Обмен опытом преподавания в вузе: практические занятия по теплотехнике в Московском политехническом университете



Преподаватели технического вуза делятся результатами многолетнего опыта по организации и проведению практических занятий по теплотехнике: рассмотрен пример реализации занятия с помощью компьютерных технологий, приводятся методика организации занятия и алгоритм выполнения задания.

Ключевые слова: компьютерные технологии, теплотехника

На лабораторные и практические занятия по теплотехнике, в отличие от лекций, отводится существенно большее количество учебных часов, данное обстоятельство заставляет искать эффективные способы наполнения их материалом и его преподавания.

Тематика лабораторных занятий по теплотехнике, проводимых на кафедре «Энергоустановки для транспорта и малой энергетики» Московского Политеха, отражает связь теории с реальными примерами теплообмена. Так, учебной группе (подгруппе) учащихся (или индивидуально) предстоит подтвердить известную теоретическую закономерность (зависимость) в ходе эксперимента, — данный подход весьма распространен для организации лабораторных занятий в высшей школе [5]. Учитывая специфику курса теплотехники, в предлагаемых работах акцент сделан на изучение положений теории подобия применительно к явлениям теплообмена, для которых абсолютные параметры, величины и характеристики представляются в виде обобщенных координат и критериальных уравнений, справедливых для подобных явлений.

Поскольку концепция практических занятий отличается от лабораторных занятий, то представляется целесообразным рассмотреть данный вопрос более подробно.

Так, основой практических занятий является индивидуальное или коллективное решение числовых задач, поэтому сложность видится не в материальной составляющей — необходимость в лабораторном оборудовании, стендах и т. п. отсутствует, — а в организации занятия таким образом, чтобы оно не свелось к банальной «уместности» применения формульно-математического аппарата.

Дело в том, что предлагаемые для решения теплотехнические задачи сравнительного характера предусматривают анализ результатов выполненных расчетов, подчас, весьма громоздких, а неудачный акцент становится серьезной помехой смысловому содержанию всего практического занятия: за емкими вычислениями ускользает понимание сути задачи, логики выполняемой работы. Внимание учащегося по мере ослабления интереса рассеивается, теряется самоконтроль — учащийся постепенно самоустраняется от участия в работе, вплоть до интеллектуальной пассивности [4].

Поэтому при организации такого рода занятия представляется целесообразным исходить из того, что теплотехнический аспект примера не должен быть вытеснен математическим, а числовой ответ, признанный верным, не должен представляться учащемуся как самодостаточная цель.

Возможность реализации данного положения видится в том, что задание по теплотехнике можно структурировать в виде блоков, содержащих информацию по теории и математическому аппарату, справочные величины, и выполнить задание на компьютере, с наглядной записью промежуточных результатов и конечных числовых ответов для последующего анализа [2].

В качестве примера рассмотрим компьютеризированное практическое занятие по теплотехнике, посвященное использованию критериальных уравнений для решения внутренней задачи теплообмена.

При этом сделан акцент на активизацию самостоятельной деятельности учащегося, когда при выполнении задания преподаватель выполняет консультационно-мониторинговую миссию: учащийся самостоятельно вырабатывает и принимает решения, ведет поиск величин и расчетных формул, выполняет расчеты, вводит данные в компьютер и т. п. Как показала практика, успех данного подхода, зависит от качественного уровня учебного пособия, сопровождающего ход работы и объясняющего физическую сущность изучаемых явлений, содержащего формульно-математический аппарат, справочные данные, примеры решения задач и алгоритм выполнения задания.

Усвоив, по личному мнению, материалы пособия [1], учащийся приступает к выполнению задания.

Теоретическую основу занятия, как легко заметить, составляет закон Ньютона — Рихмана — основополагающая аналитическая зависимость для вычисления теплового потока при теплоотдаче, то есть при теплообмене между жидкотекучей средой и твердой поверхностью вследствие разности их температур.

Осредненный для всей поверхности теплообмена коэффициент теплоотдачи в уравнении Ньютона — Рихмана зависит от многих параметров:

– от температуры поверхности твердого тела;

– от температуры жидкотекучего теплоносителя;

– от скорости течения жидкотекучего теплоносителя;

– от плотности жидкотекучего теплоносителя;

– от теплопроводности жидкотекучего теплоносителя;

– от коэффициента динамической вязкости жидкотекучего теплоносителя;

– от удельной теплоемкости жидкотекучего теплоносителя при постоянном давлении;

– от термического коэффициента объемного расширения жидкотекучего теплоносителя;

– от режима течения теплоносителя;

– от формы тела;

– от геометрических размеров тела и др.

При этом необходимо учитывать зависимость физических параметров жидкотекучего теплоносителя от температуры, то есть значения параметров при температуре вблизи омываемой поверхности и вдали от нее.

Многопараметровая зависимость для ключевого элемента уравнения, сложное взаимное влияние аргументов друг на друга, бесконечное множество сочетаний — все это создает трудности с обработкой громадного экспериментального материала, не позволяет представить значения в виде унифицированных справочных таблиц, графиков и т. п., приводя к неопределенности с выбором значения коэффициента теплоотдачи в конкретном случае. Данное обстоятельство, как известно, требует использования известных критериальных уравнений из чисел подобия, описывающих подобные явления.

