換熱器多角度實驗教學設計探索

張淑榮 孫業山 鞏志強

摘要：實驗教學是應用型人才培養的關鍵環節，換熱器實驗教學是傳熱學課程教學的重點內容，通過對換熱器理論、真實及虛擬實驗教學設計與實施完成實驗教學改革。實踐結果表明：教學效果良好，能夠有效地提高學生的實踐操作能力，真正做到理論與實踐相結合。

關鍵詞：換熱器；傳熱學；真實實驗；虛擬實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）28-0264-02

換熱器是實現冷熱兩種流體熱量傳遞的熱交換設備，是一個綜合了導熱、對流、輻射三種換熱方式的換熱過程，是對傳熱學教學內容的一個綜合應用，在整個的傳熱學教學中具有非常重要的地位。

一、換熱器實驗實踐教學的重要性

換熱器在石油、化工、動力、食品等領域的普遍應用，對換熱器的研發、創新提出了越來越高的要求，既要保證各領域的熱量傳遞質量，還要做到高效、環保節能[1]。這對高校的傳熱學教學提出了嚴峻的考驗。而傳熱學作為一門專業基礎課，承擔著聯系專業課和基礎課的重要使命，在整個的培養體系中起到承下啟下的作用。另外，教育部等部門于2012年提出應用型人才培養的改革目標，要求高等學校普通本科培養方案實踐教學比例達到25%，充分體現了實驗實踐教學的重要地位。針對能源專業的傳熱學，我校采取理論與實踐密切結合的教學模式，以理論為基礎，夯實實驗、實踐教學環節，提高教學效果，提升學生就業能力。

二、換熱器實驗教學設計

根據換熱器理論簡單，而實際工程復雜、涵蓋知識點多等特點[2-5]，文章著重從實驗、實踐工程角度，采用真實與虛擬兩種教學方法對換熱器的實驗教學進行設計。

（一）真實實驗教學

真實實驗教學主要是將直觀的東西呈現在學生面前，讓學生對換熱器有一個感性的認識與接觸。換熱器的真實實驗教學分三部分，共設計16學時。

1.換熱器多媒體理論教學。多媒體教學是指采用現代的教學媒體，并結合傳統教學手段進行的一種教學形式，是現代教育不可或缺的教學形式。換熱器型式多樣化，若要在課堂短時間內講授清楚換熱器的換熱原理，只通過課本圖片及板書的講解遠遠不夠，如果借助多媒體方式把各種換熱器以圖片或動畫的模式展現在同學面前，讓同學有個感觀的認識，更容易被理解和接受。同時，對于多種換熱器，可以進行對比教學，類比換熱器的結構、特點以及所適用場合的不同。多媒體的對比教學更容易激發學生的學習興趣，加深對理論知識的理解。多媒體換熱器教學約8學時。

2.換熱器模型教學。為順應理論教學的需求，實驗室配備了部分換熱器，如管殼式換熱器、板式換熱器的模型，在理論講授的同時，向學生展示換熱器模型，課后讓每位學生近距離接觸換熱器演示實體，親手拆裝換熱器模型，培養他們的動手操作能力及空間想象思維。

3.換熱器實驗臺教學。換熱器實驗臺實驗有四項，其中兩項必修項目、兩項開放性選修項目。必修項設計包括換熱器綜合實驗、自然對流換熱系數實驗測試，選修項設計包括水沸騰換熱實驗和輻射換熱系數測定實驗。實驗的目的是增強學生對各種類型換熱器換熱系數范圍的認知，學習換熱器換熱系數的測試及計算方法，掌握增強和削弱換熱效果的措施。此類實驗以驗證性實驗為主，缺乏創新性和綜合性。

（二）虛擬實驗教學

真實實驗教學重點關注傳熱理論及計算方法，虛擬實驗教學主要關注換熱器的結構認識及學科間的融合，完成學生對換熱器感性與理性認識的過渡[6]。通過虛擬換熱器實驗將能源專業學生應該掌握的幾項基本技能結合起來，開設開放性實驗，建立虛擬實驗教學實驗室，這也是應用型本科人才培養的需求。我校經過多年的教學探索，現暫定的虛擬實驗項目有三個，實驗學時為48小時。

1.CAD與換熱器。Cad是能夠以多種方式創建直線、圓、多邊形、曲線等基本圖形的繪圖工具，是工科專業學生必備的基本技能。CAD學習中主要是以繪制樣圖的方式進行學習，缺乏具體的工程訓練。換熱器的理論教學以手繪為主。在CAD虛擬實驗項目中，要求把cad與換熱器設計充分結合，要求學生能夠獨立地將換熱器二維cad圖形完整表達，這樣不但可以加深他們對換熱器結構的認知，同時也能提升他們的繪圖水平、空間想象能力，真正做到理論與實踐相結合。

