車碧軒，黃敏超，李小康，王墨戈，李 健

（國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

引言

近年來，為了滿足國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新調(diào)整和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新挑戰(zhàn)對(duì)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才提出的巨大需求，支撐由“中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”和“中國(guó)創(chuàng)造”的全面產(chǎn)業(yè)升級(jí)，在教育部高等教育司的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)各大高校掀起了新工科教學(xué)改革探索熱潮。新工科建設(shè)以立德樹人為引領(lǐng)，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)模式，切實(shí)提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和整合創(chuàng)新能力，最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。

“工程熱力學(xué)”是一門從工程技術(shù)觀點(diǎn)出發(fā)，研究工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)、熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化的規(guī)律和方法，以及有效利用熱能途徑的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是能源動(dòng)力、醫(yī)療化工、航空航天、機(jī)械工程等諸多學(xué)科領(lǐng)域培養(yǎng)合格工程師的必備課程，在我國(guó)工科類專業(yè)中得到了廣泛開設(shè)。“工程熱力學(xué)”的開課時(shí)間一般在“大學(xué)物理”“高等數(shù)學(xué)”等公共基礎(chǔ)課程之后，各學(xué)科專業(yè)課程之前，是公共基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程之間的紐帶和橋梁。從教學(xué)內(nèi)容上來看，工程熱力學(xué)既包含較為抽象的概念定義、基本定律，也包含對(duì)生產(chǎn)生活中各種工程實(shí)際問題的分析與討論，具有很強(qiáng)的理論聯(lián)系實(shí)際的特點(diǎn)，對(duì)于學(xué)生工程思維、實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)至關(guān)重要。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論聯(lián)系實(shí)際的主要環(huán)節(jié)，對(duì)幫助學(xué)生鞏固課堂理論知識(shí)、掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法、鍛煉知識(shí)整合與運(yùn)用能力、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)具有重要作用。然而，受高校實(shí)驗(yàn)室保障條件相對(duì)滯后、實(shí)驗(yàn)教學(xué)重視程度不足、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革難度較大等因素的制約，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革相較于課堂教學(xué)相對(duì)滯后，目前大部分高校仍主要采用傳統(tǒng)的演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生的積極性和參與感不足，教學(xué)效果難以達(dá)到預(yù)期。

通過將傳統(tǒng)的演示、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施和改進(jìn)的全過程，突出強(qiáng)化學(xué)生中心主體地位，可有效增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。本文針對(duì)“工程熱力學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以氣體定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，探索傳統(tǒng)演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變方法，最后淺談對(duì)于開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革關(guān)鍵的理解和認(rèn)識(shí)。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

我?！肮こ虩崃W(xué)”課程目前主要面向飛行器動(dòng)力工程專業(yè)開設(shè)，含理論課30學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)課2學(xué)時(shí)。其中，理論課共分七章，分別講授緒論、基本概念和定義、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、工質(zhì)的熱力性質(zhì)、流動(dòng)過程熱力分析和化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)等內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)課則開展了可視性飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系實(shí)驗(yàn)和氣體定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)兩個(gè)分組實(shí)驗(yàn)。

以氣體定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由風(fēng)機(jī)、流量計(jì)、比熱儀主體、電功率調(diào)節(jié)及測(cè)量系統(tǒng)等組成。學(xué)生需要分別測(cè)定空氣在流量計(jì)出口的干、濕球溫度以獲得空氣的相對(duì)濕度，再測(cè)量空氣經(jīng)比熱儀前后的溫度、電熱器的輸入功率、流量和流量計(jì)出口的壓力，最后結(jié)合對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算被測(cè)氣體的定壓比熱。該實(shí)驗(yàn)涉及溫度、壓力、熱量（電功）、流量等物理量的測(cè)量，計(jì)算中還需要用到比熱及混合氣體方面的知識(shí)，總體方案涉及穩(wěn)態(tài)開口系統(tǒng)能量方程和流動(dòng)過程熱力分析等課程內(nèi)容的具體運(yùn)用，如果組織得當(dāng)，將有助于強(qiáng)化學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，具有較強(qiáng)的綜合鍛煉效果。盡管如此，在面對(duì)新工科建設(shè)對(duì)人才綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)所提出的諸多新的要求時(shí)，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式還存在以下不足。

