新工科背景下建筑環境與能源應用工程專業傳熱學課程教學研究

王瑜 李維 談美蘭

摘要：在國家推進新工科建設的背景下，建筑環境與能源應用工程專業傳熱學教學面臨著新的機遇和挑戰。文章在調研南京工業大學建筑環境與能源應用工程專業（簡稱“環能專業”）傳熱學教學現狀的基礎上，針對教學方法、教學內容和考核方式進行了探討，提出了一系列提升教學效果的措施，并且明確了新工科背景下互聯網的載體和催化劑作用。研究結論為環能專業傳熱學教學質量的提升和該專業優秀學生的培育提供了參考。

關鍵詞：建筑環境與能源應用工程； 新工科；傳熱學；教學研究

中圖分類號： TU83-4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2018）05-0014-06

當前，世界范圍內新一輪科技革命和產業變革加速進行，以新技術、新業態、新產業、新模式為特點的新經濟蓬勃發展，迫切需要培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才。高校要主動服務國家戰略需求，主動服務行業企業需要，加快建設發展新工科，打造“卓越工程師教育培養計劃”的升級版，探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，促進中國從工程教育大國走向工程教育強國。

2012年，教育部頒布了《普通高等學校本科專業目錄》和《普通高等學校本科專業設置管理規定》，將建筑節能技術與工程、建筑設施智能技術和建筑環境與設備工程合并為建筑環境與能源應用工程專業。該專業目標是培養適應現代建筑發展的高級工程技術復合型人才，且專業內容是制冷、傳熱、控制和節能等多領域的耦合，符合新工科特征。因此有必要針對建筑科技的安全化、智能化、節能化和環保化發展培養具備創新思維的專業人才，通過人才的輸送培養促進專業的進步。

傳熱學是研究熱量傳遞規律的學科，環能專業中遇到的大部分技術問題都和熱量傳遞問題有關。2013年出版的《高等學校建筑環境與能源應用工程本科指導性專業規范》中明確提出，傳熱學屬于專業基礎核心知識[1]，在課程體系和學生的認知體系中均占據重要地位。因此，新工科這一概念的提出，對傳熱學教學提出了新的任務和挑戰。傳熱學課程教學過程中，必須緊密結合新工科特征，與時俱進，積極吸收新的教學理念，探索新的教學方法，從而促進該專業人才培養體系的轉型與提高。作為江蘇省最早通過建設部專業評估的院校，南京工業大學環能專業已在培養模式和專業方向上開展大膽改革[2-4]。以作者的教學實踐為例，在調研學生反饋數據的基礎上探討傳熱學的教學內容與教學方式，為新時期下傳熱學教學改革與探索提供參考。

一、傳熱學的教學內容與目標

環能專業使用中國建筑工業出版社第六版教材[5]（章熙民等編著），該教材較之高校常用的高等教育出版社第四版教材[6]（楊世銘、陶文銓編著），深度有所降低，但更貼合環能專業的實際，如關于計算建筑熱負荷常用的周期性非穩態導熱，在高教版教材中并未涉及，在本版教材中則闡述詳盡。傳熱學課程的教學目標是為環能專業學生完成暖通空調設計打基礎。傳熱學教學內容包括三大塊，導熱、對流與輻射換熱。導熱部分包含穩態導熱與非穩態導熱兩大知識點；對流換熱部分包含換熱微分方程及理論基礎、單相流體對流換熱和相變流體對流換熱三部分知識點；輻射換熱部分包含熱輻射基本定律及表面間輻射計算兩部分知識點。另外，傳熱過程與換熱器部分作為傳熱學的實際應用介紹放在課程最后進行教學。

二、傳熱學教學現狀及效果——以南京工業大學為例

近年，為了更好地給學生創造課外實踐與創新機會，學校對環能系培養計劃進行了變更，傳熱學教學學時數由80學時減少為64學時。然而，課本教學內容并未縮減，這就對教師教學方法提出了新的挑戰。如何在有限的時間內高效地將知識傳授給學生是亟需解決的關鍵問題。作者在授課過程中，通過問卷調查的形式獲得學生對課程教學的反饋，如表1所示。同時調研了學生對課程的期望收獲，如圖1所示。調研對象為作者授課的環能專業15級學生，共84人。

三、傳熱學教學方法和教學內容的創新

針對上述反饋，對傳熱學教學提出一系列創新想法，主要分為教學方法、教學內容、考核方式以及互聯網載體作用四個方面，具體組成可參見圖2。

（一）傳熱學教學方法的改進

由表1可知，傳統的授課式教學方法仍然是學生最容易接受的教學方法。究其原因，是這種方法傳授知識較為直觀，通過教師的細致講解能夠降低學生的理解難度。現階段較為流行的以學生自行討論和完成習題為主、教師為輔的教學方法接受度不高，至少在基礎課教學領域不是特別適用。故教師的精力仍然應該集中在傳統授課上，授課時可以添加新技術和新手段，以促進學生對知識的掌握和理解。如講授輻射換熱時，由于其傳熱原理與導熱和對流差別較大，學生接受度較差。此時，使用案例和CFD結合的教學方法較之傳統的直接開講效果較好。如向學生提問“為什么冬天和夏天室內溫度同樣保持25℃，冬天需要穿棉衣，而夏天不用”，并引入相關模擬視頻，這樣學生便會意識到輻射換熱的重要性，從而順利完成導熱和對流向輻射的過渡。

