羅清海 柳建祥 熊 軍

南華大學(xué) 湖南衡陽 421001

☆現(xiàn)代教育技術(shù)與裝備☆

信息和多媒體技術(shù)與傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合

羅清海 柳建祥 熊 軍

南華大學(xué) 湖南衡陽 421001

信息和多媒體技術(shù)日益成為必須的現(xiàn)代工程教學(xué)手段，本文分析了信息和多媒體技術(shù)與傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的意義，總結(jié)了應(yīng)用的方式，包括模擬演示、數(shù)字實(shí)驗(yàn)、資源共享等。優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，既要發(fā)揮教師主導(dǎo)作用，又要突出學(xué)生主體地位，模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該相輔相成，相得益彰。

信息和多媒體技術(shù)；傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；探索能力培養(yǎng)

信息和多媒體技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代教學(xué)模式奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為優(yōu)秀教學(xué)模式的實(shí)施創(chuàng)造了條件，但其應(yīng)用效果也受諸多因素的制約。傳熱學(xué)研究熱量傳遞過程及其規(guī)律，是眾多工程類專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。傳熱學(xué)的發(fā)展及其與其它學(xué)科的結(jié)合、滲透，直接推動(dòng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展。傳熱學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量在很大程度上決定了傳熱學(xué)教學(xué)的效果。信息和多媒體技術(shù)與傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合，對(duì)于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)手段多樣化和現(xiàn)代化，培養(yǎng)學(xué)生探索精神有十分積極的意義。

一、信息和多媒體技術(shù)與傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的意義

信息和多媒體技術(shù)日益成為必須的現(xiàn)代工程教學(xué)手段。

1.連續(xù)擴(kuò)招形勢(shì)下，高校教育資源出現(xiàn)嚴(yán)重短缺的局面，信息和多媒體技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合，可以降低對(duì)實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備的依賴性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間、空間安排的靈活性。

2.信息和多媒體技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合，可加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與社會(huì)、生活和工程之間的聯(lián)系，信息和多媒體技術(shù)的交互性和超文本鏈接優(yōu)勢(shì)，又為“師生互動(dòng)”提供了可靠的保證。

3.借助現(xiàn)代信息和多媒體技術(shù)可以跟蹤現(xiàn)代科技進(jìn)步，領(lǐng)略全球范圍內(nèi)的現(xiàn)代傳熱學(xué)研究進(jìn)展及其工程應(yīng)用的最新成就，把握傳熱學(xué)的發(fā)展方向及其研究熱點(diǎn)。

4.借助現(xiàn)代信息和多媒體技術(shù)，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)可以形象展示動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流機(jī)理等抽象概念，有助于學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)本質(zhì)和規(guī)律的理解。

5.借助現(xiàn)代信息和多媒體技術(shù)，數(shù)字信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(Digital Information System Laboratory-DISLab)提高實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化程度，減少實(shí)驗(yàn)人因誤差，有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

6.借助現(xiàn)代信息和多媒體技術(shù)，可以建立跨專業(yè)、跨學(xué)校的課程聯(lián)盟，組建基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳熱學(xué)課程論壇，實(shí)現(xiàn)傳熱學(xué)教育教學(xué)資源共享。

二、信息和多媒體技術(shù)在傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

信息和多媒體技術(shù)與傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合，在實(shí)驗(yàn)的不同環(huán)節(jié)，發(fā)揮獨(dú)特的作用。

1.信息和多媒體技術(shù)作為模擬演示工具

實(shí)驗(yàn)課不僅要讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)規(guī)范要求下完成實(shí)驗(yàn)步驟，重要的是要通過實(shí)驗(yàn)過程的觀察，加深對(duì)相關(guān)概念和規(guī)律的理解。信息和多媒體技術(shù)作為演示的工具，可使靜態(tài)事物動(dòng)態(tài)化、微觀現(xiàn)象可視化、抽象知識(shí)形象化。熱傳導(dǎo)模擬演示如圖1所示。

