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摘要：电热模拟实验和对流换热系数测试实验是我校国家级实验示范中心无机非金属材料实验室所开设的关于传热学的两个模拟实验。模拟实验的概念是有关理论课教学的一个难点。在实验教学过程中，我们结合具体的实验项目，进行了一些创新性的探索。使学生能够将所学到的知识与具体的实验相结合，并为在以后工作中的开展技术革新储备一定的基础知识，从而使学生感受到“学有所用”的效果。
关键词：无机非金属材料；实验；模拟实验；教学；创新活动
一、前言
无机非金属材料实验是武汉理工大学材料学院所开设的一门国家级精品课程。“墙角的热电模拟实验”和“对流换热系数的测定实验”是该课程的两个主体实验。这两个实验既类似又有所不同，既有分工又有所差异。为了使无机非金属材料工程专业的本科生在进行该实验的过程中和完成实验以后对于这两个实验的内容与作用以及对实验结果的处理方法有所收获，能够加深理论课学习的效果和印象，我们在进行这两个模拟实验的教学过程中进行了一些有益的、创新性的探索，并且借此文与有关同仁共勉。
二、关于“对流换热系数测定实验”的创新探索
对流换热系数是关于对流换热的“牛顿冷却定律”中的一个系数[1]。尽管在理论上有了牛顿冷却定律，但这并没有使对流换热问题得到简化。该定律实质上是将所有影响对流换热的因素，除了温度差与传热面积之外都归结到对流换热系数之中。因此，对流换热系数只能通过实验测定来得到，而无法用纯理论计算的方法来求出。这也就是说，对流换热系数的测定非常重要。但是，对流换热系数的测定不能在生产现场的实体上进行，否则将会影响其正常工作或生产活动。这也就是说：对流换热系数只能在实验室中测定后再推广应用到工程实践中去。或者说：在实验室中测定出来的对流换热系数不只是实验测量的结果，更重要的是：要设法将实验测定结果推广到工程实际中。这也就是所谓的“模型实验”结果的推广问题，即物理模拟实验问题。
由以上论述可知，本实验中的测量结果最终是为了向实际工程中推广，所以除了在实验过程中需要认真指导学生做实验以外，还要让学生清楚怎样科学地处理实验数据，从而使学生能够加深理论课学习过程中关于模拟实验准数方程式的理解和印象。为此，我们经过认真地思考，决定用“类比”的方法来向学生讲解这个道理。以下就是有关讲解方法的简述：
在人类早期测定一个很高物体的高度时，往往采用以下三角形相似的方法，如图1所示。
图1人类早期测定高物体的高度时所用的相似方法
由该图可以看出以下的几何关系式：■=■→b2=■a2
但是，后来人们发现：■=■与角度α有關，即■=■=f（a）或■=f（a）
通过这个函数关系式可以先在小三角形上通过改变α来测定a1与b1，从而获得具体的函数关系式（当然，这个函数可以通过理论推导出，但这与本模拟实验无关）。然后，再将该具体的函数关系式推广到大角形中，即再利用（2）式由阴影长度a2和角度α求出高物体的高度b2。
实质上，这就是最早的模拟实验的雏形。也就是说，可以将在小模型上得到的测量结果通过一定的函数关系推广到实际工程的大实体中。当然，实际上的物理模拟实验结果的处理并没有几何相似这样简单。但有一定的规律可寻，这就是（2）式中等号的两边均为无纲量。在物理模拟实验中，这叫做：准数（Standard Number）[2]。所以本实验中测量数据的处理要整理成准数方程的形式。这样，有利于将实验结果推广到实际工程中去。
按照这个思路去讲解，同学们就能够很容易地理解本实验中数据处理的真正含义，从而使学生通过该实验后可加深对实验、对实验数据处理的认识。我们在实际的教学活动中，也确实取得了这样的效果。
三、关于“电热模拟”实验的创新探索
电热模拟实验也是一个典型的模拟实验。但是，该模拟实验与“对流换热系数的测定实验”不同。这是因为，该实验是关于模拟无法直接测量的墙角内温度场的问题。
为此，人们想到了与温度场在数学上具有相同微分方程形式的电场问题。因为在数学上，相同微分方程具有相同的解。这就意味着在物理上具有相同的分布规律，从而可以实现异类模拟，即用可测量的物理量（例如，电场中的参量）来模拟不可直接测量的物理量（例如，某些固体物质内部的温度场）。为了使同学们能够印象更加深刻地认识到这一道理，我们在讲课过程中引用了我国古人在这方面所阐述的一些哲理，例如“他山之石可以攻玉”等成语。用这种比喻来进行讲解可以使同学们对本实验的原理、过程有更深层次的理解，从而留下深刻的印象。今后，在其工作中遇到无法解决的问题时为寻求解决方法提供了一种选择。
四、两个模拟实验之间的联系
这两个模拟实验尽管都是以“模拟”为根本。但是，在本质上又有所不同：“对流换热系数测定实验”是用热模型来直接模拟实际工程中的热实体。而电热模拟实验是用可测量的电场参数测试数据来模拟具有相同数学微分方程的、但不可直接测量的温度场规律。前者被称为：同类模拟；后者被称为：异类模拟，这也是实验教科书上一个思考题的内容[3]。通过这两个实验的对比，能够使同学们体会到模拟实验的真谛所在。