圖1 氣體定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置示意圖［8］（P37-38）

（一）學(xué)生中心主體地位不夠突出，部分學(xué)生參與度較低

盡管已經(jīng)經(jīng)過多輪教學(xué)方法改良和實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)，并引入基于全面質(zhì)量管理體系PDCA循環(huán)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施辦法，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前仍按照教師講授—學(xué)生操作的傳統(tǒng)被動(dòng)教學(xué)模式進(jìn)行（見圖2），學(xué)生中心主體地位不夠突出。以本實(shí)驗(yàn)為例，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生更多的是實(shí)驗(yàn)流程的操作者，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書劃定的步驟開啟設(shè)備，待溫度、壓力等參數(shù)穩(wěn)定10分鐘以上后，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取；然后調(diào)整電功率，再等待下一組穩(wěn)定狀態(tài)參數(shù)的出現(xiàn)……在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，溫度、壓力的測(cè)量方法已經(jīng)固定，參數(shù)是否達(dá)到穩(wěn)定也給出了具體的判定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的現(xiàn)象也都有具體描述，對(duì)于選擇哪一種實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段，采用什么樣的實(shí)驗(yàn)整體方案，如何選擇具體參數(shù)等問題，自主選擇和研究創(chuàng)新的空間十分有限，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。此外，受設(shè)備臺(tái)套數(shù)限制，實(shí)際教學(xué)過程中一般采用分組實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行組織，部分學(xué)習(xí)主動(dòng)性較差的學(xué)生干脆直接“搭便車”，甚至抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的參與度幾乎為零。

圖2 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容缺乏高階性，知識(shí)強(qiáng)化與能力培養(yǎng)作用有限

氣體定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)在測(cè)量?jī)x器的選擇、比熱儀的保溫設(shè)計(jì)、壓力表的布置等方面的考慮本身就蘊(yùn)含了豐富的熱力學(xué)知識(shí)。完全理解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行，需要系統(tǒng)掌握狀態(tài)參數(shù)及其特性、穩(wěn)態(tài)開口系統(tǒng)能量方程、流動(dòng)滯止過程和傳熱學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。盡管各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都能涉及多個(gè)理論知識(shí)模塊，但學(xué)生在具體實(shí)驗(yàn)過程往往只會(huì)關(guān)注實(shí)驗(yàn)中的主體任務(wù)，對(duì)于相關(guān)的基礎(chǔ)性知識(shí)則直接略過。對(duì)于掌握較好的學(xué)生，只要嚴(yán)格遵循實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按部就班便能順利完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟相對(duì)固定、缺乏挑戰(zhàn)性；對(duì)于掌握較差的學(xué)生，又容易出現(xiàn)儀器設(shè)備操作失誤、讀表錯(cuò)誤、實(shí)驗(yàn)條件控制不佳等問題，難以獲得預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。學(xué)生在開展實(shí)驗(yàn)前的知識(shí)能力儲(chǔ)備不足，實(shí)驗(yàn)本身的難度又相對(duì)較低，實(shí)驗(yàn)所能達(dá)到的訓(xùn)練效果就變得十分有限。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)流程對(duì)于學(xué)生深入思考的調(diào)動(dòng)不足，實(shí)驗(yàn)對(duì)于理論知識(shí)的強(qiáng)化作用并不明顯，甚至有學(xué)生反映，由于不理解時(shí)間過程的操作細(xì)節(jié)，實(shí)驗(yàn)之后對(duì)于相關(guān)的理論知識(shí)反而更加困惑。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式較為單一，師生之間和學(xué)生內(nèi)部交流互動(dòng)不足

目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然按照課前預(yù)習(xí)、教師講授、分組實(shí)施、報(bào)告撰寫的傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)步驟相對(duì)固定，學(xué)生之間相互討論和向教師提問的內(nèi)在動(dòng)力不足。此外，受高等院校課時(shí)壓縮的外部趨勢(shì)影響，學(xué)生需要在短短兩個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)完成可視性飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系實(shí)驗(yàn)與氣體定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較為緊張。為按時(shí)下課，學(xué)生往往不假思考地照著實(shí)驗(yàn)流程匆忙完成實(shí)驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)不合理現(xiàn)象時(shí)也傾向于通過更換實(shí)驗(yàn)設(shè)備、找同學(xué)代做、索要同學(xué)數(shù)據(jù)等方式解決問題，很少有時(shí)間進(jìn)行深入細(xì)致的討論。同時(shí)，按照本門課程的教學(xué)進(jìn)度安排，實(shí)驗(yàn)課往往在理論知識(shí)學(xué)習(xí)完成后的最后幾堂課進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后課程教學(xué)也隨即結(jié)束，生生、師生間圍繞實(shí)驗(yàn)結(jié)果再做進(jìn)一步溝通交流的機(jī)會(huì)都十分有限。

