傳熱學(xué)課堂教學(xué)引入淺析

趙斌 盧閃 孫鑫 鄭雨柔

摘要：課堂引入是上好一堂課的關(guān)鍵所在，我校傳熱學(xué)課堂教學(xué)嘗試實(shí)驗(yàn)、音像等引入法，經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，表明在傳熱學(xué)課堂教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用具有針對(duì)性、趣味性和科學(xué)性的課堂引入實(shí)例，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)造思維能力，在課堂教學(xué)中具有重要的地位和作用。

關(guān)鍵詞：課堂教學(xué);課堂引入法;傳熱學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）47-0138-03

一部成功的電影需要出奇制勝的預(yù)告片吸引觀眾的注意，教學(xué)亦是如此，生動(dòng)有趣的教學(xué)引入對(duì)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)起著至關(guān)重要的作用，對(duì)傳熱學(xué)教學(xué)質(zhì)量的提高以及人才培養(yǎng)也是舉足輕重的[1]。

經(jīng)過(guò)多年的努力，我校傳熱學(xué)課程建設(shè)已日臻完備，并已形成自己的特色，于2007年被評(píng)為校優(yōu)秀課程，2008年被評(píng)為省精品課程。教學(xué)實(shí)踐表明，對(duì)尚未接觸傳熱學(xué)課程的低年級(jí)大學(xué)生而言，受往屆傳熱學(xué)課程掛科率比較高等原因的影響，對(duì)傳熱學(xué)課程的學(xué)習(xí)仍存有畏懼心理。教師在課下與學(xué)生的交流發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生在傳熱學(xué)這門(mén)課的學(xué)習(xí)上不得要領(lǐng)，在初聽(tīng)多維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題、大容器沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式以及間壁式換熱器熱設(shè)計(jì)等類(lèi)似問(wèn)題時(shí)，就有種惴惴不安的感覺(jué)。因此，如何做好傳熱學(xué)課堂引入，激發(fā)學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，排除畏難情緒，愈發(fā)顯得關(guān)鍵。

一、傳熱學(xué)簡(jiǎn)介

傳熱是一種自發(fā)的不可逆過(guò)程，而傳熱學(xué)是一門(mén)跨行業(yè)、專(zhuān)業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)性交叉學(xué)科，它是在數(shù)學(xué)（主要是微分方程理論）、熱力學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科。熱能傳遞的三種基本方式為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。三種傳遞方式的主要區(qū)別在于相對(duì)位移和傳遞介質(zhì)。

傳熱過(guò)程大多伴隨熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱的綜合影響[2]。例如，生活中鐵板燒的傳熱過(guò)程和水壺?zé)倪^(guò)程就兼具這三種換熱方式，而不同案例下，這三種換熱方式所占比例又不盡相同。由此可見(jiàn)，對(duì)于傳熱過(guò)程的理解分析，存有一定的難度。學(xué)生在學(xué)習(xí)傳熱學(xué)課程之初，為消除大學(xué)生的畏難情緒，嘗試采用引入法從各個(gè)角度加深學(xué)生對(duì)熱量傳遞現(xiàn)象的深入理解[3]，以激發(fā)大學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣。

二、引入法淺析

任課教師在傳熱學(xué)課堂上改變傳統(tǒng)的授課模式，初步探討研究出幾種教學(xué)引入方法。例如，在講到傅立葉定律時(shí)，教師通常會(huì)簡(jiǎn)要介紹讓·巴普蒂斯·約瑟夫·傅立葉這位偉大的法國(guó)物理學(xué)家的生平事跡，繼而提及他是如何提出導(dǎo)熱基本定律以及求解導(dǎo)熱微分方程的無(wú)窮級(jí)數(shù)的。此外，教師還可依據(jù)教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)，為學(xué)生設(shè)疑，讓學(xué)生積極思考，開(kāi)拓思維，主動(dòng)發(fā)言，以此調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)傳熱學(xué)課程的興趣。

