傳輸原理課程內容設置和教改措施研究

何 飛，周 俐

(安徽工業大學 冶金工程學院，安徽 馬鞍山 243002)

傳輸原理是冶金、材料和化工等很多工科專業學生在本科階段必選的一門專業基礎課，通常要求先修課程為高等數學、計算機基礎、大學物理和物理化學等。該課程的教學目的是要求學生掌握冶金等過程中所涉及到的傳輸的基礎概念和基本理論。通過該課程的教學，使學生運用基本知識分析冶金等過程中所涉及到的動量、熱量和質量傳輸問題，從而為改進過程工藝操作和設備、提高控制和設計水平打下基礎，同時為工藝過程提供物理模型和數學模型，也讓學生學習計算機求解的基本方法。

傳輸原理涉及的教學內容既可以單獨作為一門課程設置，比如國內大部分高校的冶金工程和化工專業在本科二年級或三年級，將動量傳輸、熱量傳輸和質量傳輸設置在一個課程里面[1-3]，又可以分解為多門課程，比如流體力學、傳熱學或傳熱傳質學[4-5]。傳輸原理實際上更多的是研究動量、熱量和質量傳輸這三種物理現象的宏觀規律、定量求解及其實際應用，是一門涉及面廣、綜合性非常強的學科。在工程領域，尤其是高溫下的冶金過程，包括礦石冶煉、煉鋼、凝固成型和軋制等，均不可避免地存在這三種傳輸現象，其對單元操作和工藝過程影響很大，甚至成為限制性環節。熟練掌握這門課程，對解決實際工程問題具有重要意義。為更好地讓學生掌握這門課程，培養學生分析和解決問題的能力，筆者對該課程教學內容進行了優化設置，并采用有針對性的教改措施。

一、教學內容設置

傳輸原理課程共5個學分80個學時，其中包含實驗(上機)12學時。課程教學內容共分14章，其中第1章到第7章為動量傳輸部分，第8章到第11章為熱量傳輸部分，第12章到第14章為質量傳輸部分。本課程在第3章動量傳輸的基本方程部分安排了2個學時的流體流速和流量的測量方法及畢托管的校正實驗，在第4章管道中的流動及孔口的流出部分安排了2個學時的雷諾實驗，在第5章邊界層流動部分安排了2個學時的邊界層特性實驗，在第9章導熱部分安排了3個學時的二維穩態導熱和一維非穩態導熱的數值計算上機實驗，在第10章對流部分安排了3個學時空氣縱掠平板時局部換熱系數測定以及邊界層測量實驗。

教學內容的總體安排考慮了本課程的特點，突出基礎知識和基本理論，以更好地為初學者建立傳輸原理的知識體系。動量傳輸部分，首先介紹流體流動的基本概念和描述，在此基礎上建立動量傳輸的基本方程，而以后各章，如管道內流體流動、邊界層流動、可壓縮氣體流動等都是基本方程在具體條件下的應用，最后，還要介紹相似原理及模型實驗研究方法。熱量傳輸部分，首先介紹傳熱的基本概念，引出三種傳熱方式，在此基礎上建立熱量傳輸的基本方程和定解條件，而以后各章，分別介紹導熱、對流和輻射的傳熱機理、規律和相關問題的求解及應用。質量傳輸部分，首先介紹質量傳輸的基本概念、基本方式和基本定律，在此基礎上建立質量傳輸的基本方程，而以后各章，如擴散傳質、對流傳質等也都是基本方程在具體條件下的應用。從動量、熱量和質量傳輸各部分具體的教學內容來看，都具有很強的邏輯性和系統性，從知識點對比來看，循序漸進，具有一定的聯系和類似性。

結合以上課程內容特點，學時安排如下：動量傳輸部分占總學時的50%，這部分內容是基礎，很多知識點都是教學重點和難點，對于剛接觸這門課的學生，很多的新概念和理論理解起來有難度，數理知識要求又較高，所以需要花更多的時間來透徹講解，不僅要讓學生掌握動量傳輸的基礎知識和相關應用，建立知識框架，更重要的還是培養學生對這門課程的學習興趣。熱量傳輸部分占總學時的40%，課時相比動量傳輸有所減少，但其所涉及的傳熱基本方程、導熱、對流和輻射等教學內容也均是教學重點和難點，由于課時的有限，所以必須要抓住熱量和動量傳輸的共同點和類似性，在講授部分知識點時可節省時間。質量傳輸部分占總學時的10%，其中質量傳輸的基本定律是教學重點和難點，擴散傳質和對流傳質很多內容都是可以根據動量和熱量傳輸類比講授，不作為重點，這部分教學內容更多的是讓學生自主學習。