圖1 熱傳導(dǎo)模擬演示

對(duì)于工程技術(shù)中遇到的許多幾何形狀復(fù)雜的導(dǎo)熱問題，由于數(shù)學(xué)上的困難，目前還無法得到其分析解。在近幾十年中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)物理問題進(jìn)行離散求解的數(shù)值方法得到日益廣泛地應(yīng)用，數(shù)值傳熱學(xué)已經(jīng)成為求解復(fù)雜傳熱問題，特別是非穩(wěn)態(tài)傳熱問題求解的最重要途徑。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)可以直觀演示非穩(wěn)態(tài)傳熱過程中物體內(nèi)部的溫度分布特性及其變化過程(如圖2所示)，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)根本無法展示。

圖2 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

對(duì)流換熱是熱量傳遞的基本方式之一，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程只能反映對(duì)流換熱的實(shí)際效果，學(xué)生對(duì)對(duì)流換熱的本質(zhì)和規(guī)律理解困難。借助信息和多媒體技術(shù)就可模擬演示對(duì)流換熱過程中溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化過程，并可選擇性地重復(fù)觀察邊界層的變化，有利于學(xué)生建立完整的對(duì)流換熱的物理圖景。對(duì)流傳熱傳質(zhì)邊界層如圖3所示。

圖3 對(duì)流傳熱傳質(zhì)邊界層

借助仿真模擬技術(shù)，還可以演示常規(guī)設(shè)施難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行物理過程的動(dòng)態(tài)分析，如核態(tài)沸騰模擬演示（如圖4所示）。

圖4 核態(tài)沸騰模擬演示

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞茉O(shè)施、場(chǎng)地的限制，只能側(cè)重于基本原理的演示，難以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論與工程實(shí)際的結(jié)合，因此，工程類學(xué)生畢業(yè)以后，往往還要經(jīng)歷一個(gè)較長的職業(yè)培訓(xùn)階段才能獨(dú)立承擔(dān)專業(yè)技術(shù)工作。借助仿真模擬技術(shù)，可以模擬演示傳熱學(xué)在現(xiàn)代工程中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)演示、工程應(yīng)用的直接對(duì)接。傳熱學(xué)課程中，工程實(shí)驗(yàn)演示內(nèi)容取決于專業(yè)需要，針對(duì)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)，傳熱學(xué)工程實(shí)驗(yàn)?zāi)M演示的內(nèi)容主要包括以下幾大類：(1)建筑與環(huán)境熱交換；(2)建筑冷熱源及末端設(shè)施；(3)熱質(zhì)交換設(shè)備及傳熱強(qiáng)化；(4)空氣處理過程及設(shè)備；(5)建筑供冷/供熱循環(huán)。

2.組建數(shù)字信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室

數(shù)字信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它運(yùn)用傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過接口與計(jì)算機(jī)連接，完成數(shù)據(jù)的采集、分析，必要時(shí)可以繪出數(shù)據(jù)分析表和曲線圖，還可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差分析與討論。采用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人值守實(shí)驗(yàn)，減少實(shí)驗(yàn)人因誤差，使處理數(shù)據(jù)的工作簡單化，減輕實(shí)驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度。無人值守的某實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)外溫度變化對(duì)照實(shí)驗(yàn)120小時(shí)結(jié)果如圖5所示，實(shí)驗(yàn)過程中，每20分鐘自動(dòng)采集一組數(shù)據(jù)。

圖5 長期無人值守實(shí)驗(yàn)記錄

DIS實(shí)驗(yàn)簡化了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集過程，但要求學(xué)生有更高的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力。DIS實(shí)驗(yàn)使許多實(shí)驗(yàn)從定性觀察上升到了定量分析層面，實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和教學(xué)效果得到了提升。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最重要目標(biāo)。DIS實(shí)驗(yàn)通過改變參數(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)演示不同的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，學(xué)生在對(duì)比分析中，加深對(duì)傳熱學(xué)基本概念、基本規(guī)律的理解。比如，改變溫度條件可以改變熱泵系統(tǒng)的性能(熱泵模擬如圖6所示)，改變Bi參數(shù)的取值范圍可以改變無限大平壁溫度分布特性，改變導(dǎo)熱系數(shù)可以改變半無限物體周期性變化邊界條件下溫度波的特性，等等。