1.實(shí)驗(yàn)引入法。在課堂上，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生一起參加，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力，更重要的是，形象化的實(shí)物相比抽象的理論而言，更容易讓學(xué)生接受。

在傳熱學(xué)第一堂課中，任課教師帶著蠟燭、紙杯、托盤(pán)還有一瓶純凈水來(lái)到教室，學(xué)生都驚訝地看著教師，他們想象不到教師要在傳熱學(xué)課堂上為大家做一個(gè)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)，那就是用紙杯燒開(kāi)水（見(jiàn)圖1）。實(shí)驗(yàn)很成功，水也燒開(kāi)了，但紙杯并沒(méi)有燒著。學(xué)生在底下議論紛紛，猜測(cè)這到底是為什么。在大家各抒己見(jiàn)后，總結(jié)出正確答案：紙的燃點(diǎn)在180℃左右，而水的沸點(diǎn)在100℃左右，當(dāng)紙杯中裝了水，用蠟燭加熱紙杯底部時(shí)，紙杯吸熱升溫并將熱量迅速地傳遞給水，當(dāng)紙杯中的水吸熱升溫至沸點(diǎn)時(shí)，水開(kāi)始沸騰。因此，只要紙杯中有水，紙就不能達(dá)到燃點(diǎn)而燃燒。學(xué)生合理地解釋完實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教師可開(kāi)始引入傳熱學(xué)內(nèi)容，告訴學(xué)生，把水燒開(kāi)的過(guò)程包含即將學(xué)習(xí)的三種換熱方式。類(lèi)似的趣味實(shí)驗(yàn)有很多，如一塊30mm×30mm×5mm的冰塊靜止地懸掛在20℃大氣中，冰塊融化時(shí)的形狀有什么變化，也可讓學(xué)生自己動(dòng)手操作觀察，尋求原因，以達(dá)到課堂引入的良效。由此，學(xué)生帶著好奇心與求知欲，開(kāi)始這學(xué)期的傳熱學(xué)課程。

2.音像引入法。如今，高校教學(xué)大多是多媒體授課，在開(kāi)始課程講解前，可有效利用多媒體資源，為學(xué)生播放相關(guān)影片。當(dāng)然，影片時(shí)長(zhǎng)幾分鐘即可，重在引入課堂知識(shí)。

任課教師曾在開(kāi)始講對(duì)流傳熱這章內(nèi)容時(shí)，為學(xué)生播放經(jīng)典影片《泰坦尼克號(hào)》片段，男主人公Jack在海水中被凍死，而女主人公Rose卻因躺在竹筏上幸存下來(lái)（見(jiàn)圖2）。影片戛然而止，學(xué)生興趣盎然，這時(shí)教師可以問(wèn)大家為什么Jack沒(méi)有像Rose那樣撐到救援人員來(lái)的一刻？由于絕大多數(shù)的學(xué)生對(duì)該影片比較熟悉，各抒己見(jiàn)。有的說(shuō)因?yàn)镴ack把外套脫下給了Rose;有的說(shuō)海水比較涼，Jack體質(zhì)比較差。整個(gè)課堂開(kāi)始活躍起來(lái)，大家爭(zhēng)相回答，而教師告訴學(xué)生，可以用傳熱學(xué)理論解釋?zhuān)簝扇伺c環(huán)境之間屬于自然對(duì)流換熱，但Jack是與海水發(fā)生自然對(duì)流換熱，而Rose在竹筏上，是與空氣發(fā)生自然對(duì)流換熱，在溫度等條件相同的前提下，水的自然對(duì)流強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于空氣，因此Jack所處環(huán)境的換熱強(qiáng)度要高于Rose，單位時(shí)間內(nèi)Jack向水傳遞的熱量遠(yuǎn)高于Rose向空氣傳遞的熱量，從而導(dǎo)致Jack被凍死，而Rose卻幸免于難。雖然只有短短幾分鐘的交流，學(xué)生卻明白課堂內(nèi)容的重要性。為了獲取更多的知識(shí)，更合理地解釋其他一些實(shí)例，學(xué)生都開(kāi)始認(rèn)真聽(tīng)講，使得課堂引入效果甚佳。

