張克勤　王鵬　于鵬飛　于金庫　李偉　曹宏強

【收稿日期】?2019-01-18???【基金項目】?國家自然科學基金青年基金（51601166）;河北省教改項目（JG2017PY10）

【作者簡介】?張克勤（1962-），女，遼寧朝陽人。碩士，高級工程師，主要研究方向為材料物理性能分析。

【摘?要】隨著工程教育體系的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的實驗教學模式已經不能很好地滿足培養(yǎng)目標的需求，提高工程實驗教學質量，推進工程實驗教學改革勢在必行。《爐溫儀表與熱控制》是材料科學領域中相關專業(yè)的一門專業(yè)必修課，具有理論與實踐并重的特點，針對傳統(tǒng)實驗教學模式存在的問題，通過對綜合設計實驗的教學改革，探索出一套全方位培養(yǎng)、考核學生綜合能力的實驗方法。合理的教學內容、優(yōu)質的教學條件、完善的考核機制是提高實驗教學質量的有效途徑。

【關鍵詞】?爐溫儀表;熱控制;綜合設計實驗;教學改革

【中圖分類號】?G642.0??【文獻標識碼】?A??【文章編號】?1005-4634（2019）06-0115-04

0?引言

實驗教學是高校教學的重要組成部分，它是以學生為主體，教師為主導，將理論與實踐密切配合的過程【1】。提高工程實踐教學質量是高等工程教育體系中培養(yǎng)高素質工程科技人才的關鍵【2】。在實施素質教育的現代高等教育中，實驗教學在鞏固學生理論知識、培養(yǎng)學生綜合能力和創(chuàng)新意識方面發(fā)揮著非常重要的作用。然而，當人們審視和反思傳統(tǒng)實驗教學模式時，就會發(fā)現“過分強調驗證理論”的傳統(tǒng)實驗教學遠遠不能達到其應有的培養(yǎng)目標【3】，要想從根本上提高實驗教學質量就必須借助于綜合性實驗和設計性實驗。為了適應新時期材料專業(yè)培養(yǎng)新型高科技人才的需求，提高學生運用所掌握的知識分析、解決實際問題的能力，燕山大學材料科學與工程學院不斷地對實驗教學體系進行改革，先后進行了材料物理、高分子、金屬材料、無機材料等專業(yè)實驗教學大綱的重新修訂，圍繞實驗項目的設置、實驗方法的改進、實驗指導書的撰寫等完成了一系列改革措施，改革后的實驗課程取得了很好的教學效果。通過實驗的感性認識，學生既能加深對所學專業(yè)理論的理解，掌握本專業(yè)的基本實驗儀器和實驗能力，又能培養(yǎng)其發(fā)現、提出、解決問題的綜合能力與素質。

然而，依據細化專業(yè)方向設置的單一課程相關實驗，還存在體系不夠完善、內容較零散、團隊合作少等問題，不能滿足工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。本文以《爐溫儀表與熱控制》綜合設計實驗為例，在剖析教學改革前課程現狀的基礎上，從優(yōu)化實驗教學內容、改變實驗教學模式、改善實驗教學條件和完善實驗教學手段等環(huán)節(jié)闡述改革方法【4】。在整個實驗教學過程中，通過構思（conceive）、設計（design）、實現（implement）和運作（operate）緊密結合的形式，使學生利用實踐與課程之間有機聯系的方式學習，最終達到落實工程對能力培養(yǎng)要求的預定目標【5-7】。

1?傳統(tǒng)的實驗教學模式反思

1.1?實驗方法僵化

傳統(tǒng)的《爐溫儀表與熱控制》實驗，根據理論課的內容大致分為以下6個獨立的實驗項目：熱電偶的原理及使用;熱電偶的鑒別與校驗;控溫儀表的使用及誤差標定;爐溫控制系統(tǒng)整體誤差的分析與標定;位式控溫實驗;PID控溫實驗【8】。每個實驗內容相對獨立，學生不能對所學課程有一個系統(tǒng)的全面的消化吸收過程，并且對每一個實驗，從實驗內容、所需儀器設備材料到實驗過程都是由教師規(guī)定的。實驗教材將實驗原理、步驟甚至某些實驗現象等寫得很清楚。學生只能被動地實驗，按要求機械操作、按部就班地完成任務。由于整個實驗過程中的大部分細節(jié)都由教師事先設計確定，大部分可能發(fā)生的問題都由教師安排了解決方案，因而限制了學生獨立思考與獨立設計、進一步探索的空間。這種教學方式無疑束縛了學生的想象和思維，窒息了學生的創(chuàng)造力。實驗中沒有失敗的體驗和成功的喜悅，學生很難從實驗中領會知識的真諦。

1.2?實驗形式單一

傳統(tǒng)的《爐溫儀表與熱控制》實驗，在實驗時間、實驗學時數上全班齊步走，不僅規(guī)定學生同時進入實驗室，而且要求所有學生在同一時間段完成實驗任務。這樣基礎差的學生消化不了，能力強的學生不能深入研究。這種無視學生能力差異和個性發(fā)展的實驗教學，不能充分體現學生在實驗教學中的主體地位，難以調動學生做實驗的主動性和積極性，使教學效果大打折扣。

