熱質交換原理與設備課程設計的實踐與創新

（南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇 南京 210094）

熱質交換原理與設備是針對建筑環境與能源應用工程專業本科三年級學生的一門專業基礎課，重點研究發生在建筑環境與能源應用工程及其相關領域里的質量傳遞、熱量和質量同時傳遞的規律及其應用［1］。本課程分為原理部分和設備部分，是連接基礎課和技術課的橋梁。其來源是將不同專業課程（包括建筑環境學、供熱工程、通風工程、空氣調節、制冷技術等）涉及熱質交換原理及相應設備的內容抽出、整合而成，因而具有涉及面廣、綜合性與理論性強、難度大的特點［2］。但是只要掌握了建筑環境熱質交換的特點，加上課堂內容的精心設計、豐富多樣的課堂教學形式以及將傳統的“教師出題”改為“師生共同出題，教師統一把關”的新模式，學生是能夠很好地掌握并熟練應用熱質交換原理與設備中的相關知識的。

本文針對熱質交換原理與設備課程的特點，結合普通高等工科院校學生的實際情況，從精心設計課堂教學、豐富課堂教學形式、改革傳統考核方式以及科研和工程實踐相結合這四個方面，對如何發揮學生的主觀能動性，激發學生的學習熱情，提高熱質交換原理與設備教學效果等方面進行了深入的探討。

一、精心設計課堂內容

建筑環境中的熱質交換不同于其他領域中的熱質交換，它具有如下特點：①基本涉及所有傳質學機理問題。②濃度較低，濃度場幾乎不影響溫度場、速度場。③傳熱學和傳質學很大部分存在異體同構現象等［3］。其中最重要并且能夠為我所用的特點是傳熱和傳質存在異體同構的現象，這就是說，傳熱的方式包括熱傳導、熱對流和熱輻射，傳質中除了沒有質輻射，質傳導和質對流都存在，并且與熱傳導、熱對流一一對應。但是在傳質學中質傳導叫作擴散傳質，質對流叫作對流傳質。這就衍生出本門課程的主要學習方法即類比法，也叫作溫故知新法。這種學習方法貫穿于課程學習的始終。教師需要引導學生通過傳熱學已學過的知識來學習熱質傳遞規律的新知識，排除學生的陌生感和畏難情緒。

要提升教師的授課效果，必須從學生的需求出發，做到“有用”并且“有趣”。“有用”即要求授課教師通過將預講授的知識和專業應用或者生活中的實例相結合的方法，引出授課內容。現以第二章第二節擴散傳質為例。由于本課程在深秋時節開課，因此列舉了金秋十月，清風送爽，丹桂飄香的實例，引導學生想象路過學院樓下幾株桂花樹的情景，并且特別假設一種理想情況（必須是無風，如果有風則變成我們下節課要講的對流傳質）。通過這個實例，學生切身體會到什么是擴散傳質，并且知道了擴散傳質和對流傳質的區別與聯系。在這個實例的基礎上，筆者又列舉了家庭中常用的樟腦丸，并要求學生用本節所學知識來解決“一顆樟腦丸多長時間可以用完”這個問題。這樣會使學生感到既“有用”又“有趣”。授課內容方面需要精心設計，現在主流的教學方式為PPT和板書聯合教學。首先，在PPT的設計中要讓學生明確預學內容在整個章節中的地位及其與前后章節的邏輯關系。同時，也要列出本節所要講授的具體內容以及闡明各個小節之間的邏輯關系。例如，本節要講重要內容“Fick定律”，然后講授運用Fick定律解決氣體、液體、固體中的穩態擴散問題的“應用舉例”環節，接著講授為了加深理解Fick定律的重要參數“擴散系數”，進行正式內容的講授時在PPT的左側同時列出課程內容的框架。這樣做的好處是一方面可以克服板書上羅列課程標題框架浪費時間的弊端，另一方面可以時刻提醒學生明晰所學內容的位置，這樣有助于學生構建知識體系，理清各個知識點之間的邏輯關系。與此同時，板書方面也需要精心設計，因為黑板的可利用空間有限。筆者在黑板利用方面秉承的原則是典型基本公式的推導用板書，系統和裝置的展示用PPT。演示推導基本公式的過程可使學生理解其來龍去脈，深刻領會處理問題的方法。由于筆者在PPT的設計中考慮了課程內容的框架（PPT的左側提綱部分），因此在板書中并沒有重復列出這個框架，而是將有助于加深理解擴散系數的一個問題（Fick定律中組分A在組分B中的擴散系數DAB是否等于組分B在組分A中的擴散系數DBA？）進行板書推導，配合課件寫出一些并不復雜的演算過程，引導學生更加深入地思考問題［4］。講完本節所有內容后的小結必不可少。通過小結可以進一步加深學生對所學知識的印象，梳理、理解所學知識的邏輯關系，用學生能否回答“一顆樟腦丸多長時間可以用完”這個問題來檢驗本節課的授課效果。

