案例式教學在大學專業課中的應用

蔣貴文　王學仁　周偉

摘要：通過闡述傳熱學課程特點和教學中存在的重點問題，結合案例式教學方法的優勢分析，提出在傳熱學教學中引入案例式教學的可行性和重要性，并且針對青藏鐵路凍土施工技術案例的傳熱學分析，闡釋了案例式教學應用的優越性。

關鍵詞：傳熱學；案例式教學；青藏鐵路

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）33-0197-02

傳熱學是研究熱量傳遞及其規律的一門科學，經過近一個世紀，傳熱學在理論、計算和應用方面都獲得了巨大的發展，現在已經成為一門重要的技術基礎學科。高校傳熱學課程知識面廣、理論性強、重點難點較多，需要有效的教學方式提高學生的學習效果。案例教學法是一種以學生為主體、老師引導學生以專業知識分析具體案例的教學方法[1]，具有目的明確、形象生動、啟發深刻、學生主動性強等特點，能夠提高學生分析問題和解決問題的能力，對于傳熱學教學具有較高的應用價值。

一、傳熱學課程特點及教學現狀

傳熱學課程作為建筑環境與能源應用工程專業的基礎課，其本身涉及的公式多、概念多、定律多，學生學習時存在較多問題：

1.概念理解不深刻，原理應用能力差。傳熱學不僅概念和公式多，而且與其他基礎課程聯系密切，涉及到的數理基礎知識深而廣。學生缺乏對概念和原理物理意義的理解，多數停留在機械記憶層面。

2.分析計算能力弱。傳熱學課程中的導熱、對流換熱、輻射換熱內容各自具有多種研究方法和計算公式，其中還涉及大量的經驗公式，導致具體計算步驟繁雜，難度較大。學生面對計算問題大多搞不清楚計算的具體步驟和其中的邏輯，對具體的數值計算更是束手無策。

3.傳熱學理論知識與工程實踐問題結合應用能力較弱。學生習慣了傳統教學中的知識灌輸，學習的內容更多停留在理論分析層面，針對實際問題的建模和計算分析能力較弱，不能較好的將理論學習內容用于解決工程實際中的具體問題。

二、案例式教學法的操作過程和優點

（一）基本操作過程

首先，根據課程內容和學生接受能力，老師在課前選編典型案例，擬定討論題目和學習要求。其次，進入課堂教學后，老師通過多媒體向學生展示案例并提出相關問題。然后，學生按小組就案例事實和具體問題展開討論，老師在關注學生討論內容的時候因勢利導，揭示各種論點之間的內在聯系，及時引導討論熱點。最后，學生就討論的內容形成本小組結論，老師對討論的結果和存在的問題進行評價和解答，對其中的知識點和重難點進行進一步的補充強調。

（二）優點

1.從教學方面講，案例內容來源于工程實際，具有較強的拓展性和實踐性，將學生學習的理論性的知識點與現實生活中的工程實際問題相結合，使理論學習具有更高的趣味性和接受性，實現了學校教學與社會實踐的真實溝通。

2.從老師方面講，老師在案例式教學中的主導作用得到充分發揮。傳統教學中，老師主要進行課程內容的講解和具體疑問的解答。而在案例式教學中，老師首先要提供貼合教學內容的案例，然后組織和引導學生解讀、討論案例內容和具體問題，最后評價和解釋學生提出的結論和問題。

3.從學生角度來講，學生參與程度明顯提高，學習效果顯著改善。案例式教學中，學生不僅需要理解案例內容，還要針對老師提出的問題進行深入討論并提出自己的觀點，其分析能力、思辨能力、口頭表達能力均得到了提高。學生將教材內容與社會實際緊密聯系起來，達到理論分析與實踐論證的有機統一。

當前，社會的快速發展促使高校教學改革不斷深化。針對傳熱學課程特點和教學現狀，探索發揮案例式教學優勢，提升傳熱學課程教學效果，促進專業人才培養。

難易適度、貼合工程實際和教學內容的案例是案例式教學的基礎，下面通過一個典型案例具體闡釋案例式教學在傳熱學課程中的具體應用。

三、案例：青藏鐵路凍土施工技術

青藏鐵路是目前世界上平均海拔最高、最長的高原鐵路，其線路全長的49%穿越高原多年凍土區。凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質，對溫度變化極為敏感，且性質不穩定。凍土在正負溫度交替變化的過程中，產生凍脹和融沉現象，導致凍土上結構產生凍脹和融沉變形，從而破壞結構。因此凍土保護問題是修建該條鐵路面臨的最大難題，其中蘊含著豐富的傳熱學知識。要求學生結合課程學習內容對案例進行深入分析，并回答相關問題。

為解決凍土施工技術問題，青藏鐵路建設主要采用了通風管路堤技術、熱管技術、片石通風路堤技術等凍土路基施工技術。

（一）通風管路堤技術

青藏凍土地區居民在修建房屋時采用在根基鋪設通風管的方法防止房屋根基因凍土受熱發生變形，從而使房屋穩定性明顯增強，工程技術人員受當地居民的啟發，在路堤基底或中部橫向鋪設一定直徑的通風管，與路堤填料組成復合式通風路堤。

問題1：試結合傳熱學流體對流換熱知識點對其中的機理進行分析。

答：冬季冷空氣置換管內的熱空氣，對流加強了路基填土的散熱，降低了基底的地溫，能夠有效提高凍土的穩定性。而暖季由于外界氣溫高于堤身溫度，抑制了對流換熱作用，減少了路堤中的熱量積累，從而達到保護多年凍土的目的。