1.3?實驗資源浪費

高等學校的實驗室，一般是除基建外投資最大的部分，在人才培養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用。實驗教學使用的儀器設備是實驗教學的資源主體。然而，在傳統(tǒng)的實驗教學中，這些實驗儀器設備學生只能在固定的實驗課中使用，其他時間基本閑置，實驗設備的利用率不高，造成實驗資源的隱性浪費。

2?《爐溫儀表與熱控制》綜合設計實驗改革探索

2.1?合理編排實驗模式，優(yōu)化實驗內容

針對傳統(tǒng)實驗教學模式存在的問題，燕山大學材料科學與工程學院積極發(fā)揮實驗教師的主導地位，成立課程改革小組，對《爐溫儀表與熱控制》實驗課進行了包括優(yōu)化實驗內容、改善實驗條件、綜合考核評定等全方位的實驗教學改革。改革后的綜合設計實驗將以往6個獨立的實驗項目，通過合理編排實驗模式、優(yōu)化實驗內容，將有關溫度測量與控制的元器件、測溫儀表、熱控制電路等方面的基礎知識有機地聯系起來，以控制目標（電爐溫度）的要求為參考點，整個實驗過程學生從熱電偶及控溫儀表的認識鑒別入手，首先了解各種元器件性能，熟悉各種儀表的原理、使用及其誤差校驗方法，然后在教師指導下由學生根據自己選定的實驗題目、實驗內容，獨立完成確定實驗方案、擬定實驗程序、選擇實驗儀器，自己動手設計一個完整的控溫電路并進行元件安裝、系統(tǒng)調試、觀察實驗現象、驗證自己的設計方案的科學性和可行性，之后完成誤差標定、數據處理，寫出實驗報告或科學短文等。整個實驗安排從簡單到復雜，從局部到整體，從孤立到綜合，從理論到實踐，與原有的實驗內容相比，新改進的實驗提高了學生主動參與、互動、合作交流的積極性，提高了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生獨立思考、嚴謹認真的科學態(tài)度。調整前后教學模式與內容的變化如表1所示。

該系統(tǒng)由組合電路板、連接導線和溫度調節(jié)儀、中間繼電器、可控硅、固態(tài)繼電器、各種類型熱電偶、電爐等多個控溫元器件組成。將以往復雜笨重的溫度測量與控制系統(tǒng)濃縮在一個小小的實驗箱中，用清晰明了的組合電路板完成控溫過程的線路安裝。學生通過使用該系統(tǒng)，將有關溫度測量與控制的元器件、測溫儀表、熱控制電路等方面的基礎知識有機地聯系起來，通過實驗實現既定目標。該系統(tǒng)用先進的自動化儀表與設備組成自動化系統(tǒng)，對溫度實行精確的、自動的測量與控制，體現了科學知識與科學方法的統(tǒng)一，有利于學生系統(tǒng)的掌握相關知識，提高實驗操作技能，有利于推廣素質教育，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力。該系統(tǒng)自重5kg左右，體積400*400*150（單位mm）。設計簡潔，易于攜帶，操作規(guī)范，安全可靠，價格合理，便于推廣。

2.2?自制實驗設備，改善實驗條件

為加強實驗課程的系統(tǒng)性，考慮非電類專業(yè)學生的特點及要求，燕山大學材料科學與工程學院設計制作了10套溫度控制實驗系統(tǒng)。

2.3?合理利用資源，實行開放式教學管理

為了充分利用實驗室現有資源，實驗室在課程運行時間段，面向相關學生全天開放，并為學生提供相應的實驗平臺和輔助設備。為了幫助學生更好地完成實驗內容，燕山大學材料科學與工程學院把整個實驗分成3個階段，如圖1所示。

1）?實驗準備，即構思（conceive）、設計（design）階段。在此階段學生首先根據自己的實際情況到實驗室選擇實驗題目，并結合題目認真學習相關的理論知識、查閱一定的科技資料，自己動手設計一個完整的控溫電路，寫出包括具體方案、實施手段、測試方法、工作計劃與日程安排等的設計報告;然后將設計報告交指導教師審閱，指導教師輔助學生進行可行性分析和設備應用的指導，準備充分后方可進行實驗。

圖1?爐溫儀表與熱控制實驗過程

2）?實驗實施，即實現（implement）和運作（operate）階段。在此階段，學生在教師的協(xié)助指導下準備實驗所需的原材料、設備、儀器及工具，并進一步結合理論知識了解掌握儀器設備的原理、性能、使用方法，同時對所選的元件、儀器進行必要的鑒別、校驗，然后分組討論確定實驗方案，把選好并標定好誤差的元件和儀表按自己設計的電路組裝控溫回路并運行，以進一步驗證設計方案的可行性與科學性，并根據實驗情況不斷修改方案、補充實驗、完善所需的資料或數據。在條件允許的情況下，對學有余力的同學，可以增加實驗難度，設計若干控溫電路并根據情況安裝調試，充分調動每個學生的學習積極性。

