傳熱學課程研究性教學的探索與實踐

劉彥豐?高正陽?李斌?梁秀俊

摘要：分析了傳熱學課程在傳統教學中存在的問題，在研究性教學理念的指導下，以華北電力大學能源與動力工程專業的傳熱學課程教學為實踐對象，明確了本課程在學生能力培養方面的目標，以實際工程問題和項目為線索對教學內容進行了重新整合，教學實踐表明該教學模式可以有效的激發學生學習的主動性，促進學生對本課程核心知識的掌握，提高學生的相關專業技能和綜合能力，達到了提高教學質量的目的。

關鍵詞：傳熱學；研究性教學；教學方法；課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0120-02

傳熱學是研究由溫差引起的熱量傳遞規律的一門學科。由于傳熱學在科學技術領域的廣泛應用，它已成為許多工科專業的一門基礎技術課程。在華北電力大學（以下簡稱“我校”），傳熱學作為能源與動力工程（原熱能與動力工程）及建筑環境與設備工程專業的核心專業基礎課，其學時數為72學時，它不僅要為今后學習有關的后續課程打下理論基礎，而且課程本身涉及的一些基本概念、原理和基本分析方法對于培養學生分析問題和解決問題的能力也十分重要。

像目前許多的大學課程一樣，傳統的傳熱學教學中存在著如下的問題：（1）教學目標過于重知識的傳授，而忽視學生能力的培養。一般制定的教學大綱都是對課程知識點的要求，而沒有明確課程在學生能力培養方面的要求。因此，教師在選擇教學內容和教學方法上，也就主要圍繞課程知識的傳授而進行，特別是在教學學時限制的情況下，問題尤為突出；（2）教學內容多以學科體系為線索，內容過于理論化，很難與工程實際緊密結合；（3）教學方法多以教師為中心的講授式，忽視學生在教學中的主體作用。課堂教學中基本上是教師的獨自教授，學生在教學中基本處于被動和從屬的位置。這種由教師主導的單向傳播的方式使學生只能被動地學習知識，而難以發揮其學習的主動性，成了知識的“容器”。這種簡單機械的學習無法培養學生的求知欲，反而消磨了他們原本的好奇心和求知欲。[1]

自2012年開始，我校傳熱學教學組的4位教師在傳熱學課程的教學上采用了研究性教學模式，學生主要是熱能與動力工程專業的學生，含我校“卓越工程師教育培養”試點班的學生，每個教學班級的學生人數在30-50人之間，課程安排在學生的第五學期。現以2013-2014第一學期的傳熱學為例，介紹本課程的實踐情況。

一、“傳熱學”課程的教學目標

按照研究性教學的理念，課程的教學目標是：課程教學不單是使學生更好的掌握系統的學科知識，而更重要的是使學生綜合運用知識去發現、分析和解決問題，得到思維訓練，學會知識的遷移或應用，真正學會學習，同時在以小組合作的研究中，學會與他人溝通交流的技能，形成健全的人格和豐富的思想[3]。它體現了教學目標從單一的知識傳授到知識和能力并重的轉變。

為此，本課程按照研究性教學的理念重新制定了本課程的教學目標。使學生：（1）系統了解傳熱學的基本概念、基本定律和知識框架；（2）能夠正確判斷一些實際問題中所存在的熱量傳遞模式；（3）能夠利用能量守恒的方法確定傳熱問題中各種熱量傳遞之間的關系；（4）能夠選擇合適的計算方法或公式，對工程中典型的傳熱問題進行計算，并定性分析判斷計算結果的合理性；（5）對一般的導熱問題，能夠建立其數學模型，并了解分析求解和數值求解的基本思路；（6）初步掌握有關傳熱的工程設計方法；（7）在計算機技能、合作能力、交流表達、學習能力等方面有所鍛煉。

二、課程內容的整合

研究性教學的形式是多種多樣的，教學內容的“問題性”是其研究性教學最突出特點。教學的過程是以圍繞問題展開的教學過程，注重從問題開始而不是從結論開始，以探索學科知識的產生和發展規律為路徑，以剖析工程原理的形成過程為載體，以分析、研究和解決工程實際和工程學科問題的過程為平臺，以師生互動和同學合作為形式，將學習知識與研究問題相結合，使學生在學習學科知識、工程原理和思考、分析、探究問題的過程中獲取、應用和更新知識，在解決問題的過程中培養和訓練發現、研究和解決問題的能力，在合作學習和團隊交流過程中形成和提高綜合素質。