2.Inventor與換熱器。Inventor是一款三維可視化繪圖軟件，因為它能夠生成CAD工程圖的優勢被企事業單位廣泛使用。通過inventor軟件能夠將換熱器的三維效果展現出來，彌補二維空間軟件立體感不足的缺點，通過三維軟件的繪制，一方面拓展了學生的繪圖能力，從cad的二維空間升級到三維視圖；另一方面加深了學生對換熱器內部管路與端蓋、管路與折流板、折流板與板壁等的連接形式的認識。Inventor軟件學習難度較cad大，所以三維立體換熱器開放實驗只針對少數對機械制圖頗有興趣和研究的學生。一般每次開放日實驗只容納2～3名學生。

3.Fluent與換熱器。Fluent是一款能夠呈現換熱設備內流體流場、溫度場分布等的仿真軟件，是科研人員常用的模擬軟件。目前Fluent軟件對于本科級別的學生使用還有一定的難度，所以Fluent軟件主要用于教師的演示教學，通過演示教學，學生掌握傳熱學中的數值計算方法，如網格的建立、迭代計算的方式，同時通過模擬結果掌握流體在換熱器內的流動狀況。

4.HIFR換熱器設計。換熱器課程除了理論課、實驗課外，還有設計實踐課，設計課程周期為兩周，在第四學期傳熱學課程之后開展，共計80學時。通過給定一個換熱目的，學生自行設計一臺換熱器。如：設計一個管殼式換熱器，已知處理能力、熱水、冷卻介質的進出口溫度，允許壓降、運行時間等參數。換熱器設計首先要求通過手算進行，并且設計需完整正確。通過手算，掌握了設計要領后，采用HIFR等軟件進行核算。通過這兩種設計方式對比，找出設計中存在的問題。不但使學生掌握了換熱器的設計思路、計算方法、選型等關鍵問題，同時也掌握了先進的設計方法，貼合現代科技發展的需求。

三、教學效果分析

（一）實際教學表現

真實實驗因為它的真實性、實物性很容易被大家接受，并且真實的實驗能夠給學生帶來實際操作的愉悅感，一直備受實驗教學的青睞。據統計每周開放日，約65%～80%的學生選擇實體實驗教室，一是實體實驗室可容納人數多，二是實體實驗較為簡單、難度低，尤其通過教師的講解之后很容易掌握。

虛擬教學側重于學科間的融合，注重學生綜合素質的培養，其難度成為了學生的一道門檻。每周開放日，虛擬實驗室人數較少，一是虛擬實驗室本身可容納人數少，二是虛擬實驗占用時間多、難度大，學生缺乏“坐得住，穩扎穩打”的戰斗精神。但隨著網絡化、信息化時代的發展，虛擬教學將以其獨有的特性獨領風騷。真實實驗與虛擬實驗教學是當代大學生不可或缺的實踐教學模式，二者相得益彰，互為補充。

（二）改進建議

虛擬教學作為實踐教學的重要組成部分，合理的設計至關重要。目前我校的設計考慮能源專業男生多、女生少的特點，側重于換熱器結構及部件間的鏈接形式認識，偏重于圖形繪制，這對不想從事科研工作的學生吸引力較少。建議改善虛擬教學項目，增設Flash動畫制作、3D虛擬教學等實驗項目，進一步提高虛擬實驗教學水平，讓更多的學生走進虛擬實驗室，真正受益，全面提高自己。當然這也對教師的教學提出了更高的要求，需要投入更多的師資力量保證虛擬實驗室的教學。

四、結語

換熱器實踐教學是傳熱學實踐教學的核心，真實實驗教學與虛擬實驗教學并重，真實實驗教學更多的加深了學生對理論知識的理解，虛擬實驗教學側重學生創新性、綜合性素質的提高，兩者共同譜寫了換熱器實踐教學的篇章。

參考文獻：

[1]肖克，張巨偉，于妍.管殼換熱器的發展和前景[J].當代化工，2015，（44）：2821-2824.

[2]施紅，溫華兵，唐春麗，等.“協同教學”及“教考分離”在傳熱學教學過程中的可行性分析[J].價值工程，2015，（36）：242-243.

[3]阮芳，龍激波，王平，周葉，等.傳熱學課程教學方法的研究與實踐[J].高等建筑教育，2015，（24）：93-96.

[4]趙斌，梁靜龍.“傳熱學”研究性實踐教學體系的構建[J].中國電力教育，2009，（140）：123-125.

[5]鄒艷芳.“傳熱學”實驗教學改革與思考[J].中國電力教育，2014，（17）：106-107.

[6]侴愛輝，馮妍卉，張欣欣，郭美榮，高婷.虛擬實驗在“傳熱學”實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2011，（30）：312-315.