建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)傳熱學教學改革探索

劉春元?趙芳

摘要：面對“卓越工程師”培養(yǎng)的要求，結合建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)特點，針對傳熱學教學改革提出了幾點意見。從優(yōu)化教學內容、引入工程案例的教學方法、講解與討論相結合的教學方式、CFD教學方法的應用、增加實踐教學課程、考核方式改革等幾個方面，使學生學習從被動到主動，并培養(yǎng)學生在較少課時內用傳熱規(guī)律分析工程問題的能力。

關鍵詞：卓越工程師；傳熱學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0149-02

國家教育部于2009年決定實施的“卓越工程師教育計劃”，是為順應國際發(fā)展趨勢，適應國家工業(yè)、企業(yè)需求，增強我國核心競爭力，建設創(chuàng)新型國家，走新型工業(yè)化道路，培養(yǎng)各類型工程師的重要決策。該計劃要解決的重點問題是：企業(yè)一方面抱怨工科大學畢業(yè)生工程實踐能力弱化、不適應企業(yè)要求等問題；另一方面又不愿意接受大學生實習，不愿意參與工程師培養(yǎng)。該計劃旨在高校中培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經濟社會發(fā)展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務。

傳熱學課程著重研究熱量傳遞的規(guī)律和方法。[1]建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)是土木工程專業(yè)下屬學科專業(yè)，主要包含供熱、供燃氣、通風與空調工程、建筑給排水工程、建筑電氣工程等幾個方向，涉及的主要專業(yè)課程有暖通空調、制冷技術、流體輸配管網系統(tǒng)、鍋爐設備、熱質交換等。從這些課程所講授的內容看，傳熱學知識有著相當重要的地位，因此傳熱學是建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)畢業(yè)生知識結構中的一門非常重要的基礎課。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，建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)傳熱學的課時減少到原來的一半。如何在較少課時內培養(yǎng)學生用傳熱學的規(guī)律分析工程問題的能力，面對“卓越工程師”培養(yǎng)的傳熱學教學方法改革勢在必行。[2]

下面結合筆者對建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)學生進行傳熱學課堂教學的工作實踐，談談卓越工程師背景下推進“熱傳學”課程改革的幾點體會。

一、傳熱學課程教學現狀及存在的問題

1.教材的內容結構

楊世銘等主編的《傳熱學》為比較經典的教材，該教材總體上體現了傳熱學這門應用性很強的基礎課程的特點。教材主要包含熱傳導、熱對流和熱輻射三方面的內容。其中熱傳導部分相對簡單，通過簡化實際物理模型，運用高等數學的知識能夠得到一般問題的分析解。而對流換熱過程則相對復雜，該部分在實驗研究的基礎上總結出大量的圖表和經驗、半經驗公式，運用時需區(qū)別不同情況帶入不同的計算公式。對于此部分的學習學生感覺公式繁多、復雜，需強化記憶，且應用時經常選擇錯誤的經驗公式。輻射傳熱部分由于理論的抽象性以及輻射換熱方程次數較高的問題，學生不僅對概念的掌握困難，輻射換熱問題的求解亦有比較大的難度。總的來說，到目前為止傳熱學學科的發(fā)展中對于三種傳熱方式分析方法差別較大，連貫性不強，導致學生對課本知識的理解有些被動。且由于學時的減少，課上主要介紹三種傳熱方式的基本概念及方法，對綜合性問題的分析、訓練環(huán)節(jié)必然相應減少，導致學生分析和解決綜合實際問題的能力缺乏。

2.教學方法和手段單一

傳熱學的教學中，目前多采用多媒體授課。多媒體授課方式相對于以前的板書授課方式雖然大大增強了學生的直觀感受，通過圖、文、聲、像多角度調動學生的情緒、注意力和興趣，但也存在許多新的問題。例如：對于重點公式的推導不夠細致，通常忽略或者先于學生的反應便給出答案，學生無法真正領會推導過程；課上信息量大，只注重講課進度，忽視學生接受程度，到頭來學生收效甚微；與學生的互動缺乏，因為內容多，上課過程多是教師一人在上邊喋喋不休，學生卻在下面精神恍惚，特別是難度較大的章節(jié)，學生因為理解不了干脆放棄聽講，教師在講臺上唱獨角戲，課堂氣氛沉悶。