按照研究性教學的要求，對原有的教學內容調整為如下兩部分。

1.基礎傳熱學

將傳熱學中最基本的概念、理論和方法等提煉出來，形成傳熱學的主干知識，稱之為基礎傳熱學。主要內容包括：熱量傳遞的機理和模式、能量守恒定律在分析傳熱現象中的應用、導熱問題分類和導熱基本定律、一維穩態導熱分析解、非穩態導熱的集總參數模型、對流傳熱的分類、邊界層概念及其對流傳熱的研究方法、對流傳熱的特征數關聯式、輻射的基本概念、兩表面間的輻射傳熱計算、綜合傳熱問題的分析等。[2]

2.主要的研究課題或項目

以工程實際問題為線索，整合部分教學內容，作為學生研究性學習的課題或項目。目前主要有如下幾個問題：（1）平板式太陽能集熱器的傳熱分析和計算；（2）套管式和管殼式換熱器的熱設計；（3）等截面直肋散熱特性的研究，包括對其一維和二維模型的分析解和數值解；（4）高溫金屬件冷卻過程溫度場的研究，研究對象有大平板、長圓柱、球等典型一維幾何形狀的物體，研究方法包括集總參數模型、一維模型的分析解和數值解；（5）冬季房間熱負荷計算的研究；（6）不可壓流體外掠平板對流傳熱的研究，包括分析解、實驗解。

三、具體的教學實踐

1.教學安排

首先用20-24學時的時間進行基礎傳熱學的教學，這一部分內容仍以教師教授式為主，這樣可以讓學生在較短的時間內對傳熱學的最基本的概念、理論和方法形成認知，這些內容也為學生開展研究性學習提供了必要的理論基礎。

接下來32-36學時的時間，主要是以研究課題或項目為主線開展教學，教師給出每個課題的研究內容和時間計劃，并對必要的方法給予講解，學生以2-3人小組的形式自主開展學習研究。教師及時了解學生的進展和困難，適時進行反饋和指導，學生最終提交研究論文或項目報告，教師選擇性地進行交流展示。表1給出了其中4個課題的具體教學安排。

2.課程的考核模式

由于課程的教學與以往發生了巨大的改變，因此課程的考核方式也必須進行調整，以起到激勵學生的學習積極性，確保教學改革的成功。學生的成績由期中考試、課題或項目的研究評價和期末考試三部分組成。在第一階段學習完成后進行期中考試，其成績占總成績20%；課題或項目的研究評價包括學生學習的態度、課題的整體質量、個人在小組中的貢獻等，這一部分占總成績的20%；期末考試采用開卷的形式，其成績占總成績的60%。

四、取得的成效

經過2年多的教學改革實踐，基本達到了預期效果，取得的成效主要體現在：

1.極大調動了學生的學習積極性，激發了學生的學習興趣

在原來的教學中，總會有部分學生逃課，即使學生到課堂也不一定認真聽講，現在每個教師課堂的到課率都能達到96%以上，同學對課程的大作業（課題或項目）也表現了很大的熱情。下面是部分同學的體會：“尤其是大作業，讓我感覺很新鮮，很愿意去完成它。能夠實實在在地去求解一個實際問題讓我感覺很有成就感，這就叫學以致用吧。”“感覺是一種新的學習模式，從自己做的過程中思考，發現問題，解決問題，我覺得，這個過程是一種更大的收獲。這種教學很容易引起我們學習的興趣。”“我想之所以完成這種研究性學習的作業的感覺這么好，大概是因為我們從中感受到，用所學知識解決身邊問題的驚喜，以及克服困難后的這種成就感。”

2.學生真正學到了知識、鍛煉了能力

多數同學認為通過本課程的學習，真正學懂了該課程的核心知識體系，并從中鍛煉了自己的多方面能力。下面也是部分同學的體會：“讓我們能把遇到的實際問題進行科學分析然后簡化求解，真正做到了學以致用，而不是單純的只會解書上的習題而已。”“經過幾次大作業的完成，自己收獲頗豐，這是一直以來我在學習生活中少有的感覺……不但對傳熱學知識加深了理解，也真正提高了自己的學術寫作和計算機編程能力。”

參考文獻：

[1]孟凡.本科研究性教學的基本特征探析[J].煤炭高等教育，

2009，27（6）：31-33.

[2]林建.面向卓越工程師培養的研究性學習[J].高等教育研究，

2011，（6）：5-15.

（責任編輯：劉麗娜）