Таким образом, учащийся знакомится с критериальным методом и основами инженерного подхода к решению практических задач теплотехники.

На практическом занятии, при работе с программой, учащемуся потребуются пособие — справочные данные и расчетные формулы, — инженерный микрокалькулятор для выполнения самостоятельных вычислений и подготовленный по приведенному образцу бланк протокола. Последний необходим для структурирования расчетов и облегчения анализа; ведение протокола приучает к оформлению технических записей и отчетности, также оформленный протокол логически знаменует завершение задания.

Оригинальный вариант задания генерируется компьютерной программой, которая задает ряд величин с использованием случайных чисел.

В качестве исходных данных заданы: теплоноситель — в случайной последовательности вода и трансформаторное масло, — скорость и средняя температура потока, средняя температура внутренней поверхности трубы — данные параметры не меняются для обоих теплоносителей (одинаковые и постоянные граничные условия первого рода); также — длина и внутренний диаметр трубы.

Далее, по запросу программы учащийся вводит в компьютер, например, теплофизический параметр, который предварительно должен рассчитать методом линейной интерполяции табличных значений, или значение числа подобия, или поправочный коэффициент, и т. п. Использование справочных таблиц пособия со свойствами жидкотекучих теплоносителей позволяет учащемуся закрепить навыки работы со справочной технической литературой.

Программа проверяет вводимые значения и условия при пошаговом контроле: дальнейшая работа после выполнения запроса становится возможной при выполнении или условия задания (например, ламинарный, переходный или турбулентный режим течения указан по найденному числу Рейнольдса верно), или при относительной точности вводимых величин до 1 %, что является общепринятым требованием к точности данных.

Исправленные значения величин или сведения по характеру течения и теплообмена при необходимости вносятся без перезагрузки программы.

В ходе решения задачи учащийся находит по требуемому критериальному уравнению число Нуссельта, вычисляет коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к трубе и, наконец, определяет тепловой поток с помощью уравнения Ньютона — Рихмана; по окончании рассмотрения первого теплоносителя расчеты выполняются для второго.

Выполнение вычислений по ходу работы на калькуляторе с последующим структурированным занесением в протокол только конечных значений, правильность которых проверена программой, делает записи наглядными, облегчая проведение сравнительного анализа результатов.

По завершении работы, на основании данных протокола учащийся делает выводы о сложном влиянии вида и параметров теплоносителей, режимов течения и т. п. на коэффициент теплоотдачи и тепловой поток, овладев основами критериального метода решения задачи теплоотдачи, что способствует формированию инженерного мышления.

Алгоритм работы реализован с помощью несложной компьютерной программы, написанной на языке программирования Microsoft QuickBASIC. Программа способна работать без оговорки минимальных требований к системе персональных компьютеров, а быстродействие современных компьютеров настолько велико, что позволяет не учитывать время машинного счета [3].

На практическое занятие отводится два академических часа. Лучший результат достигается при индивидуальном выполнении работы учащимся на персональном компьютере, поэтому занятие группы (подгруппы) учащихся должно проходить в компьютерном классе.

Преподавательский опыт, накопленный при проведении компьютеризированных практических занятий по теплотехнике, позволяет сформулировать следующие выводы и рекомендации:

– владея базовыми знаниями в области программирования, преподаватели вуза могут реализовать алгоритм выполнения работы на компьютере посредством несложной компьютерной программы, разработанной своими силами или подключая к процессу учащихся и формируя на этой основе, например, задание на междисциплинарный проект;

– для избежания и страховки от случайных ошибок, для гарантии физически оправданных вариантов исходных данных и безошибочной оценки действий учащегося требуется тщательная отладка компьютерной программы, занимающая длительное время;

– — возможно многократное повторение работы при оригинальных числовых значениях сгенерированных исходных данных;

– требуется разработка сопровождающего самодостаточного пособия с четким и логическим содержанием, сводящим к минимуму дополнительные пояснения преподавателя;

– существенно активизируется самостоятельная работа учащегося, что благоприятно сказывается на изучении материала и качестве его усвоения.

Изложенная в данной статье информация может быть полезной и принятой во внимание при разработке компьютеризированных практических занятий не только по теплотехнике, но и по ряду технических дисциплин и курсов, имеющих схожую логическую структуру.

Литература:

1. Андреенков А. А. Решение внутренней задачи теплообмена с помощью критериальных уравнений. — М.: МГТУ «МАМИ», 2011. — 41 с.
2. Андреенков А. А., Дементьев А. А. Использование информационных технологий при изучении технической дисциплины // Профессиональное образование в России и за рубежом. — 2015. — № 3 (19). — С. 115–119.
3. Андреенков А. А., Дементьев А. А. Методика организации компьютеризированного практического занятия по теплотехнике // Высшее образование сегодня. — 2016. — № 11. — С. 15–17.
4. Андреенков А. А., Дементьев А. А. Организация самостоятельной работы с помощью компьютерных технологий при изучении технической дисциплины // Высшее образование сегодня. — 2014. — № 12. — С. 76 -78.
5. Андреенков А. А., Дементьев А. А. Разработка и использование виртуальных лабораторных работ при изучении технической дисциплины // Образование и общество. — 2015. — № 4. — С. 83–86.