的实验教学分割开来的实验教学整合为四个阶段的实验教学环境，在不同阶段有计划系统地培养和训练学生，不断提高教学效果。高等学校的根本任务是培养人才，无论高素质的工程技术人才还是具有科学探索精神的科技人才都离不开高素质的师资队伍和科学先进的教学理念以及过硬的实验教学方法和手段。
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基金项目：河北工业大学校级教学改革项目