傳熱學(xué)課程教學(xué)改革的分析與探討

何曉崐 姚 江 沈 妍 許 嘯

江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院 江蘇張家港 215600

傳熱學(xué)課程教學(xué)改革的分析與探討

何曉崐 姚 江 沈 妍 許 嘯

江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院 江蘇張家港 215600

根據(jù)傳熱學(xué)課程的特點以及教學(xué)過程中存在的問題，從教學(xué)方法革新、教學(xué)手段創(chuàng)新等方面探尋解決問題的途徑，并在此基礎(chǔ)上深化傳熱學(xué)課程的教學(xué)效果，以適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展對學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的需求。

傳熱學(xué)；教學(xué)方法；教學(xué)手段

傳熱學(xué)是研究由溫差引起的熱量傳遞現(xiàn)象的機(jī)理、規(guī)律、計算及測試方法等理論知識的科學(xué)，其應(yīng)用廣泛，涉及能源動力、材料冶金、化工過程、土木建筑、機(jī)械制造、航天科技、軍事科學(xué)、氣象科學(xué)等領(lǐng)域。由此可見，學(xué)習(xí)好傳熱學(xué)的意義重大，不僅關(guān)系到學(xué)生是否能夠具備扎實的專業(yè)理論知識，進(jìn)而影響后續(xù)專業(yè)課程的開展，更關(guān)系到學(xué)生能否在未來工作中具備解決實際工程問題的專業(yè)能力。根據(jù)筆者近幾年的傳熱學(xué)教學(xué)經(jīng)驗，傳熱學(xué)的教學(xué)過程中還有許多亟待解決的問題。因此，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，筆者在近幾年傳熱學(xué)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題的基礎(chǔ)上，從傳熱學(xué)教學(xué)方法、教學(xué)手段的改革與創(chuàng)新上提出一些個人的淺見。

1 傳熱學(xué)課程的特點與現(xiàn)階段教學(xué)過程存在的問題

根據(jù)筆者近幾年的傳熱學(xué)課程教學(xué)經(jīng)驗，熱學(xué)課程的特點和傳熱學(xué)教學(xué)過程中存在的問題是因與果的關(guān)系，具體分析如下。

(1)傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)、流體力學(xué)并稱能源動力類專業(yè)的三大專業(yè)主干課程，但是傳熱學(xué)與其他兩門課程又有所區(qū)別。工程熱力學(xué)、流體力學(xué)相對偏重理論知識、概念雖然比較抽象，但是系統(tǒng)性較強(qiáng)。例如：工程熱力學(xué)中先介紹熱力學(xué)第一定律，然后再談?wù)摰诙桑瑑纱蠖芍g有區(qū)別亦有聯(lián)系，知識層次有先易后難的關(guān)系。但是，傳熱學(xué)是研究自然界中3種基本傳熱方式的科學(xué)，并且每種傳熱方式都有各自的特點和理論體系，相互之間的關(guān)聯(lián)不是太強(qiáng)，例如：傳熱學(xué)首先介紹熱傳導(dǎo)、再依次介紹熱對流、熱輻射，三者之間的知識點結(jié)合較少，知識體系相對較松散。另外，由于傳熱學(xué)課程中涉及的概念、公式、圖表繁多，并且有些公式較為復(fù)雜，這造成了學(xué)生不知如何學(xué)習(xí)、不知如何運用已學(xué)知識的尷尬處境。

(2)傳熱學(xué)是一門發(fā)展中的科學(xué)。由于傳熱學(xué)與很多領(lǐng)域有關(guān)，因此傳熱學(xué)知識體系中有許多物理模型并不完善，還處于研究階段。許多介紹傳熱學(xué)的書本根據(jù)不同學(xué)科的發(fā)展都加入了一些較新的前沿知識[1-3]。例如：楊世銘、陶文銓主編的《傳熱學(xué)》由第一版的450頁增加到了第四版的591頁，在原來的基礎(chǔ)上增加了微尺度傳熱、射流沖擊傳熱等傳熱學(xué)的新興研究領(lǐng)域，圖1所示的燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻即為近幾年

