《傳熱學》教學方法的探討與實踐

段雙平

摘要：為了達到較好的教學效果，尋求新的《傳熱學》教學方法勢在必行。本文探討了基于工程應用的教學方法、理論教學中融入CFD的教學方法、設置課后大作業和組織討論相結合的教學方法，這些方法可以激發學生學習傳熱學的興趣，增強學生學習傳熱學的積極性和主動性。

關鍵詞：《傳熱學》；教學方法；工程應用；CFD

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）01-0172-02

一、引言

《傳熱學》課程著重研究熱量傳遞的規律和方法，是建筑環境與設備工程專業本科生的一門重要的專業基礎課[1-2]，在許多工程技術領域里應用十分廣泛。隨著我國高等教育教學改革的不斷深化，在“重基礎、寬口徑”的指導方針下，各高校公共基礎課程課時增加，而專業課程及專業基礎課程的課時都相對減少，《傳熱學》課程也不例外[3-4]。這就導致專業課程和專業基礎課程教學過程中的一些矛盾的出現，主要矛盾是教材內容多，教學質量要求高，而教學課時少。如果教師在有限教學學時的情況下，仍然沿用照本宣科的教學方法，不僅教學內容上教不完，而且難以取得良好的教學效果。因此，重新探討《傳熱學》的教學方法勢在必行。

二、基于工程應用的教學方法

學習《傳熱學》的最終目的是解決與傳熱有關的工程實際問題。而目前高?！秱鳠釋W》的講授基本上是照本宣科，明顯地忽視了學生專業技能的培養，脫離工程實際應用。而實際上建筑環境與設備工程專業的《傳熱學》的教學內容很大部分是圍繞著建筑環境與設備工程專業中出現的典型傳熱問題而展開的，在工程實際中能找到教材中所講內容的原型。例如，第二章中的無限大平壁和圓筒壁的導熱、肋片的導熱，分別對應工程實際中的建筑圍護結構、供冷供熱管道、換熱器中肋片的導熱問題。對流換熱部分中講到的平板外掠對流換熱、管內對流換熱、外掠圓管對流換熱、凝結換熱、沸騰換熱等分別對應著空氣外掠建筑圍護結構對流換熱、換熱器內管內流體與管壁的對流換熱、換熱器管外流體與管壁的對流換熱、冷凝器中制冷劑蒸氣凝結為液體時與管壁的對流換熱、蒸發器中制冷劑液體變成蒸氣時與管壁的對流換熱。因此在教學過程中，在講授某節內容之前，先提出工程實際問題，讓學生帶著他們最感興趣的問題聽課，等講完該節內容后，讓學生思考解決上課之前提出的工程實際問題。例如在講到周期性非穩態導熱時，就提出建筑蓄熱問題、夏季冷負荷和冬季熱負荷的計算差異。為了能夠順利的進行基于工程應用的《傳熱學》教學，關鍵在于教學情境和工程問題的設計。教學情境和工程問題的設計應考慮到以下幾個方面：（1）從工程應用出發，精心設計學習模塊，必須使所設計的模塊覆蓋到《傳熱學》課程所必須掌握的主要知識點，模塊設計的優良是學生能夠進行系統學習的關鍵環節。（2）設置的問題應從工程中提煉出來且具有啟發性和可研究性。問題的設置應緊緊圍繞著學習模塊，并應能培養學生解決問題的能力和團隊協作精神。（3）教學順序按照學習模塊來安排，先介紹基本概念和基本理論，然后根據需要適當延伸和拓展。（4）以學生為中心。面向每個學生，尊重每個學生發展的特殊需要，鼓勵學生在解決問題過程中的學習體驗和創造性表現，充分調動學生尋求問題答案過程中的積極性和主動性。

三、理論教學中融入CFD的教學方法

《傳熱學》教材中給出的結論或公式大多是將實際問題簡化后，通過理論推導得出的。而對實際問題所發生的現象，往往以現有的公式或理論難以作出解釋。針對這類問題，必須借助于計算流體力學CFD對其溫度場和流場進行數值模擬。這樣直觀形象地展示傳熱規律，既增強了學生學習的興趣與動力，也使其從枯燥的灌輸中解放出來，又能在動手模擬中加強對傳熱基本概念、規律的理解和掌握。例如，在講到第二章的復合平壁的穩態導熱問題時，為幫助學生理解無限大復合平壁的穩態導熱問題并不是一維導熱問題，而是二維或三維導熱問題時，筆者在上課前，對空斗墻導熱問題和由一種材料構成的無限大平壁導熱問題進行了數值模擬，如圖1。通過對兩種情況下的溫度場的繪制和比較，形象化地證明了空斗墻導熱問題并不是一維導熱問題，尤其當構成空斗墻的兩種材料的導熱系數相差較大時，把該導熱問題看成一維導熱問題來計算導熱量將產生較大誤差。

（a）復合平壁（b）復合平壁的溫度場

（c）無限大平壁的溫度場

圖1 復合平壁和無限大平壁溫度場的對比

四、設置課后大作業和組織討論相結合的教學方法

由于教學課時有限，在教學過程中只能側重于重點和難點內容，許多了解內容只能拋磚引玉。為彌補課堂教學課時的緊張，拓寬學生的知識面，培養學生的開拓創新能力，筆者給學生布置大作業和課題。在實際的教學中，將學生分成若干組，要求學生利用課余時間查閱文獻，自己組織討論，最后提交討論的報告或論文，并根據其提交的報告或論文質量給出平時成績，以其作為課程成績的一部分。例如，在講完“導熱問題的數值解法”一章后，給學生布置關于“導熱問題溫度場的求解“的編程題。在實際的教學中，先根據學生對計算機編程語言的掌握和運用情況，將學生分成若干組，給每個小組設置不同的題目，最終提交的報告內容包括以下幾個部分：描述物理問題的數學微分方程，數學微分方程的離散方程，程序框圖，計算程序，計算結果，結果討論與分析。通過這一編程題的強化練習，讓學生深切感受到對所學知識的學以致用，將原先覺得枯燥無味的計算機編程語言與專業課程有機結合起來，對原先覺得毫無關聯的兩門課程有了嶄新的認識。讓他們覺得更有趣的是，當數學微分方程無法求解的時候，也可以變成代數方程，然后用線性代數的方法來求解，從而讓他們掌握一種解決傳熱問題的方法，即數值解法。通過這一課后大作業的練習，讓他們感受到一種自己獨立解決問題的喜悅和團隊合作精神。

為了解決課時少和教學質量要求高的矛盾，尋求新的《傳熱學》教學方法勢在必行。基于工程應用的教學方法、理論教學中融入CFD的教學方法、設置課后大作業和組織討論相結合的教學方法能夠使學生在參與過程中得以學習，從而激發學生學習傳熱學的興趣，增強學生學習傳熱學的積極性和主動性，從而達到良好的教學效果。

參考文獻：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006：1-8.

[2]趙鎮南.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2002：4-10.

[3]教育部面向21世紀熱工課程改革項目組.熱工課程在工科各專業人才培養中的地位及設置建議[J].高等工程教育，2000，增刊：6-11.

[4]陶文銓，何雅玲.境外大學工科專業熱工類課程的設置[J].高等工程教育，2000，增刊：93-97.