（四）實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)相對(duì)落后，與學(xué)科發(fā)展前沿聯(lián)系不緊密

近年來能源動(dòng)力和實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)取得快速發(fā)展。課堂教學(xué)環(huán)節(jié)可以通過引入各類教學(xué)案例和補(bǔ)充相關(guān)教學(xué)內(nèi)容及時(shí)跟進(jìn)，而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，受實(shí)驗(yàn)硬件開發(fā)周期限制，一直未能做到與時(shí)俱進(jìn)。以本實(shí)驗(yàn)為例，采用腰輪流量計(jì)測(cè)量空氣流量，采用干濕球溫度計(jì)獲得空氣相對(duì)濕度，這些方法不僅技術(shù)落后、精度較差，操作還較為不便，學(xué)生在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)容易出現(xiàn)失誤。行業(yè)內(nèi)部早已使用更加方便智能的流量計(jì)和濕度計(jì)產(chǎn)品，如果不能與行業(yè)熱點(diǎn)技術(shù)和未來發(fā)展趨勢(shì)結(jié)合，那么在培養(yǎng)學(xué)生與時(shí)俱進(jìn)的工程應(yīng)用能力時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)將顯得力不從心。

二、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式?jīng)]有跳出驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)范疇，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方案已經(jīng)固定，部分實(shí)驗(yàn)甚至連參數(shù)范圍也已經(jīng)確定，學(xué)生需要做的僅僅是按照實(shí)驗(yàn)說明復(fù)現(xiàn)教材中的現(xiàn)象和規(guī)律。前文分析已經(jīng)指出，以氣體定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)為代表的現(xiàn)有各類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目本身已具有較強(qiáng)的綜合性，通過將現(xiàn)有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改造轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，能夠以較低成本有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以采用基于問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法（PBL）的教學(xué)模式，按照如圖3所示的四個(gè)階段的順序推進(jìn)，即實(shí)驗(yàn)任務(wù)導(dǎo)入、知識(shí)學(xué)習(xí)與技能儲(chǔ)備、總體方案制定與實(shí)施、評(píng)價(jià)與改進(jìn)，下面以氣體定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，淺談各個(gè)階段的具體實(shí)施方法和注意事項(xiàng)。

圖3 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施步驟

（一）第一階段，實(shí)驗(yàn)任務(wù)導(dǎo)入

在課程進(jìn)度前期的適當(dāng)節(jié)點(diǎn)，比如第二章《基本概念和定義》完成之后開始實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的導(dǎo)入工作，向?qū)W生詳細(xì)闡述實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并將試驗(yàn)任務(wù)拆分為多個(gè)具體的子問題，引導(dǎo)學(xué)生確定完成任務(wù)所需要的知識(shí)點(diǎn)，它們分別分屬哪幾個(gè)章節(jié)。以本實(shí)驗(yàn)為例，為實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體定壓比熱的測(cè)定，需要完成溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量，以及加熱量（或電功率）等過程量的測(cè)量，還要考慮環(huán)境散熱、水蒸氣雜質(zhì)等各種因素帶來的干擾。所涉及的知識(shí)點(diǎn)主要包括狀態(tài)參數(shù)的定義與測(cè)量、能量平衡、開口系統(tǒng)能量方程、混合氣體等教學(xué)內(nèi)容，分散在課程的第二、第三和第五章。在這一階段，強(qiáng)調(diào)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性，注意知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的梳理，讓學(xué)生明白解決某一子問題所需要的知識(shí)點(diǎn)在整個(gè)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的位置，做到心中有全局。

（二）第二階段，知識(shí)學(xué)習(xí)與技能儲(chǔ)備

完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的問題拆分與關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)的確定工作后，學(xué)生帶著問題投入課程理論知識(shí)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程伴隨課程進(jìn)度推進(jìn)。當(dāng)解決某個(gè)子問題所需的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)講授完成后，便可通過課堂討論或課后作業(yè)的形式，讓學(xué)生思考該子問題的解決方法，再通過教員評(píng)審或分組討論等形式，對(duì)學(xué)生所提出的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)和改進(jìn)。在這一階段，需要注意知識(shí)的基礎(chǔ)性，幫助學(xué)生理解各種實(shí)驗(yàn)手段的原理，掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能，是整個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)。以本實(shí)驗(yàn)中涉及的壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量為例，應(yīng)重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生了解各類傳感器的原理和特點(diǎn)，學(xué)會(huì)根據(jù)具體問題選擇不同的傳感器型號(hào)。