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
关键词：无机非金属材料；实验；模拟实验；教学；创新活动
一、前言
无机非金属材料实验是武汉理工大学材料学院所开设的一门国家级精品课程。“墙角的热电模拟实验”和“对流换热系数的测定实验”是该课程的两个主体实验。这两个实验既类似又有所不同，既有分工又有所差异。为了使无机非金属材料工程专业的本科生在进行该实验的过程中和完成实验以后对于这两个实验的内容与作用以及对实验结果的处理方法有所收获，能够加深理论课学习的效果和印象，我们在进行这两个模拟实验的教学过程中进行了一些有益的、创新性的探索，并且借此文与有关同仁共勉。
二、关于“对流换热系数测定实验”的创新探索
对流换热系数是关于对流换热的“牛顿冷却定律”中的一个系数[1]。尽管在理论上有了牛顿冷却定律，但这并没有使对流换热问题得到简化。该定律实质上是将所有影响对流换热的因素，除了温度差与传热面积之外都归结到对流换热系数之中。因此，对流换热系数只能通过实验测定来得到，而无法用纯理论计算的方法来求出。这也就是说，对流换热系数的测定非常重要。但是，对流换热系数的测定不能在生产现场的实体上进行，否则将会影响其正常工作或生产活动。这也就是说：对流换热系数只能在实验室中测定后再推广应用到工程实践中去。或者说：在实验室中测定出来的对流换热系数不只是实验测量的结果，更重要的是：要设法将实验测定结果推广到工程实际中。这也就是所谓的“模型实验”结果的推广问题，即物理模拟实验问题。
由以上论述可知，本实验中的测量结果最终是为了向实际工程中推广，所以除了在实验过程中需要认真指导学生做实验以外，还要让学生清楚怎样科学地处理实验数据，从而使学生能够加深理论课学习过程中关于模拟实验准数方程式的理解和印象。为此，我们经过认真地思考，决定用“类比”的方法来向学生讲解这个道理。以下就是有关讲解方法的简述：
在人类早期测定一个很高物体的高度时，往往采用以下三角形相似的方法，如图1所示。
图1人类早期测定高物体的高度时所用的相似方法
由该图可以看出以下的几何关系式：■=■→b2=■a2
但是，后来人们发现：■=■与角度α有關，即■=■=f（a）或■=f（a）
通过这个函数关系式可以先在小三角形上通过改变α来测定a1与b1，从而获得具体的函数关系式（当然，这个函数可以通过理论推导出，但这与本模拟实验无关）。然后，再将该具体的函数关系式推广到大角形中，即再利用（2）式由阴影长度a2和角度α求出高物体的高度b2。
实质上，这就是最早的模拟实验的雏形。也就是说，可以将在小模型上得到的测量结果通过一定的函数关系推广到实际工程的大实体中。当然，实际上的物理模拟实验结果的处理并没有几何相似这样简单。但有一定的规律可寻，这就是（2）式中等号的两边均为无纲量。在物理模拟实验中，这叫做：准数（Standard Number）[2]。所以本实验中测量数据的处理要整理成准数方程的形式。这样，有利于将实验结果推广到实际工程中去。
按照这个思路去讲解，同学们就能够很容易地理解本实验中数据处理的真正含义，从而使学生通过该实验后可加深对实验、对实验数据处理的认识。我们在实际的教学活动中，也确实取得了这样的效果。
三、关于“电热模拟”实验的创新探索
电热模拟实验也是一个典型的模拟实验。但是，该模拟实验与“对流换热系数的测定实验”不同。这是因为，该实验是关于模拟无法直接测量的墙角内温度场的问题。
为此，人们想到了与温度场在数学上具有相同微分方程形式的电场问题。因为在数学上，相同微分方程具有相同的解。这就意味着在物理上具有相同的分布规律，从而可以实现异类模拟，即用可测量的物理量（例如，电场中的参量）来模拟不可直接测量的物理量（例如，某些固体物质内部的温度场）。为了使同学们能够印象更加深刻地认识到这一道理，我们在讲课过程中引用了我国古人在这方面所阐述的一些哲理，例如“他山之石可以攻玉”等成语。用这种比喻来进行讲解可以使同学们对本实验的原理、过程有更深层次的理解，从而留下深刻的印象。今后，在其工作中遇到无法解决的问题时为寻求解决方法提供了一种选择。
四、两个模拟实验之间的联系
这两个模拟实验尽管都是以“模拟”为根本。但是，在本质上又有所不同：“对流换热系数测定实验”是用热模型来直接模拟实际工程中的热实体。而电热模拟实验是用可测量的电场参数测试数据来模拟具有相同数学微分方程的、但不可直接测量的温度场规律。前者被称为：同类模拟；后者被称为：异类模拟，这也是实验教科书上一个思考题的内容[3]。通过这两个实验的对比，能够使同学们体会到模拟实验的真谛所在。
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”