衍生出的射流沖擊傳熱的具體應(yīng)用。傳熱學(xué)的知識點在增加，但傳熱學(xué)的學(xué)時并沒有相應(yīng)增加，以我校為例：傳熱學(xué)的教學(xué)學(xué)時卻仍然維持在56學(xué)時不變，這就導(dǎo)致了教師在授課過程中將重點放在完成教學(xué)任務(wù)上，而很容易忽略培養(yǎng)學(xué)生掌握傳熱學(xué)知識體系的方法以及正確運用傳熱學(xué)知識解決實際問題的能力。學(xué)生由于不能正確掌握知識，久而久之就會產(chǎn)生畏學(xué)的消極情緒，積極性大大降低。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻

(3)不同的專業(yè)側(cè)重點不同。例如，對能源與動力工程專業(yè)學(xué)生來講，就希望多了解一些管內(nèi)兩相流動與沸騰傳熱、煙氣復(fù)合傳熱等方面的知識[4]，輪機(jī)工程的學(xué)生則希望多了解一些發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒過程涉及的傳熱現(xiàn)象，而其他專業(yè)也有相應(yīng)的關(guān)注點。但是，大多數(shù)傳熱學(xué)書本上介紹的是適用于所有專業(yè)的基礎(chǔ)知識，即使新增一些知識，也不一定滿足某些專業(yè)的需求，這就造成了傳熱學(xué)的知識與現(xiàn)實需求相矛盾的結(jié)果。

2 教學(xué)方法的革新

2.1 教學(xué)內(nèi)容方面

愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師，老師則是點燃學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的火炬”。因此教師合理選擇教學(xué)內(nèi)容是至關(guān)重要的。筆者認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)確立以能量守恒定律為基礎(chǔ)，3種不同熱量傳遞方式為主線的教學(xué)內(nèi)容，并且在此基礎(chǔ)上，教師在授課過程中應(yīng)該引入與授課專業(yè)相關(guān)的工程知識或是同領(lǐng)域的前沿知識，例如，對于能源與動力工程專業(yè)，可以適當(dāng)穿插一些工業(yè)領(lǐng)域的新型強(qiáng)化傳熱方式；對于建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)，介紹一些人工環(huán)境、建筑節(jié)能的知識。這樣的教學(xué)內(nèi)容，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)到基本理論知識的同時，了解所學(xué)知識在實際工程中的應(yīng)用，增強(qiáng)對工程的感性認(rèn)識。另外，在介紹原理性知識的時候，教師應(yīng)該多舉一些生活中司空見慣的例子，例如：為什么手接觸同一溫度的金屬和木頭時會感覺到不同的溫度；同樣是25 ℃的室溫，為什么在夏天人感到熱，而冬天則感到冷；沸水和冷水同時放入冰箱，為什么沸水會先結(jié)冰？如此可以激發(fā)學(xué)生的興趣，促使他們積極思考，既鍛煉了學(xué)生的思維，又使其學(xué)習(xí)效率大大提高。

此外，由于傳熱學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)發(fā)展起來的科學(xué)，因此在學(xué)習(xí)理論知識的同時，授課教師還應(yīng)該強(qiáng)調(diào)實驗的重要性。通過實驗，學(xué)生不僅可以深化對理論知識的理解，同時還可以學(xué)習(xí)到某些熱工參數(shù)的測量方法，這對學(xué)生在未來專業(yè)工作中制訂參數(shù)測量方案、建立正確設(shè)計思路是極為重要的。

2.2 工程觀點培養(yǎng)方面

傳熱學(xué)是一門與實際聯(lián)系緊密的科學(xué)，這有別于工程熱力學(xué)的抽象性。但是由于現(xiàn)有教材編寫的固有模式以及傳統(tǒng)的教學(xué)方式，導(dǎo)致教師在教學(xué)過程中側(cè)重于理論與公式的講解，這導(dǎo)致學(xué)生從心理上認(rèn)為該課程不重要或是不實用，而當(dāng)學(xué)生日后真正走上工作崗位遇到實際工程問題時才意識到“書到用時方恨少”。因此，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)該多引用一些實際的工程案例進(jìn)行介紹。例如：對于能源與動力工程專業(yè)，可以舉一個換熱器綜合設(shè)計的例子，分析換熱器傳熱系數(shù)的大小，在分析該工程實例的過程中，一方面使學(xué)生掌握了管內(nèi)強(qiáng)制對流、管外強(qiáng)制對流不同實驗關(guān)聯(lián)式的異同及正確地選用原則，同時也訓(xùn)練了學(xué)生將理論應(yīng)用于實際的能力。