（三）第三階段，總體方案制定與實(shí)施

在完成理論知識(shí)學(xué)習(xí)和基本技能儲(chǔ)備之后，便可以開展實(shí)驗(yàn)總體方案的制定與實(shí)施工作。這一過程注意突出對(duì)學(xué)生訓(xùn)練的綜合性，引導(dǎo)學(xué)生梳理各個(gè)子問題之間的聯(lián)系，整合前期學(xué)習(xí)的碎片化知識(shí)與技能，以小組為單位形成可行的實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案?？紤]到實(shí)驗(yàn)室自身的條件限制，教師可以先給出部分儀器設(shè)備的備選清單，讓學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。隨后，由教師對(duì)學(xué)生提出的方案進(jìn)行指導(dǎo)和遴選，確定2～3個(gè)具體可行的方案。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有條件開展前期準(zhǔn)備工作，指導(dǎo)學(xué)生采購(gòu)所缺設(shè)備器材、搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。最后，學(xué)生按照自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)流程和實(shí)驗(yàn)參數(shù)完成實(shí)驗(yàn)，形成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告和結(jié)果報(bào)告。

（四）第四階段，評(píng)價(jià)與改進(jìn)

學(xué)生對(duì)各自的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分組匯報(bào)，通過學(xué)生互評(píng)和師生互評(píng)等方式對(duì)實(shí)驗(yàn)方案和教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)，討論改進(jìn)措施。這一過程注意鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新性和批判性。對(duì)不同小組的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，總結(jié)效果好的經(jīng)驗(yàn)，分析效果差的原因，討論誤差的來源和可能的改進(jìn)方向。對(duì)于具有突出創(chuàng)新性和取得較好實(shí)驗(yàn)效果的實(shí)驗(yàn)方案，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入挖掘，結(jié)合目前行業(yè)新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，幫助實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身持續(xù)改進(jìn)。

通過以上步驟完成傳統(tǒng)演示和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目本身可以在一定程度上代替課程原有的綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目，從而在不增加學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)的情況下，同步提升理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)“減負(fù)增效”，其具體優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在：（1）學(xué)生中心主體地位得到突出強(qiáng)化，學(xué)生由傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的跟隨者、模仿者，轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)者、實(shí)施者，甚至是教學(xué)行為本身的改良者，其參與感和成就感將得到顯著提升，學(xué)習(xí)積極性更高；（2）綜合實(shí)驗(yàn)任務(wù)被拆分為多個(gè)子問題，學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，學(xué)習(xí)目的更加明確，學(xué)到的知識(shí)最后又被運(yùn)用于具體問題的解決，理論聯(lián)系實(shí)際特色鮮明；（3）圍繞實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)相關(guān)的各項(xiàng)子問題，從課程初期到課程最后，教師和學(xué)生之間、學(xué)生和學(xué)生之間需要開展反復(fù)多次、不同形式的溝通交流，互動(dòng)性得到大幅加強(qiáng)；（4）學(xué)生在知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)、子問題方案探討、實(shí)驗(yàn)總體方案綜合設(shè)計(jì)等過程中引入的新方法、新技術(shù)，可以幫助教師對(duì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法本身進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，達(dá)到師生互利效果。

三、開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的要點(diǎn)

開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革除教學(xué)過程本身的轉(zhuǎn)變以外，還需要在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、軟硬件條件、評(píng)價(jià)考核體系、師資力量等多個(gè)方面進(jìn)行持續(xù)創(chuàng)新與完善，形成有效托舉綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程教學(xué)體系。

（一）統(tǒng)籌設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

相較于傳統(tǒng)演示和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度更長(zhǎng)，對(duì)學(xué)生的要求更高，一門課程最多設(shè)置1～2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目即可。在有限數(shù)量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的最大化，就需要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。本文僅淺談了對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的改革方案，未來在有條件的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)專門的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)圍繞教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)，覆蓋盡可能多的課程知識(shí)維度，成為課程教學(xué)的有機(jī)組成部分；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)任務(wù)還要充分考慮實(shí)驗(yàn)的可行性和可操作性，實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)該具有多樣性和開放性，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)預(yù)判可能出現(xiàn)的各類問題，確保大部分學(xué)生能達(dá)到預(yù)期的訓(xùn)練效果。

