傳熱學課程建設與教學方法改革

趙薇 崔鵬

摘要：傳熱學是建筑環境與能源應用工程專業的主干專業基礎課程。以遼寧工業大學為例，通過分析傳熱學在專業培養方案中的定位、與其他課程的關系重點討論了課程建設和啟發式教學、案例教學、實踐教學等教學方法改革的具體措施。

關鍵詞：傳熱學;教學改革;課程建設;創新能力

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）33-0071-02

面對社會對人才培養的需求，2012年普通高等學校本科專業目錄將建筑環境與設備工程專業、建筑智能設施（部分）、建筑節能技術與工程三個專業合并，調整為建筑環境與能源應用工程專業[1]。建筑環境與能源應用工程專業是工學土木類4個本科專業之一，與土木工程、建筑學、環境科學與工程、能源與動力工程等專業交叉，專業范圍擴展為建筑環境控制、城市燃氣應用、建筑節能、建筑設施智能技術等領域。

在“重基礎、寬口徑”的形勢下，夯實基礎、凝練特色、優化課程體系成為專業教學改革的核心問題之一。遼寧工業大學建筑環境與能源應用工程專業作為遼寧省普通高校本科重點支持專業，經過多年的發展，形成了“夯實專業基礎、強化工程實踐、注重創新、培養專業素質高和實踐能力強的應用型工程技術人才”的專業特色。筆者所在的傳熱學課程教學團隊在課程內容體系、教學方法改革等方面不斷探索、實踐。本文以遼寧工業大學建筑環境與能源應用工程專業為例，從傳熱學的課程定位出發對課程內容優化、案例分析的運用、新成果的吸納、師資力量建設以及教學方法改革措施等進行探討。

一、課程描述

1.在培養方案中的定位

傳熱學是建筑環境與能源工程專業的一門主干專業基礎課[2]，它建立在專業基礎課工程熱力學、流體力學之上，主要講述建筑環境與能源應用工程專業所涵蓋的暖通空調、供熱工程、制冷技術、鍋爐房工藝與設備等工程技術中共同的熱量傳遞規律的科學。學生通過傳熱學課程的學習，可獲得熱量傳遞的基本理論、基本知識和基本技能以及傳熱計算的基本方法，培養學生的思維能力、分析和解決實際工程問題的能力，為學習后續課程打下必要的基礎，并通過設計、實驗、實習等實踐教學的配合，掌握熱工設備設計、提高能效等基本理論和方法，形成初步的工程實踐能力。

2.與其他課程的關系

如果把本科生專業知識體系構建過程比作是教學生如何建造房子的過程[3]，那么基礎課和專業基礎課是教會學生如何打造房子基礎的過程，專業課就是教會學生如何在基礎上建造各種房子的過程。傳熱學作為一門核心的專業基礎課，其本質是一門科學，內容相對穩定，每一個進步都會帶來技術上質的變化。剖析傳熱學課程與其他課程之間的關系，探討教學與學生認知過程的契合，是提高教學質量的基礎。

（1）與流體力學和工程熱力學課程的關系。流體力學和工程熱力學是傳熱學的先修課程。學生通過課程的學習掌握熱現象中物質能量平衡的關系及流體流動過程的力學性質和邊界特點。通過基本概念、基本理論和實際應用，為學生進入建筑環境與能源應用工程專業課學習打下堅實的基礎知識。同時，積極引導學生對物理概念、物理現象本質的理解，培養學生科學的思維方法。

（2）與暖通空調、熱質交換原理與設備、供熱工程、制冷技術、鍋爐房工藝與設備等專業課的關系。這五門課程的共性問題包括熱量傳遞過程、換熱設備的類型及適用范圍、換熱器的設計計算與校核計算、換熱過程的強化與削弱等，上述理論知識均涵蓋在傳熱學的教學內容中。在傳熱學教學過程中，應概述其基本理論在其他專業課中的應用，并結合相關專業工程實例掌握傳熱學的基本理論，幫助學生正確理解傳熱學在專業課學習中的重要性。

（3）與認識實習和生產實習的關系。傳熱學課堂教學安排在認識實習實踐環節與生產實習實踐環節之間。認識實習環節幫助學生認識各類換熱器的形式和功能，生產實習環節安排冷熱源系統中換熱器運行調試的相關內容，幫助學生鞏固課程所學的理論知識，并將理論與實踐相結合。

（4）與課程設計和畢業設計的關系。傳熱學為課程設計和畢業設計實踐環節提供圍護結構傳熱計算及各類換熱器（如散熱器、地埋管換熱器、空氣處理機組、一次網/二次網換熱器、蒸發器、冷凝器、余熱回收裝置等）設計計算的基本理論和基本方法。通過實際工程案例的引入，使學生體會相關理論和方法的應用過程，幫助學生初步形成分析、計算與解決工程問題的能力。