3.設(shè)置懸念法[4]。教師還可以嘗試根據(jù)課堂重點(diǎn)內(nèi)容，在一堂課開(kāi)始前先給學(xué)生留下幾個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)好的相關(guān)問(wèn)題，讓大家思考，然后互相討論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

例如，在講到輻射換熱這一章時(shí)，教師可以先問(wèn)大家，我國(guó)北方地區(qū)在深秋季節(jié)的清晨，樹(shù)葉葉面上常常會(huì)結(jié)霜（見(jiàn)圖3），那么是樹(shù)葉上表面結(jié)霜還是下表面結(jié)霜？根據(jù)常識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，大家異口同聲地回答是樹(shù)葉上表面結(jié)霜。教師可緊接著繼續(xù)問(wèn)為什么？這時(shí)沒(méi)有學(xué)生能準(zhǔn)確說(shuō)出其中的原因。這時(shí)，教師要告訴學(xué)生，學(xué)完這堂課，你們就會(huì)找到其中的奧妙。這一堂課，大家?guī)е蓡?wèn)聽(tīng)得津津有味，而且全神貫注。課堂最后，學(xué)生也可以自己找到答案。這是由于清晨時(shí)分，樹(shù)葉上表面朝向太空，下表面朝向地面，而太空溫度低于地表溫度，即相對(duì)樹(shù)葉下表面來(lái)說(shuō)，其上表面需要向太空輻射更多的能量，導(dǎo)致樹(shù)葉上表面溫度低于下表面溫度。在寒冷天氣，樹(shù)葉上表面溫度會(huì)先于下表面達(dá)到零度，還有可能低于零度而出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象。設(shè)置懸念的方法可以有效地引發(fā)學(xué)生的好奇心與積極探討的情緒，該方法實(shí)施的關(guān)鍵在于問(wèn)題應(yīng)符合教學(xué)內(nèi)容，難度不應(yīng)太大，使學(xué)生有一種“跳一跳，摘得到”的感覺(jué)。

4.聯(lián)系生活法[5]。在結(jié)束導(dǎo)熱、對(duì)流換熱與熱輻射的講解之后，教師開(kāi)始對(duì)熱流傳遞的三種基本方式進(jìn)行總結(jié)。即便是這樣的復(fù)習(xí)課，教師也可選取生活中的一些小事例進(jìn)行課堂引入。這時(shí)的課堂引入不但是為了引發(fā)學(xué)生的興趣，更重要的是學(xué)以致用，回顧學(xué)過(guò)的知識(shí)，用學(xué)到的知識(shí)科學(xué)地解釋生活現(xiàn)象，提高思考能力與總結(jié)能力。

例如，人們都有這樣的經(jīng)歷，對(duì)于相同的室溫，假設(shè)25℃，夏天在該溫度的房間內(nèi)穿著單薄衣物，可能仍然覺(jué)得熱，而冬天在這樣的房間內(nèi)穿著棉服，卻還有冷的感覺(jué)，這是什么原因？這是由于人體表面與室內(nèi)環(huán)境發(fā)生對(duì)流與輻射產(chǎn)生的復(fù)合換熱量在冬夏之間差別巨大造成的。再如，許多人喜歡在冬天的陽(yáng)光中曬被子（見(jiàn)圖4），棉被經(jīng)過(guò)白天在太陽(yáng)底下暴曬后，晚上蓋起來(lái)會(huì)很暖和，經(jīng)過(guò)拍打后，效果更明顯。這時(shí)教師可以讓學(xué)生用傳熱學(xué)知識(shí)解釋原因，即：棉被經(jīng)過(guò)晾曬后，棉花空隙中會(huì)進(jìn)入更多的空氣，而空氣在狹小的棉絮空間中的熱量傳遞方式主要是導(dǎo)熱，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小，具有良好的保溫性能，當(dāng)棉被經(jīng)過(guò)拍打后，可讓更多的空氣進(jìn)入，效果更明顯。