3）?實驗總結。在此階段學生要根據觀察到的實驗現象，分析討論出現的問題，整理歸納實驗數據，并對實驗進行總結，提出改進措施，形成完整的總結報告，在寫總結報告的過程中培養(yǎng)概括科學實驗的能力。

2.4?全方位考核學生的綜合能力

由于開放性綜合設計實驗更加注重學生綜合素質的提高，所以考核方法也應該與傳統(tǒng)實驗教學的考核方法有所不同。為了更好地對學生進行理論知識、實驗技能等多方面的綜合評定，《爐溫儀表與熱控制》實驗中教師安排3人一組，每人一套設計方案，該部分主要考查學生理論知識準備情況和科技資料查詢情況（占總成績的30%）。進入實驗室后，學生分組討論個人設計方案的合理性和可行性，并進行安裝調試。在整個安裝調試過程中，小組同學之間互相督促進度、檢查錯誤，保障設計方案的順利完成，該部分主要考查學生操作是否規(guī)范認真，?是否充分體現團隊協(xié)作精神（占總成績的40%）。完成安裝調試后，學生根據實驗操作時觀察到的實驗現象，逐步形成一個比較完整的總結報告。該部分主要考查學生獨立思考、嚴謹認真的科學態(tài)度和概括科學實驗的能力（占總成績的30%）。

3?改革效果梳理

為了檢驗實驗教學的改革效果，學院選擇2016～2018年連續(xù)3年開設《爐溫儀表與熱控制》綜合設計實驗的12個班級，共365份實驗報告進行了重新梳理（見圖2）。結果顯示，57%的同學認為強化了理論知識;86%的同學認為提高了動手能力;93%的同學提到對實驗產生濃厚的學習興趣。很多同學在實驗報告中都談了自己的感想，并對綜合設計實驗的改進提出了很好的建議。大部分同學都認為改革后的綜合設計實驗無論是對理論知識的掌握，還是對動手能力的培養(yǎng)都有很大作用，特別是培養(yǎng)了自身的團隊合作精神和學習興趣。

圖2?改革效果柱形圖

4?結束語

改革后的《爐溫儀表與熱控制》綜合設計實驗，從實驗準備到安裝調試，從能力考核到總結報告，都充分體現了以學生為主體、教師為主導的高校實驗教學改革的教學理念。實踐證明，實驗教學的改革，不僅使學生的自主性、能動性得到充分發(fā)揮，而且動手能力、獨立思考能力都得到明顯的提升，也培養(yǎng)了學生的團體合作精神和嚴謹認真的科學態(tài)度。

參考文獻

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【8】李均宜.爐溫儀表與熱控制【M】.北京：機械工業(yè)出版社，1981：5-90.

【責任編輯?孫菊】

Exploration?on?experimental?teaching?innovation?of?furnace

temperature?instrument?and?heat?controlling

ZHANG?Ke-qin1，2，3，WANG?Peng1，2，3，YU?Peng-fei1，2，3，YU?Jin-ku1，2，3，LI?Wei1，2，3，CAO?Hong-qiang4

（1.?Metastable?Materials?Science?&?Techhology?SKL，Qinhuangdao，Hebei?066004，China;

2.?Material?Comprehensive?Experimental?Teaching?Demonstration?Center，Yanshan?University，Qinhuangdao，Hebei?066004，China;

3.?College?of?Materials?Science?and?Engineering，Yanshan?University，Qinhuangdao，Hebei?066004，China;

4.?School?of?Mechaincal?Engineering，Yanshan?University，Qinhuangdao，Hebei?066004，China）

Abstract

With?the?rapid?development?of?engineering?education?system，?the?traditional?experimental?teaching?mode?cannot?meet?the?needs?of?training?objectives.?It?is?imperative?to?promote?the?reform?of?engineering?experimental?teaching?in?order?to?improve?the?experimental?teaching?quality.?"Furnace?Temperature?Instrument?and?Thermal?Control"?is?a?compulsory?course?for?related?majors?in?the?field?of?material?science，?with?the?characteristics?of?laying?equal?emphasis?on?theory?and?practice.?In?view?of?the?problems?existing?in?the?traditional?experimental?teaching?mode，?this?paper?explores?a?set?of?experimental?methods?for?cultivating?and?assessing?students′?comprehensive?ability?in?an?all-round?way?through?the?teaching?reform?of?comprehensive?design?experiment.?The?results?show?that?reasonable?teaching?content，?high?quality?teaching?conditions?and?perfect?assessment?mechanism?are?effective?ways?to?improve?the?quality?of?experimental?teaching.

Keywords

furnace?temperature?instrument;?thermal?control;?comprehensive?design?experiments;?teaching?reform