二、課程建設

在專業課程體系建設中，如果每門課都片面強調自身科學的、系統的、完整的、嚴密的體系，勢必引起專業培養方案學時的不適當膨脹。因此，將整個專業知識結構設計成為一個科學的、系統的、完整的、嚴密的體系，所涉及的課程服從整個體系的需要，可以使每門課程在專業知識結構中起到恰如其分的作用。在上述思想的指導下，圍繞傳熱學課程建設提出了如下措施：

1.突出建筑環境與能源應用工程專業中傳熱學共性的提煉

在緒論部分引導學生認識傳熱學的任務、基本要求及在專業學習中的重要性。通過對傳熱學功能與作用的闡述，幫助學生在專業知識體系中恰當定位。傳熱學作為具有百年歷史的經典學科，內容極其豐富，也早已自成體系，核心理論包括傳熱的三大基本理論模塊——導熱、對流和輻射，外延理論模塊包括凝結、沸騰和質交換。課程理論性和邏輯性強，符合學生學習活動的心理邏輯。根據上述特點，以能量守恒定律為主線，串聯起導熱、對流和輻射三個理論模塊，適當涉及到凝結、沸騰和質交換等相關外延理論模塊。按照熱量傳遞機理、傳熱過程計算方法、增強或削弱傳熱措施等方面歸納三類基本傳熱方式的共同性與區別，以及在建筑環境與能源應用工程領域的典型應用。

2.提高案例分析在課程內容中的比重

傳熱學理論分析較多，公式復雜且難以理解，因此在理論教學中通過典型案例來揭示抽象理論更容易被學生接受。可以通過授課中案例導入、小結中典型案例分析應用以及布置大作業等不同的方式開展，使學生深入理解基本概念、原理，并學習如何利用課程理論與方法解決實際工程問題。

3.適時吸納本學科的創新成果

隨著傳熱學學科的不斷發展，許多新成果不斷被應用于建筑環境與能源應用工程領域，這些新的知識也逐漸被引入到傳熱學教學中。例如微尺度傳熱學、生物傳熱學，以及螺旋折流板、雙斜內肋管、微肋管等新型換熱設備。對于本科學生而言，對這些新概念、新現象、新設備的認識和理解有時是比較困難的，但與專業應用關聯起來可以有效拓展學生的視野，助力創新性人才培養。

4.加強教師知識和能力

通過學習和研討，讓相關教師具備堅實的傳熱學、工程熱力學、流體力學理論基礎;具有專業全局觀念，了解專業人才培養模式與規格要求，清楚專業課程體系及各門課程、各實踐環節在人才培養方面的作用，掌握所承擔的課程與其他課程或教學環節的銜接關系;具有豐富的工程實踐經驗，理解工程實踐對人才能力的需求;了解學科前沿和發展動態，具有工程新技術研發能力。

三、課程教學方法改革

以突出學生主體性和專業學習的實用性為原則，在傳熱學授課過程中綜合運用了啟發式教學、案例教學等方法，旨在激發學生學習興趣、提高教學效果。

1.啟發式教學

改變傳統專業基礎課面面俱到的灌輸式教學方法，轉向適合學生認知過程的啟發式教學方法。從基本概念到原理運用再到技術分析，層層遞進，由教師引導學生一起去思考、分析和討論問題，讓學生在主動思考中掌握新知識，同時鍛煉運用知識的能力。下面以傳熱學中“導熱微分方程”一講為例進行分析。

該講包含大量的偏微分方程，內容抽象，教師在講授時將重點放在分析導熱微分方程及其各項的物理意義、推導的理論基礎、如何簡化與應用等方面。結合本專業典型的墻體導熱過程，提出工程應用問題，即“如何計算在溫差作用下由分子熱運動產生的熱量傳遞”;引出解決方法，即“物理模型—數學模型—求解”求解數學物理問題的一般方法和應用“能量守恒定律與傅里葉導熱定律”的基本原理;闡述導熱微分方程推導過程，剖析各項物理意義，例如“為熱擴散項，表征的是單位時間內從x方向導入與導出微元體的凈熱量”;導熱微分方程的應用，設定不同的墻體導熱工程情景與學生討論方程的簡化條件，例如“導熱系數是定值、無內熱源、穩態”等等，啟發學生建立導熱微分方程的簡化形式與高等數學中Poisson方程、Fourier方程、Laplace方程等的聯系。