除此之外，教師的授課方式也至關重要。筆者認為以教師為主體地位的灌輸式教學方式不可取，于是采用“問答式”或者叫“互動式”“啟發式”的教學方法。整個課堂大都以聊天的方式展開，由于本課程和許多已學的基礎課程聯系密切，因此“溫故”的部分通常可以考查學生對已學知識的掌握程度，“知新”的部分學生就會聽得更加專注，從而建立起新舊知識之間的聯系。例如，在講Fick定律時，由于傳熱和傳質存在異體同構現象，因此可以引導學生回憶傳熱學中的Fourier定律。通過對Fourier定律的回顧，我們知道由于溫度梯度的存在產生了熱量的傳遞，熱量傳遞的大小跟材料本身的性質有關，從而引出導熱系數，公式中負號的存在是由于溫度梯度的方向和熱量傳導的方向相反。通常熱量是由高溫物體傳遞給低溫物體，那么溫度梯度的方向就是從低溫物體指向高溫物體。接下來引導學生采用類比的方法寫出Fick定律的表達式并分析每個字母和符號的含義，進一步反問學生“Fick定律是否適用于所有條件”，從而講解Fick定律的適用條件。總之，整個課堂氛圍比較活躍，這有利于培養學生的發散性思維和創新精神。

二、豐富教學形式

以多媒體輔助板書作為主要的教學方式。多媒體教學的主要優勢是使抽象的學習內容通過圖形、動畫等表現形式而變得直觀，便于學生理解，同時還可以提高教學效率。但也存在教學速度過快，信息容量大，學生對知識的消化困難，學生筆記跟不上、思路跟不上，影響聽課效果等缺點［5］。這時就需要板書輔助教學，板書內容呈現過程有利于學生從中獲取有效信息。因此，筆者授課時就用板書推導典型的基本公式而用多媒體展示系統和裝置圖的辦法。

除此之外，筆者會在課前選擇內容相對簡單的兩塊內容分別隨機布置給兩名學生，讓學生做好備課后走上講臺講課，將傳統的“老師講課，學生聽課”改為“局部課程學生講，教師點評和補充”的新教學形式。實踐證明，此種教學形式穿插在傳統的教學形式中有以下優點：①可以增強學生的參與感和主體地位。當學生已經適應了傳統的教學模式后就容易產生懈怠感，其思維的活躍性和與老師的互動性都會減弱，此時如果出現新的教學形式，勢必會增加學生的新鮮感，從而提升學生的課程參與度，改善聽課效果。②有利于培養學生的競爭意識和自主學習能力；教師設立獎勵機制，通過增加其平時成績的辦法來鼓勵上臺講課的學生。讓報名參與的學生進行說課競賽，敘述教學目的、教學重點難點等，最終全班推選出獲勝的同學在規定的時間進行課程講授。在此任務的督促下，學生會主動地查找資料，制作多媒體課件并思考如何以淺顯易懂的方式向同學講明白課程的重點和難點。學生在備課過程中，其自主搜集、匯總資料、制作展示課件和自主學習的能力都隨之提高。③促進學生之間的討論和交流，培養合作意識；在學生走上講臺進行“授課”的過程中，臺下學生可能會有聽不懂的地方或者臺上學生無法及時回答臺下學生的提問的情況，這些都促使學生之間課后進行交流與討論，共同探討如何將存在的問題加以解決。④有利于活躍課堂氣氛，改進教師教學；學生“授課”的教學形式讓臺下學生因有新鮮感而將注意力較長時間集中于其講課內容，發現錯誤后會立即做出反應，而不會像教師講課時迷信于老師的權威，相信老師講的都是對的。這就引發了學生的思考，增強了學生的思辨能力。另外，學生“授課”會有意無意地模仿其自認為最好的上課方式，教師在此過程中可以借鑒一些有益的講課方式來改進自己的教學。