圖6 熱泵系統(tǒng)模擬演示

3.實(shí)現(xiàn)課程資源共享

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，可通過下載、復(fù)制或建立友情鏈接的方式，實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)及其它課程資源的共享。采用網(wǎng)絡(luò)版“仿真?zhèn)鳠釋W(xué)實(shí)驗(yàn)室”，學(xué)生可以通過人機(jī)對(duì)話方式觀看仿真實(shí)驗(yàn)演示，遇到問題還可以通過互聯(lián)網(wǎng)課程論壇展開討論。還可以網(wǎng)上暢游，獲取相關(guān)資源，如教學(xué)錄像、電子教案、工程案例、歷史名家、學(xué)科歷史和典故趣聞等。

借助信息和多媒體技術(shù)，可以建立跨專業(yè)、跨學(xué)校的課程聯(lián)盟，充分利用國家重點(diǎn)學(xué)科、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家工程中心或國家重點(diǎn)科研基地的優(yōu)越科研、實(shí)驗(yàn)條件，以及校外優(yōu)秀企業(yè)的工程實(shí)踐和科研試驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享，如傳熱學(xué)精品課程資源、與課程相關(guān)的工程案例等。一方面可以感受不同的育人風(fēng)格和學(xué)術(shù)氛圍的熏陶，以及能夠接觸先進(jìn)儀器設(shè)備等；另一方面通過學(xué)科交叉，相互交流，有利于創(chuàng)新性人才的脫穎而出。

三、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

信息和多媒體技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合，一要發(fā)揮教師主導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生觀察和思考；二要突出學(xué)生主體地位，有效培養(yǎng)學(xué)生的探索和創(chuàng)新能力。

1.發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用

基本不改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，只是將信息和多媒體技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的演示工具。一般在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示的基礎(chǔ)上，用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)演示其過程，使學(xué)生獲得的表象得以強(qiáng)化，或者通過模擬實(shí)驗(yàn)演示實(shí)踐實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，然后再進(jìn)行抽象概括，形成概念，找出特征、規(guī)律。如熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射3種基本傳熱方式，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能反映熱量傳遞的結(jié)果和表象，而且實(shí)驗(yàn)條件難以控制，很難實(shí)現(xiàn)單一的熱傳遞過程，借助模擬實(shí)驗(yàn)，不僅可以演示3種基本傳熱方式的微觀機(jī)理，而且可以演示單一傳熱方式的過程和規(guī)律。幫助學(xué)生建立基本熱傳遞過程的動(dòng)態(tài)形象，加深對(duì)抽象概念、規(guī)律的理解。

2.突出學(xué)生的主體地位

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于條件的限制，學(xué)生的探究欲望往往不能得到很好的滿足，信息和多媒體技術(shù)環(huán)境能為學(xué)生提供探究的有利條件。借助專業(yè)工具軟件創(chuàng)設(shè)的虛擬仿真環(huán)境，學(xué)生能在動(dòng)態(tài)情景空間中觀察現(xiàn)象、讀取數(shù)據(jù)、探索和發(fā)現(xiàn)研究對(duì)象的變化規(guī)律。通過數(shù)值傳熱學(xué)與信息和多媒體技術(shù)的結(jié)合，分析非穩(wěn)態(tài)傳熱現(xiàn)象和規(guī)律，學(xué)會(huì)物理圖景的動(dòng)態(tài)分析，加深對(duì)傳熱學(xué)本質(zhì)和規(guī)律的理解。傳熱學(xué)教學(xué)中，這類常規(guī)實(shí)驗(yàn)不便演示的探索性實(shí)驗(yàn)通常有：傳熱傳質(zhì)光測(cè)實(shí)驗(yàn)、紅外熱像實(shí)驗(yàn)、換熱器性能實(shí)驗(yàn)、非穩(wěn)態(tài)傳熱問題檢測(cè)、邊界層可視化演示、流體外掠管束可視化等。