在引入工程實例的基礎(chǔ)上，在教學(xué)過程中可適當(dāng)開設(shè)一些工程專題討論，指導(dǎo)教師課前布置一些工程題目，讓學(xué)生分成不同小組，以小組為單位對該工程問題進(jìn)行綜合分析并得出結(jié)論。工程題目要求貼近實際且具有一定綜合性，例如：一幢玻璃建筑有兩種設(shè)計方案，即采用普通鋼化玻璃與low-e玻璃，試分析兩種情況下建筑在夏季的冷負(fù)荷、建筑成本與若干年內(nèi)的運行費用。學(xué)生通過類似的例子，可以加強(qiáng)獨立思考問題的能力，同時在綜合考慮設(shè)計與成本時可以有效培養(yǎng)自己的工程思想，建立起對工程問題的理性認(rèn)識。另外，在進(jìn)行專題討論時，教師應(yīng)明確指出學(xué)生設(shè)計或分析的不合理之處，并講明此類錯誤或是失誤會造成怎樣的危害，同時也可列舉一些實際工程中的失敗案例從反面教育學(xué)生，讓學(xué)生建立起科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶Υ龁栴}的態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)道德。

2.3 考評機(jī)制的優(yōu)化

傳統(tǒng)的傳熱學(xué)課程考評通常以期末考試成績?yōu)橹鳎晕倚槔傇u成績中期末考試成績占70%，考勤及作業(yè)成績占20%，課內(nèi)實驗成績僅占10%。這

樣的考評機(jī)制導(dǎo)致學(xué)生只重視考試，對書本知識死記硬背，甚至有些學(xué)生指望考前突擊、臨時抱佛腳。為了改變這一現(xiàn)狀，需要對現(xiàn)有的考評機(jī)制進(jìn)行一定優(yōu)化，具體優(yōu)化方案如下。

(1)適當(dāng)削弱期末考試成績所占比重，例如從原來的70%下降到50%。

(2)為了讓學(xué)生重視實驗，可加大課內(nèi)實驗成績所占比重，例如從原來的10%增加到20%。

(3)考評加入專題討論的成績，例如比重可占10%。一方面顯示出專題討論的重要性另一方面該激勵機(jī)制也可增加學(xué)生對專題討論的興趣。

3 教學(xué)手段的創(chuàng)新

3.1 多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合

傳熱學(xué)是一門集理論知識、工程應(yīng)用為一體的專業(yè)課程，由于經(jīng)常涉及一些工程案例和物理現(xiàn)象，因此很難單純通過教師的語言表達(dá)清楚。為了達(dá)到教學(xué)目的，應(yīng)當(dāng)采用傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合的方式。傳統(tǒng)教學(xué)以教師的口述、板書為主，這樣的授課方式對于任何一門課程而言都是非常重要的。板書是課程的要點與精髓，通過板書教師不僅可以調(diào)動學(xué)生的注意力，也可以使學(xué)生清楚地了解教師上課的內(nèi)容、明白知識點之間的關(guān)聯(lián)與邏輯關(guān)系。而對于無法準(zhǔn)確用語言闡述的工程案例，則可以采用多媒體的方式進(jìn)行演示，演示方式包括：圖片、動畫、視頻等。例如，傳熱學(xué)中關(guān)于流體外掠圓管邊界層的發(fā)展與脫體現(xiàn)象，就可以采用動畫演示，學(xué)生再也不用對著書本上呆板的文字苦思冥想而不得其解。

3.2 仿真軟件教學(xué)