5.工程實(shí)踐法。課本中的理論知識(shí)往往是枯燥乏味的，學(xué)生懂得應(yīng)用傳熱學(xué)知識(shí)解釋相關(guān)生活現(xiàn)象，僅僅是基礎(chǔ)要求，但作為工科生，其最理想的學(xué)習(xí)效果是把已學(xué)知識(shí)合理應(yīng)用到工程實(shí)踐中。往屆的很多學(xué)生雖然結(jié)束了一學(xué)期的傳熱學(xué)課程學(xué)習(xí)，但卻從未了解過(guò)工程實(shí)踐中的傳熱問(wèn)題。因此，教師將聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)例作為課堂教學(xué)引入方法，不僅可以開(kāi)闊學(xué)生視野，同時(shí)也會(huì)把抽象的理論知識(shí)融合到具體的生產(chǎn)實(shí)例中，讓學(xué)生愿意聽(tīng)，印象也更加深刻。

在講到傳熱過(guò)程分析與換熱器的熱計(jì)算這一章內(nèi)容時(shí)，任課教師可以教室中的暖氣片（如圖5）為例，告訴學(xué)生暖氣是我國(guó)北方地區(qū)必不可少的家用設(shè)備，其重要性不言而喻。暖氣片是一種簡(jiǎn)單的換熱器，其設(shè)計(jì)與安裝都有一定的學(xué)問(wèn)。為使其能更有效地散熱，設(shè)計(jì)者會(huì)為其設(shè)計(jì)若干肋壁，以此加大散熱表面積，降低對(duì)流換熱的熱阻，增強(qiáng)傳熱作用。在安裝時(shí)，由所學(xué)對(duì)流換熱分析可知，應(yīng)盡量將暖氣片安裝在窗戶(hù)下方，使進(jìn)入室內(nèi)的冷空氣加熱后上升，在房屋上空循環(huán)冷卻后，下降回流到暖氣片周?chē)M(jìn)行再次加熱，從而使房間達(dá)到一個(gè)有效的空氣對(duì)流循環(huán)。這一引入法可讓學(xué)生明白專(zhuān)業(yè)知識(shí)在生產(chǎn)實(shí)例中的重要性，內(nèi)心產(chǎn)生一種使命感和責(zé)任感，更踏實(shí)地投入專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)中。

工程實(shí)踐引入法主要適用于有經(jīng)驗(yàn)的教師，對(duì)剛剛踏上講臺(tái)的教師來(lái)說(shuō)，需要在后續(xù)工作和生活中積累經(jīng)驗(yàn)，才能有效地引導(dǎo)學(xué)生把理論知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合起來(lái)。

總之，課堂引入方法不勝枚舉。例如，斷橋殘雪是杭州西湖十景之一，可采用美景欣賞法為學(xué)生講述其中的傳熱原理;窗玻璃對(duì)紅外線幾乎不透明，但隔著玻璃曬太陽(yáng)卻使人感覺(jué)很暖和，可采用親身感受法引入課堂內(nèi)容。通過(guò)各種示例的引入、分享，逐步加深學(xué)生對(duì)熱量傳遞現(xiàn)象的認(rèn)知理解。

三、結(jié)語(yǔ)

高等學(xué)校專(zhuān)業(yè)課程課堂教學(xué)引入法的目的是旨在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)好奇心，提高教學(xué)質(zhì)量，從而提高專(zhuān)業(yè)教學(xué)水平。但在課堂引入法的應(yīng)用上，應(yīng)注意引入方法的簡(jiǎn)潔有效，要妙趣橫生，緊貼教學(xué)內(nèi)容，具有科學(xué)依據(jù)。

在傳熱學(xué)課堂教學(xué)中，教師應(yīng)針對(duì)每堂課的具體教學(xué)內(nèi)容選擇行之有效的引入方法吸引學(xué)生，讓他們感受到傳熱學(xué)的魅力，學(xué)會(huì)用傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論解釋生活中的現(xiàn)象，學(xué)會(huì)用所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

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