根據傳熱學課程現狀及存在的問題，以下內容分別為筆者從教學內容、教學方法、考核方式等幾方面進行的一些思考及嘗試。

二、面對“卓越工程師”培養(yǎng)的改革

1.優(yōu)化教學內容

正如教材中所述，最近幾年，世界范圍內科學技術的發(fā)展對于傳熱學課程的發(fā)展產生了積極的影響，也提出了新的挑戰(zhàn)。盡管傳熱學的基本規(guī)律并無變化，但是研究手段的發(fā)展和工程應用領域的擴大進一步豐富了傳熱學的內涵。為了適應我國相關行業(yè)的發(fā)展，體現本學科的進展，要使學生學到最新的知識，必須不斷更新教學內容，把最新的知識引入到教學中。因此在教學內容的選擇上，考慮面對卓越工程師培養(yǎng)的目標，筆者適當刪減了一些比較繁瑣的數學推導內容，如一維無限大平板非穩(wěn)態(tài)導熱分析解的推導過程課堂上不再推導，直接給出最后解的表達形式，要求同學了解其物理意義即可；對于傳統(tǒng)傳熱學中相對陳舊的內容也可根據情況做一些刪減，例如管內湍流傳熱的齊德-泰特公式、米海耶夫公式、流體橫掠管束的格里森公式等；此外，根據情況可以增加一些有關傳熱學新技術的內容，如微尺度傳熱內容、強化單相對流換熱的縱向渦方法等，通過這些前言知識的滲透使學生了解目前傳熱學應用的熱點技術，增加學習興趣。

2.引入工程案例的教學方法

面對“卓越工程師”培養(yǎng)需加強基于工程應用的教學方法。傳熱學學習的最終目的是解決與傳熱有關的工程實際問題。教材中分析的主要問題都能夠在工程實際中找到原型。對建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)來說，空調系統(tǒng)中最主要的部件是兩個換熱器：蒸發(fā)器和冷凝器。其中分別發(fā)生的是制冷工質的沸騰吸熱以及凝結放熱過程，這兩部分換熱的理論基礎分別來自于傳熱學課本中沸騰和凝結換熱一章。為了增強換熱器的傳熱面積，肋片的應用則增加了同學們對換熱器表面不同結構的理解和認識。空調中冷量的載體—制冷劑在管路中的輸送過程需要保溫，經濟保溫層厚度的確定也離不開利用傳熱學知識的計算。此外，空調系統(tǒng)設計初期，計算維護結構的冷、熱負荷時，建筑維護結構的熱傳導環(huán)節(jié)則多可簡化為無限大平壁的穩(wěn)態(tài)導熱問題，與課本中重點分析無限大平壁的導熱問題相對應，等等。因此，在教學工作中引入與本專業(yè)密切相關的典型案例，首先會激發(fā)同學的學習興趣，讓同學帶著問題去理解、去學習。此外，融入大量實際案例也可以使同學對基礎知識的理解更加深入，避免了單純課本知識的枯燥無味。

3.講解與討論相結合的教學方式

提高學生學習效果的重要方法是讓學生的學習從被動到主動。多媒體課件作為一種輔助手段，把抽象的事物用生動的語言和畫面展現在學生面前，更加形象和具體，但講解基礎理論時，以板書為主的方式效果較好。