用這樣一種啟發式教學方法，使學生不僅理解了教材中理論性極強的推導過程，還能夠使學生清楚為什么導熱微分方程會有非穩態項、擴散項、源項以及什么時候可以省略，同時引導學生利用高等數學中的相關知識求解簡單的導熱微分方程。這樣，教學過程不只是簡單地教材重現，而是教材的導讀與深化。教材是從抽象的概念和原理入門，再落實到實際應用;而教學要從實際問題出發，引出解決問題的方法，逐步掌握正確的概念和原理，進而形成普適性的抽象理念，二者的思路方向是相反的。

2.案例教學

傳熱學是一門與工程實踐緊密聯系的科學，有許多從生產實際中抽象簡化出來的案例。案例教學可以從兩個角度進行，一方面以案例為切入點，引出相關的概念、原理、技術等，可使教學內容更容易被學生接受，例如在“非穩態導熱”一講中可選擇高溫鐵錠退火的案例;另一方面以根據實際案例分析講解例題，展示給學生如何利用概念、原理、技術等解決實際問題，做到“授人以漁”。例如在“多層平壁導熱”一講中可選擇外墻外保溫系統傳熱系數計算及優化為案例。通過案例教學幫助學生舉一反三、觸類旁通，在有限的學時內達到較好的教學效果。

3.實踐教學

實踐教學是知識傳授、創新能力培養的重要載體[4]，也是傳熱學教學的重要組成部分。傳熱學中的實踐教學主要體現在專業實驗、課程設計、畢業設計三個環節。通過縝密的設計，建立三者之間的有機聯系，減少部分驗證實驗和重復內容，適當增加創新性能力培養的相關內容，使學生盡快將專業知識應用與轉化。安排必修實驗教學8學時，其中基本型實驗4學時、綜合型實驗4學時，開設選修創新型實驗4個。供熱工程、制冷技術、暖通空調、鍋爐房工藝及設備等課程設計及畢業設計中涵蓋了維護結構傳熱計算、各類換熱器選型計算等。此外，鼓勵學生參與專業教師的科研課題。通過產學研用的過程幫助學生完成感知、注意、記憶、理解、實踐、創新的學習過程。

4.考核機制

課程的考核機制與課程理念是一致的，我們要考查的是學生對基本原理、概念和方法的掌握程度，而不是考查學生的計算能力。單一的閉卷考試模式已不適用，通過彈性的、多樣的考核方式才能全面考查學生對概念的理解程度和分析問題的能力。筆者將傳熱學考核分為閉卷考試（60%）、實踐環節（20%）、大作業（10%）和研究性學習（10%）四個部分。閉卷考試主要用于考查學生對課程的基本概念、基本理論和基本規律等基礎知識的掌握程度，題目主要包括選擇題、名詞解釋、簡答題、計算題等，特別注意避免大段背書、背公式的情況。實踐環節主要用于考查學生的動手能力、數據處理能力、團隊協作能力等，通過專業實驗操作及實驗報告質量確定。大作業是案例教學的一部分，通過設計作業內容不僅訓練學生對知識的運用熟練程度，還要訓練學生的獨立思考能力。研究性學習包括選修創新型實驗、參與科研課題等形式，將其納入到考核內容中來，可以調動學生學習積極性和主觀能動性，為創新能力的培養提供平臺。

5.雙語教學

雙語教學外語教學與學科內容相結合的體現，順應高等教育國際化的需求。主講教師國際化的教育背景為雙語教學提供了條件。根據課程的內容、難易程度等因素，筆者選擇了“緒論”、“太陽輻射”兩講開展了雙語教學。學生對該教學方式比較認可，認為有利于理解專業術語、有利于國際交流和繼續深造、學習有挑戰性、課堂氣氛活躍等，希望增加雙語學習的機會。

四、結語

傳熱學是建筑環境與能源工程專業專業基礎課的一枚基石，是學生解決工程實際問題的知識源泉。隨著學科的不斷發展、專業方向的不斷調整，社會對專業人才需求的不斷變化，類似傳熱學這樣的專業基礎課程的教學改革勢在必行。只有在課程建設與教學方法改革的實踐中不斷摸索、研究和總結，才能使教學體系更科學、結構更合理，不斷提高學生的基礎知識儲備水平，增強學生解決專業實踐問題的能力，進而滿足社會對人才培養質量的要求。

參考文獻：

[1]高等學校建筑環境與設備工程學科專業指導委員會.高等學校建筑環境與能源應用工程本科指導性專業規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2013：1-2.

[2]付祥釗，康侍民，盧軍，等.培養建筑環境與設備工程通識型人才的探索[J].高等建筑教育，2008，17（6）：30-34.

[3]朱穎心，石文星.對工科專業課程教學方法的思考[J].高等建筑教育，2011，20（5）：78-82.

[4]李培根，許曉東，陳國松.我國本科工程教育實踐教學問題與原因探析[J].高等工程教育研究，2012，（3）：1-6.

（責任編輯：王祝萍）