傳熱學(xué)的發(fā)展歷程中，形成了實驗研究、理論分析、數(shù)值計算3種主要的研究方法。實驗研究是傳熱學(xué)的基礎(chǔ)，也是傳熱學(xué)的起源，它為傳熱學(xué)的分析提供了很多重要數(shù)據(jù)，但是其代價高昂、需時較長。理論分析是利用數(shù)學(xué)方法在定解條件下解偏微分方程，準(zhǔn)確地描述了不同傳熱現(xiàn)象的本質(zhì)，是深入理解傳熱現(xiàn)象的重要手段，同時現(xiàn)階段的理論公式、圖表很多是通過此方法得出的，但是由于數(shù)學(xué)上的困難，大多數(shù)復(fù)雜的工程問題都無法通過理論分析求出，因此使用不便。數(shù)值計算是隨計算機(jī)快速發(fā)展而衍生的產(chǎn)物，它將傳熱學(xué)中復(fù)雜的偏微分方程組轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，采用不同的迭代方法得出近似解，具有易操作、形象直觀、代價較低、耗時較少的優(yōu)點，因此工程中越來越傾向于采用此方法，圖2為利用IcePak仿真軟件得出的電子器件溫度分布。有關(guān)傳熱學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)軟件非常多，如：ANSYS，F(xiàn)luent，COMSOL，CFD-ACE+等。在傳熱學(xué)教學(xué)過程中，可引入數(shù)值模擬軟件的學(xué)習(xí)。一方面，類似Fluent之類的模擬軟件在很多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，成為一種重要工具，學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握；另一方面，學(xué)生可通過在軟件中對邊界條件進(jìn)行定義，從而深化對傳熱學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)知以及對理論知識的理解。最后正確利用軟件模擬出的結(jié)果，還可以使傳熱學(xué)的一些內(nèi)容變得直觀易懂，如在討論一維平板非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的非正規(guī)過程時，學(xué)生就常常不理解平板內(nèi)部的溫度隨時間的變化趨勢，而利用Fluent計算得出的動畫結(jié)果，學(xué)生就很容易掌握。

圖2 電子器件溫度分布

4 結(jié)束語

當(dāng)前的大學(xué)教育以培養(yǎng)復(fù)合型工程人才為出發(fā)點，而傳熱學(xué)作為許多工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，具有公式多、知識點分散、實用性強(qiáng)等特點。因此，在傳熱學(xué)的授課過程中，教師應(yīng)當(dāng)扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)的教育思想與教育方法，應(yīng)該深入分析造成傳熱學(xué)教學(xué)過程中諸多問題的深層原因，在教學(xué)方法、教學(xué)手段上進(jìn)行必要的創(chuàng)新，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生獨立思考問題的能力、培養(yǎng)學(xué)生具有科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟刭|(zhì)與解決實際工程問題的創(chuàng)新能力，努力為國家的發(fā)展、社會的建設(shè)培養(yǎng)綜合型的優(yōu)秀人才而努力。

[1] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].第四版.北京:高等教育出版社,2006.

[2] 戴鍋生.傳熱學(xué)[M].第二版.北京:高等教育出版社,1999.

[3] 王厚華.傳熱學(xué)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2006.

[4] 李友榮,楊晨,吳雙應(yīng).“傳熱學(xué)”課程教學(xué)改革研究與思考[J].中國電力教育,2010(32):66-67.

Analysis and Discussion on the Reformation of Teaching of Heat Transfer

He Xiaokun, Yao Jiang, Shen Yan, Xu Xiao
Suzhou institute of technology, Jiangsu University of Science and Technology, Zhangjiagang, 215600, China

According to the characteristics and the problems existing in the teaching process of “heat transfer”, to find out ways to resolve these problems from reformation of teaching methods and innovation of teaching devices. And improving effects of teaching of heat transfer to meet the needs of modern scientific research and industrial development.

heat transfer; teaching methods; teaching devices

投稿日期：2016-09-09

何曉崐，碩士，助教。姚江，碩士，助教。沈妍，博士，講師。許嘯，博士，講師。

江蘇科技大學(xué)教改項目。