在授課過程中，隨著時間的推移，學生的專注度逐漸下降。引入案例教學，理論聯系實際是提升學生專注度的有效方法，但是傳熱學是環能專業的基礎，一味使用案例將會導致課程科普化，學生興趣提高了，心理重視程度卻變差了。案例需要和理論緊密結合，不能就著案例講案例，講完案例后理論需要及時跟上，可引入討論或習題，一方面促進學生形成實際問題理論化解釋的思維，另一方面也能更讓學生理解傳熱學在整個學科中的基礎作用，從而在心理上對課程有尊重感和重視感。

同樣由表1可知，57.6%的學生具有考取研究生的個人規劃，25.8%的學生傾向于直接就業。如果學生能夠了解到課程的重要性，能夠將其和自身的職業生涯規劃聯系在一起，那么課上也就能更重視。作為教師，在上第一節課時就必須向學生闡述明確該課程在研究生學習和工程應用中的重要性，喚起學生的重視。

仍然由表1和圖1可知，該專業45.5%的學生每周有1～2小時課外時間用來學習傳熱學，27.3%的學生能夠擠出2小時以上學習傳熱學，其余學生每周學習時間不足1小時。總的來說，學生學習時間偏少，這更對課堂教學的完整性和高效性提出了要求，教師必須簡明扼要地講授所有需學生掌握的知識點，因此，精煉語言、提升表達能力也是教師改進傳熱學教學方法的關鍵。

（二） 傳熱學教學內容的選取

課程內容的選取是否恰當是傳熱學教學是否有效的基礎。由表1和圖1可得，大部分學生希望在傳熱學中能夠扎實掌握基本知識和通過期末考試獲得好成績，部分學生希望引入考研題和競賽題。因此教學內容的選擇需針對不同人群因材施教，現有授課方式是以班級為單位授課，每個班級授課內容相同。后續可引入根據教學內容劃分授課單位的方法，一個班在教授基礎知識的基礎上延伸考研內容，一個班在教授基礎知識的基礎上延伸競賽內容，一個班在教授基礎知識的基礎上延伸實踐內容。在基礎知識授課內容相同的基礎上，發揮學生的主觀能動性自由選擇，盡力使得所有學生都能獲得希望的課程內容。課程內容與學生預期相吻合，也可在側面提升學生對課程的專注度。當然，每個班在授課過程中，仍會適度穿插其他班的特色內容。南京工業大學環能專業每一年級學生分為3個班，恰好可以按興趣自由選擇，為該想法的實現提供了基礎。

另外，傳熱學的授課內容存在高度理論化、公式較多的特點。表1中可知35.8%的學生認為傳熱學學習的難點在于公式復雜，31.6%的學生認為傳熱學的難點在于理論化的內容無法應用。公式復雜的問題主要集中在非穩態導熱和對流換熱微分方程組部分。授課內容中可引入簡單的CFD內容，在CFD模型的建立過程中將公式的作用體現出來，最終得到溫度場和速度場分布，溫度場和速度場即為公式應用的成果。學生知道了公式如何解且看到了求解結果，就會對公式有更深刻的認識。

對于理論化內容無法應用的問題，如前文所述，需采用理論聯系實際的方法，在教學內容中添加更多與實際應用結合的內容講解。新工科時代，傳熱學的應用范圍更加廣泛，將結合大數據分析、建筑節能、綠色建筑煥發出新的生命力。授課內容結合前沿實際應用，及時將應用領域的新進展傳遞給學生，既能促進學生對理論的理解，也能樹立學生對該專業的信心。教師在授課時，向學生介紹了美國科羅拉多大學最新研發的一種屋面輻射制冷用膜[7]，以此為契機展望了環能專業與材料專業的耦合趨勢。通過這個案例教學，學生了解到環能專業不僅接地氣，同樣也是高尖端的，從而對該專業充滿信心。

（三）傳熱學考核方法和內容的改進

檢驗教師教學效果和學生學習效果的手段即為傳熱學課程的考核方法和內容。考核內容需要與時俱進，考核方法需要多樣化發展。若根據教學內容劃分授課單位，則考核內容同樣應按教學內容調整，滿足部分學生在考核內容上加入考研題和競賽題的希望，也能夠考核大部分學生對知識的掌握程度。