四、信息和多媒體技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

1.模擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要途徑，信息和多媒體技術(shù)可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的局限性，補(bǔ)充、完善真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不理想之處。

信息和多媒體技術(shù)可以對(duì)那些難以觀察到的、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬和再現(xiàn)，成為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。模擬實(shí)驗(yàn)可以演示在正常條件下不能實(shí)現(xiàn)的理想化的模型，可彌補(bǔ)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)的不足，因此，把模擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，會(huì)收到事半功倍的教學(xué)效果。

為防止發(fā)生意外傷害，或由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，有一些實(shí)驗(yàn)，如高溫或深冷實(shí)驗(yàn)、真空或失重環(huán)境傳熱實(shí)驗(yàn)等，一般是不能在普通實(shí)驗(yàn)室做的，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境則可解決這一難題，有利于學(xué)生知識(shí)構(gòu)建的完善。

值得注意的是，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹⒁允聦?shí)為依據(jù)的科學(xué)態(tài)度，是傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本目的之一。模擬是被理想化的模型，對(duì)一些操作方便、效果明顯的實(shí)驗(yàn)，無論從真實(shí)性還是從效果來看，都不宜用計(jì)算機(jī)模擬。如果忽略傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，一味用虛擬的實(shí)驗(yàn)過程替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，將會(huì)弱化學(xué)生的實(shí)際操作能力和科學(xué)意識(shí)，背離實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初衷。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)

數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和資源是現(xiàn)實(shí)環(huán)境和資源在空間、時(shí)間上的延伸，它與現(xiàn)實(shí)的環(huán)境和資源并沒有本質(zhì)差異。但是，由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)涉及綜合性、技術(shù)性的知識(shí)較多，學(xué)生對(duì)許多內(nèi)容都比較生疏，實(shí)驗(yàn)時(shí)注意力容易轉(zhuǎn)移。同時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化程度高，易使學(xué)生單純關(guān)注實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理，忽視實(shí)驗(yàn)的物理意義，使實(shí)驗(yàn)變成數(shù)字“游戲”。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的影響有明顯差異：前者側(cè)重于培養(yǎng)細(xì)致、認(rèn)真、耐心的習(xí)慣，后者則有利于培養(yǎng)在觀察中思考、探究的能力；前者重視實(shí)驗(yàn)操作技能的訓(xùn)練，后者則有利于培養(yǎng)利用信息和多媒體技術(shù)的能力；前者重視培養(yǎng)數(shù)據(jù)處理的能力，后者則有利于培養(yǎng)分析判斷的能力；前者學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的局限性比較大，重視實(shí)驗(yàn)規(guī)范的約束，后者學(xué)生自行設(shè)計(jì)、操作的約束較小，有利于自主探索和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；因此，盡管數(shù)字化改造是現(xiàn)代工程教育中實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件改善不可缺少的一環(huán)，但應(yīng)該把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件作為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基礎(chǔ)，信息和多媒體技術(shù)裝備只是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有力輔助或補(bǔ)充設(shè)備。

五、結(jié)束語

1.信息和多媒體技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合，是現(xiàn)代工程教育的必然要求，對(duì)緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件緊缺壓力，實(shí)現(xiàn)教育資源共享，提高理論教學(xué)成效，跟蹤學(xué)科發(fā)展前沿，培養(yǎng)學(xué)生探索精神都有實(shí)際意義。

2.信息和多媒體技術(shù)不僅可以作為原理實(shí)驗(yàn)、工程應(yīng)用的模擬、演示工具，在創(chuàng)新性、綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提高實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化、可視化、復(fù)現(xiàn)性程度，降低實(shí)驗(yàn)成本和工作強(qiáng)度，減少實(shí)驗(yàn)人因誤差方面，比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段具有更大優(yōu)勢(shì)。

3.借助信息和多媒體技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的優(yōu)勢(shì)整合，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，既要發(fā)揮教師主導(dǎo)作用，又要突出學(xué)生主體地位，模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該相輔相成，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

羅清海，博士，副教授。