三、改進考核方式

筆者通過多年的教學實踐發現，學生普遍存在的問題是學習的主觀能動性差、學習熱情不高，其所學課程內容均等到課程結束后通過突擊復習的方式進行學習。這種短時間內輸入大量信息的方式不利于學生深入領會和掌握課程的精髓。因此必須減小期末卷面考試成績所占比重，加大平時成績所占比重。傳統考核方式中平時成績包括課后作業和考勤，最多占期末總成績的30%。隨著信息化時代的到來，知識的更新周期不斷縮短，知識的接受不再如以往那么重要，對知識的選擇、整合、轉換的重要性增加。這些知識并非是靠言語所能傳授的，它只能通過學生主動地“構建”和“再創造”而獲得，這對學生創新意識和創新能力的要求大為提高，在學生整體能力培養方面發揮更大的作用。

為此，我們設計了鼓勵學生積極主動進行課程學習的實施方案，將傳統的“教師出題”改為“師生共同出題，教師統一把關”，這樣可以充分發揮學生的主觀能動性，激發學生的學習熱情，豐富教育形式，促進學生深入掌握課程的基本知識并加以靈活運用。其具體方案分為4部分：①所有學生每人出一份完整的試卷，試卷內容包括判斷題（2分∕題）、簡答題（8分∕題）、案例分析題（10分∕題）、計算題（15分∕題）等題型中的任意3種，每題給出分值、答案解析和評分標準，同時標明題目來源。課程結束后上交試卷。②此項學習任務占期末總成績的50%，以提高學生對其的重視程度和參與的積極性。③試題可在國內外網站上搜索，還可對搜索到的試題進行綜合改編（改編處需用不同顏色標出），也可以是學生根據所學知識自己擬題，對于后兩類評分時可適當加分。所有題目中必須有一道題來源于外文試題。對于試題大面積雷同者，按提交時間先后順序排序，第一名正常給分，其余適當給予低分。文字部分與出題來源完全一樣的試題，數據必須改變，答案必須重新計算一遍。④對試卷進行分類整理和分析，根據學生的學習態度及其對課程內容的掌握程度評出優秀、良好和一般三個等級。

這項工作有利于培養學生搜尋、處理和應用信息的能力，激發學生的學習興趣，提高學生的自主學習能力，豐富教育形式，促使學生系統、深入地掌握熱質交換原理與設備這門課程的基本概念、基本理論和基本規律，提高學生分析和解決問題的能力，為后續學習、科研和工作奠定較為扎實的理論和實踐基礎。教師對改編試題的審核，對學生在出題過程中表述不夠嚴謹的修改等都是對教師本身儲備知識的擴充和深化。教師在學生完善試題庫的過程中一方面不斷引導學生站在教師的角度從所要掌握的基本知識出發來搜集、整理和改編試題，另一方面提醒學生要重視加強與老師和同學之間的交流，提高綜合能力。

四、將課程教學與科研、工程實踐相結合

目前我國高校畢業生的主要去向是工作和繼續深造。關于課程教學如何與工程實踐相結合，前文已有論述。將課程教學與科研相結合，爭取做到科研反哺教學。南京理工大學堅持人才培養的中心地位，立足于精英教育，造就求真務實、開拓創新、引領發展、具有國際視野的社會中堅力量。這就要求教師將課程相關的最新科研成果、研究方法帶入課堂，讓學生感受到科研的魅力。例如，在講授第二章第三節對流傳質中的紊流傳質機理時，本科階段在理解和處理紊流傳遞機理時，可以認為除分子傳遞現象外，宏觀流體微團的不規則摻混運動也引起動量、熱量和質量的傳遞，其結果從表象上看，相當于在流體中產生了附加的“紊流切應力”“紊流熱傳導”和“紊流質量擴散”。這個反映在最終的表達式上就是將分子微觀運動引起的分子擴散中的動力黏度系數、導熱系數和質擴散系數變成流體微團宏觀運動引起的紊流傳遞中的有效動力黏度系數、有效導熱系數和有效質擴散系數。此時可向學生拓展現在計算紊流的主流計算方法即大渦模擬（LES）和直接數值模擬（DNS），并對這兩種方法進行詳細的解釋和優缺點介紹。最后鼓勵感興趣的學生進老師的項目組進行嘗試，參與力所能及的研究工作，培養科學素養。

五、結語

筆者結合在熱質交換原理與設備這門課中的教學經驗，闡述了如何通過精心設計課程內容，豐富教學形式，改進傳統考核方式以及將課程教學與科研、工程實踐相結合等舉措來激發學生學習興趣，發揮學生主觀能動性，使學生能靈活運用所學知識和提高課堂授課效果。與此同時，要營造良好的課內外專業學習氛圍，使學生學有所用，以用促學，從而提高學生對專業課程的學習興趣和學習效果。