傳統的考核方法為平時成績加期末考試，期末考試占總成績的比重較大，平時成績作為輔助。期末考試占比往往達到70%～80%，會給學生造成一定的心理壓力，使其無法完全發揮，本來已掌握的知識無法體現在試卷的答題過程中。同時，傳熱學分為導熱、對流和輻射三大塊，考點相對來說較為分散，且關聯性不大，尤其是輻射換熱與前面兩大部分內容關聯性差。對此，擬使用多次測試的方式分解期末考試，將相關的考點歸納在一起。如在導熱部分授課完成后以試卷的形式考察學生對導熱的理解；對流換熱部分授課完成后同樣進行考試考察學生對對流的理解，此時計算題均從對流換熱部分選取，選擇填空簡答可兼顧導熱部分的內容；輻射換熱部分授課完成后則可以再次進行考試，同樣計算題為輻射部分，其余題兼顧之前學習的知識點。這樣在期末綜合考試之前安排三次測試，不但可以分擔期末考試的比重，也可以通過測試鞏固知識，降低學生的心理壓力，使得學生在最終的期末綜合測試中取得較好的成績。該方法已在南京工業大學環能專業15級學生的傳熱學教學中試點展開，利用學生課余時間完成了三次分階段測試，測試完全按照2小時正規考試的要求進行，有效促進了學生在每一階段對知識點的復習。測試比重占到總成績的45%，加之平時成績，降低了期末考試比重，受到了學生的歡迎。

此外，前文所述31.6%的學生認為學習難點在于無法應用傳熱學理論，考核時應注重應用，添加主觀能動性，提出應用方面的創造性問題，答案不唯一，掌握知識點即可。如周期性非穩態導熱部分為環能專業面臨的特色實例，可結合建筑負荷計算設置開放性課題，讓學生以研究報告的形式提交成果；也可不限題目，要求學生自主歸納建筑能耗大數據應用中的傳熱學知識提交研究報告。

（四）合理發揮互聯網的載體作用

新工科的特點是依靠互聯網作為載體和催化劑，促進傳統工科的跨越式發展。互聯網發揮作用也是新工科和舊工科最明顯的區別。那么，在整個教學過程中，互聯網的作用不可忽視，也不可只是作為點綴，而是需要切切實實地促進傳熱學教學。現有的以互聯網為載體的教學軟件，如超星學習通，主要是集成課程相關的名師講課視頻、微課及圖書資料等，主要的理念是將課程內容從教室搬運至互聯網中。將此類軟件集成至傳熱學課程相關網站上是有益的嘗試，實現了網絡的載體作用，但催化劑作用尚未涉及。

作者設想引入仿真工具，搭建基于互聯網的虛擬仿真平臺，平臺面向所有學生開放，學生不受課堂時間和地點的限制，隨時隨地可進入該平臺完成傳熱學的仿真實踐工作。相對于投入大、單個學生無法充分投入的實踐環節，虛擬仿真平臺平等面向每個學生，有興趣深入的學生可以充分在平臺中發揮想象力，一般學生也可增強對課程的直觀認識，從而消除理論化的知識無法應用這一學習障礙。以將換熱器植入平臺為例，平臺中的換熱器模型，其尺寸、結構、冷熱端流體熱物性均可改變，且改變后的換熱性能參數實時顯示在平臺中，通過操作該平臺，學生將對課程中的換熱器計算部分產生直觀的認識；有興趣深入的學生可優化平臺中現存的換熱器模型，以達到最優的換熱效果。借助互聯網搭建虛擬仿真平臺，給予學生充分的實踐體驗，這便是網絡對課程的催化劑作用。

五、結語

文章以南京工業大學環能專業傳熱學課程為研究對象，在進行課程教學調查的基礎上探討了新工科背景下傳熱學面臨的新挑戰，提出了一系列教學改進建議，為新時期環能專業傳熱學課程的發展提供了參考。

（1）教學方法方面，以教師授課為主，引入新技術，并適當引入案例教學，案例需和理論教學緊密結合。

（2）教學內容方面，依據考研、競賽等不同教學內容分班教學，且教學內容中引入CFD解決公式難理解問題，引入新工科新技術強化對傳熱學應用的理解。

（3）考核方式方面，將相關內容整合進行多次測試，為期末考試做準備，且引入結合實際應用和新技術的開放性課題作為考核的補充。

（4）互聯網作用方面，通過結合互聯網教學軟件和虛擬仿真平臺，實現互聯網對傳熱學教學載體和催化劑的作用。

參考文獻：

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[5]章熙民， 朱彤， 安青松，等. 傳熱學[M].第六版. 北京： 中國建筑工業出版社， 2014.

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

[7]Yao Zhai， Yaoguang Ma， Sabrina N David， et al. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling[J]. Science，（2017）355（6329）： 1062-1066.

Abstract： Under the background of the promotion of the new engineering construction， new opportunities and challenges appear for the heat transfer course of building environment and energy application engineering. Based on the research of the teaching status of heat transfer course in Nanjing Tech University， the teaching content， teaching method and evaluation modes are discussed. Several methods for increasing teaching efficiency are proposed while the carrier and catalyst effect of the internet under the new engineering background are confirmed. The results provide references for the teaching quality improvement of heat transfer course and the cultivation of outstanding students in building environment and energy application engineering.

Key words： building environment and energy application engineering； new engineering； heat transfer； education research

（責任編輯 鄧 云）