二、教學改革措施

(一)部分教學內容的改革

在上述教學內容設置的總體框架下，下面就從部分具體的內容上探討一下傳輸原理課程教學內容的改革。比如流體納維-斯托克斯方程(N-S方程)的推導，目前很多傳輸原理教材上都是基于動量守恒定律，即系統的動量收支差量+系統其它作用力總和=系統的動量蓄積，然后采用微元體分析法把其中各項用數學關系表達出來，那么這其中涉及到的微元體對流動量通量和粘性動量通量收支差量的數學表達其實是很難理解的。實際上，N-S方程根據牛頓第二定律(F=m·a)推導要簡單很多，只要把微元體受到的質量力、表面力和加速度都數學表達出來，該方程基本形式就可得到，采用這種推導方法學生更容易理解。還有比如自然對流換熱，在高溫的冶金等工業過程中，這種現象非常普遍存在，但很多傳輸原理教材上這部分內容篇幅很少，只給出了自然對流換熱特征數方程，實際上這部分教學內容可以增加自然對流換熱溫度邊界層及相關工程實例的介紹。教學內容的改革應結合專業特點、學生的接受能力和教學實踐反饋等進行，不能僅僅局限于教材，可以對教材內容進行重新組織和增減，以達到最佳的教學效果。

(二)基于問題導向的教學模式設計

在傳輸原理課程教學過程中，針對一些重點和難點內容，可以先提出一些相關的問題，以問題為導向牽引教學全過程，當然問題的設計也十分重要，合適的問題可以充分調動學生的學習主動性和積極性。以熱量傳輸的微分方程為例，首先設計了3個問題：(1)如圖1所示一物體，已知初始時刻(τ=0)溫度分布t(x, y, z, 0)，放在空氣中，問該物體的熱量散失是多少？(2)τ>0，該物體溫度分布是怎樣變化的？(3)如果外界條件變化了，該物體的溫度分布又怎樣變化？告訴學生這就是我們所要關心的問題，實質關鍵就是確定物體的溫度場t(x, y, z, τ)，而描述物體溫度場的方程則是熱量傳輸微分方程。然后結合這些問題進行熱量傳輸微分方程數學推導，最后結合一些具體算例來解決以上問題。從提出問題到解決問題貫穿整個教學過程，循序漸進，這樣可以使枯燥的熱量傳輸微分方程推導更實用，也更有吸引力，從而激發學生的學習興趣。

(三)加強實踐教學

本課程設置了12個學時的課內實驗，占總學時的15%，包括熱工實驗和上機實驗。作為實踐性很強的工科專業，本課程的實踐教學內容和時間遠遠不夠。實踐教學注重的是學生能力的培養，必須加以重視。本課程在有限的課內學時的情況下，在熱工實驗上還開設了跟課程內容對應的5個課外實驗，分別是流體動量方程驗證實驗、紊流自由射流實驗、平板穩態法材料導熱系數測定實驗、法向輻射率的測量實驗、高效連鑄模型實驗(設計性實驗)，學生可以根據自己的學習興趣來選做。在上機實驗時，鼓勵學生多用計算機編程來自行解決一些傳輸問題，尤其是在講解具體的知識點時要給予學生適當的引導或者布置相關的開放性作業，比如導熱中介紹的“試算法”，用計算機編程實現非常方便，還有比如復雜表面間輻射角系數的計算，也需要采用數值計算的方法[6]。通過實踐教學，不僅僅是驗證所學理論、鞏固所學知識加深理解、掌握一些實驗技能，更重要的是培養學生的獨立動手能力、創新能力以及運用所學知識分析和解決問題的能力。

三、結語

根據傳輸原理課程特點，我們首先對教學內容的總體框架和學時安排進行了優化設置。然后在此基礎上，結合教學實踐，提出了改革部分的教學內容、設計基于問題導向的教學模式和加強實踐教學等針對性的教改措施，以激發學生的學習興趣，不斷改善教學效果，提高學生的實踐能力，培養學生分析和解決問題的能力。