摒棄課堂上老師一言堂的局面，在整個學習過程中教師主動設置討論環(huán)節(jié)。目前傳熱學作為建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)研究生考試的專業(yè)課之一，許多時候專業(yè)課的復試是通過綜合案例的分析來考查學生對傳熱學知識的掌握情況。因此，在本科生教學階段就加強這方面的練習十分必要。例如在不同學習階段，教師可以挑選某一綜合的傳熱問題，讓學生分成小組，分別通過查閱文獻、分析和制訂求解方案，最后以報告或論文形式提交不同的解決方案，讓學生在課堂上進行匯報和討論，最終獲得大家認為較好的方案。期間避免教師完全控制討論，教師應注意傾聽學生的發(fā)言，并進行適當引導，使所有學生都參加討論過這個過程。這樣，讓學生對傳熱學的學習從被動到主動，深切體會運用所學傳熱學知識解決實際工程問題的過程，增強學習興趣，并能培養(yǎng)部分學生進行科學研究的能力。

4.CFD教學方法的應用

CFD（Computer Fluid Dynamics）是應用各種離散化的數值計算方法與計算機科學相結合來解決流動與傳熱問題的重要方法。對于典型情況下的傳熱問題，傳熱學課本中能夠推導并以公式的形式給出某一特定物體的溫度場，但對于幾何形狀或者邊界條件復雜的傳熱問題，運用CFD技術獲得其內部的溫度場之后，再對其傳熱量進行分析，這種方式已經必不可少。因此，結合CFD的教學方法可以更形象、生動地展示特定復雜場景下的傳熱過程，增強學生學習的興趣，運用巧妙的模擬方法又可以使學生加強對傳熱基本規(guī)律的理解和掌握。[3]

5.增加實踐教學課程

傳熱學是理論與應用并重的課程，目前傳統(tǒng)的授課卻往往偏重理論。為提高學生的動手與分析能力，應增加形式多樣的實踐課程。例如：建立教學和實習示范基地，在學習過程中帶學生到這些基地進行參觀。例如到散熱器或空調廠家，通過讓學生參觀各種形式的換熱器，讓學生感受到傳熱學知識與日常生活和工業(yè)生產的重要性；利用假期可以鼓勵學生到這些示范基地進行短期實習，豐富實踐經驗的同時也加強了鍛煉。筆者所在的學校就與大金、開利等空調公司建立了合作關系，也為學生的就業(yè)提供了很好的出路。此外，可以針對重要知識點開設實驗環(huán)節(jié)，讓學生親自制訂實驗方案、獲得并整理實驗數據，最后運用理論方法獲得不同條件下的實驗規(guī)律等等。這樣通過鍛煉學生的動手能力，增強了工程師素質的培養(yǎng)。

6.考核方式改革

考核既是對教師課堂教學效果的檢驗，又會促進學生學習的效果。筆者曾經對傳熱學的考核方式嘗試多次改革。目前，期末考試環(huán)節(jié)分成開卷加閉卷兩個部分，其中開卷部分針對綜合傳熱問題進行考核，著重考查學生綜合分析問題的能力；而閉卷部分則重點考查學生對基本概念、定性分析方法的理解。此外，課程過程中穿插的小論文完成情況也會在平時成績中體現。這樣避免了單一環(huán)節(jié)失誤導致學生成績不理想而造成的心理負擔，充分給予學生機會，也能夠清楚了解到每個學生在不同方面的特長加以針對性培養(yǎng)。

三、結論

面對“卓越工程師”培養(yǎng)的要求，結合建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)特點，本文提出了優(yōu)化教學內容，引入工程案例的教學方法，講解與討論相結合的教學方式，應用CFD教學方法，增加實踐教學課程，改革考核方式等傳熱學教學改革之方法，能夠使學生學習從被動到主動，并培養(yǎng)學生在較少課時內用傳熱規(guī)律分析工程問題的能力。

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.

[2]林建.“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”專業(yè)培養(yǎng)方案再研究[J].高等工程教育研究，2011，（4）：10-17.

[3]杜敏，王助良.CFD技術在“數值傳熱學”教學中的應用[J].中國電力教育，2012，（33）：58-59.

（責任編輯：王意琴）