通風管路基與氣候特征密切相關，只有當通風管處于順風區時才能起到降溫作用，當通風管處于息風區或通風不暢時，通風管路基不起降溫作用[2]。

問題2：根據案例，引入傳熱學算例——通過圓筒壁的導熱計算并做適當拓展。

答：外徑為200mm的蒸汽管道，管壁厚8mm，管外包硬質聚氨酯泡沫塑料保溫層，熱導率λ1=0.022W/（m·K），厚40mm。外殼為高密度聚乙烯管，熱導率λ2=0.3W/（m·K），厚5mm。給定第三類邊界條件：管內蒸汽溫度tf1=300℃，管內蒸汽與管壁面之間對流傳熱的表面傳熱系數h1=120W/（m2·K）；周圍空氣溫度tf2=25℃，管外殼與空氣之間的表面傳熱系數h2=10W/（m2·K）。求單位管長的傳熱系數kl、散熱量ql和外殼表面溫度tw3。（注：本例中鋼管和外殼熱阻均很小，可在計算中省略）

計算過程略，主要采用了圓筒壁熱阻、總換熱過程等概念進行了計算，單位管長的傳熱系數kl為0.388W/（m·K）、散熱量ql為107W/m、外殼表面溫度tw3為36.7℃。

（二）熱管技術

熱管是青藏鐵路最為廣泛使用的主動保護多年凍土的措施之一。青藏鐵路使用的熱管在凍土中的作用像重力熱二極管，吸熱段在下，放熱段在上，內部充有低沸點液體做冷卻劑。

我們知道，在金屬中銅和銀的導熱能力較強，而熱管的熱傳導系數比銅和銀高1000倍。一根直徑為25mm的“熱管”（相當于普通自來水管粗細），傳熱的效果跟直徑為2.7m的銅棒差不多，是名副其實的導熱冠軍，故熱管有熱超導體之稱。

問題3：試利用熱傳導和熱對流兩種換熱方式分析熱管在冷季和熱季的具體工作過程。

答：冷季，凍土層溫度高于地表，凍土層以熱傳導的方式將熱量傳給熱管管體，冷卻劑通過熱對流的方式吸收管體的熱量，以氣體狀態將熱量帶到放熱段，再將熱量以熱對流的方式傳給管體，管體再以熱對流的方式將熱量傳給地表空氣，冷卻劑氣體液化并在重力作用下回到吸熱段，如此完成循環制冷；熱季，管內熱傳遞很慢，可認為熱管不工作。

熱管的優點是無運動部件，因而無需外加動力，也無需日常維修養護。在人煙稀少、動力缺乏的邊遠地區的道路施工中有其不可替代的作用。

問題4：試根據以上分析提出熱管的缺點。

答：熱管只在寒季工作，在暖季停止工作，對于暖季保護凍土不利，需采用其他方法彌補。

（三）片石通風路堤技術

片石通風路堤是在路基墊層之上設置一定厚度和空隙度的片石層，通過改變路堤結構來改變傳熱方式，其傾填片石層是自由堆積體，片石層的孔隙率大，石塊之間基本上為點接觸。而且片石塊徑較大，表面無吸附水，其含水量可近似認為是零。因而傾填片石層可視為固、氣兩相組合體。片石層中空隙的存在使片石層中空氣可自由與外界對流。片石層中熱傳輸方式主要為熱對流和熱傳導，其有效導熱系數主要由熱對流來決定。片石通風路堤利用高原凍土區負積溫遠大于正積溫的特征，改變路堤中的溫度場，從而降低基底溫度，維持多年凍土上下限不變，防止產生凍脹和融沉病害，以達到保護多年凍土的目的。

問題5：根據以上詳細的資料描述，在圖紙上畫出路堤結構簡圖，然后分別分析暖季和寒季具體的傳熱過程和傳熱路線。

答：暖季，太陽輻射熱通過路堤表面以傳導方式將熱量傳到堤中和基底，路堤空隙中的空氣被加熱，在向下傳遞熱量的同時，因密度減小而沿空隙上升，熱流方向與傳熱方向相反，同時因為空隙起到了熱屏蔽作用，從而大大地減少了熱量的傳入；寒季，堤中溫度高于外界氣溫，密度大的冷空氣在冷卻堤表面的同時進入堤中空隙，不斷置換空隙中相對較熱的空氣，從而通過對流換熱降低堤身和基底的溫度。此時導熱換熱與對流換熱的熱流方向一致，堤身與基底熱量散發的速率加快，較大地增加了地基中的冷儲量。暖季蓄熱量的減少和寒季冷儲量的增加使片石結構通風路堤能夠降低路堤堤身和基底溫度，有效地保護多年凍土的穩定。

四、結束語

上述對青藏鐵路凍土施工技術案例的分析主要運用了傳熱學熱傳遞方式部分的知識點，詳細分析了施工技術中的具體功能實現，使學生在具體問題的分析、計算過程中對傳熱學知識有了較為深入的理解。

隨著傳熱學成果對多領域技術的促進，傳熱學已經成為高等教育的重要基礎學科之一，案例教學作為一種高效、實用的教學方法在傳熱學中的應用將更加深入，其中優秀案例的作用會越加明顯。

參考文獻：

[1]王學仁，艾春安，寧超.高等院校“傳熱學”案例式教學法探討[J].中國電力教育，2010，（12）：74-75.

[2]阮芳，龍激波，王平，周葉，孫宏發.傳熱學課程教學方法的研究與實踐[J].高等建筑教育，2015，24（6）：93-96.