（二）優(yōu)化豐富教學(xué)方法和手段

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心關(guān)鍵是不斷強(qiáng)化學(xué)生的中心主體地位，教師應(yīng)采用諸如翻轉(zhuǎn)課堂、討論課、情景教學(xué)等多種教學(xué)方法，吸引學(xué)生全身心地投入實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。同時(shí)，還應(yīng)嘗試先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段以進(jìn)一步提高教學(xué)效果。在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段的學(xué)習(xí)過程中，可以利用MOOC線上教學(xué)平臺(tái)，將傳感器、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等相關(guān)內(nèi)容以短視頻的形式發(fā)布，學(xué)生利用碎片化時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而在時(shí)間和空間上有效拓展課堂教學(xué)維度。在實(shí)驗(yàn)總體方案設(shè)計(jì)階段，教師可以利用Fluent、Ansys、COMSOL數(shù)值仿真軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的流動(dòng)過程、熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行仿真分析，幫助學(xué)生檢驗(yàn)方案的可行性，同時(shí)讓學(xué)生理解和掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，加深對(duì)抽象物理過程的理解認(rèn)識(shí)。

（三）持續(xù)改善實(shí)驗(yàn)保障條件

開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)室具有更加全面充分的保障能力。首先，為滿足知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)和能力儲(chǔ)備階段對(duì)各類基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)設(shè)備的教學(xué)需求，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)當(dāng)儲(chǔ)備一定數(shù)量種類豐富、功能齊全的傳感器和常用元器件；其次，考慮到學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的差異性，實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)當(dāng)具有模塊化、可拆分的特點(diǎn)，可以便于根據(jù)學(xué)生所提出的方案進(jìn)行組合、替換和改造；最后，實(shí)驗(yàn)設(shè)備還必須考慮學(xué)生實(shí)踐探索過程中必然存在的誤操作和損耗等問題，具備可靠性高、質(zhì)量好、參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣、臺(tái)套數(shù)多等特點(diǎn)。

（四）適當(dāng)重塑評(píng)價(jià)考核體系

目前，學(xué)生的成績(jī)構(gòu)成一般由期末考試（70%）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（10%）、大作業(yè)（10%）、平時(shí)成績(jī)（10%）四部分組成，由于實(shí)驗(yàn)成績(jī)占比較低、實(shí)驗(yàn)完成難度較小，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重視不夠。開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)本身完全可以代替大作業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生綜合能力的訓(xùn)練；同時(shí)，由實(shí)驗(yàn)任務(wù)拆分出來的各項(xiàng)子問題，也能充分考核學(xué)生的平時(shí)學(xué)習(xí)情況。因此，為激發(fā)學(xué)生參與綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)過程的主動(dòng)性，可以適當(dāng)重塑現(xiàn)有評(píng)價(jià)考核體系，將實(shí)驗(yàn)報(bào)告、大作業(yè)、平時(shí)成績(jī)并入綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)考核打分，并適當(dāng)提高其分值比例。在評(píng)價(jià)過程中，建立分階段、全過程的效果評(píng)定方式，杜絕“搭便車”“抱大腿”現(xiàn)象，確保綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對(duì)每一名學(xué)員的訓(xùn)練效果。

（五）不斷提高教師自身素質(zhì)

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)顛覆了傳統(tǒng)演示和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相對(duì)固定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)教師的知識(shí)儲(chǔ)備、工程素養(yǎng)和教學(xué)能力提出了更高要求。為了能夠指導(dǎo)學(xué)生處理從互聯(lián)網(wǎng)等途徑獲取的各類龐雜信息，教師必須在對(duì)本門課程內(nèi)容深刻理解的基礎(chǔ)上，積極拓寬相關(guān)學(xué)科知識(shí)廣度，時(shí)刻緊跟學(xué)科發(fā)展前沿；為了能夠更好地指導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，教師在注重充實(shí)自身理論知識(shí)的同時(shí)，還應(yīng)多參與行業(yè)相關(guān)的工程實(shí)踐，加強(qiáng)與企業(yè)的聯(lián)系，向一線工程師學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)心得；最后，教師必須圍繞教學(xué)工作不斷豐富自身教學(xué)技能，持續(xù)跟蹤國(guó)內(nèi)外先進(jìn)教學(xué)改革方向，創(chuàng)新教學(xué)模式，提高業(yè)務(wù)能力。

結(jié)語

“工程熱力學(xué)”作為一門重要的工科專業(yè)基礎(chǔ)課程，因其顯著的理論聯(lián)系實(shí)踐特色和哲學(xué)思辨特色，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維意識(shí)具有重要作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為工程熱力學(xué)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，其傳統(tǒng)的演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已經(jīng)難以滿足新工科建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)提出的新要求。圍繞新工科建設(shè)背景，本文系統(tǒng)梳理了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的不足，探討了由演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施步驟，并圍繞綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的需求特點(diǎn)，總結(jié)了開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的幾個(gè)要點(diǎn)。相關(guān)內(nèi)容可為本門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供一定參考。