機(jī)械類專業(yè)“傳熱學(xué)”課程教學(xué)探討

舒盛榮 劉樂平

摘 要：針對傳熱學(xué)課堂上出現(xiàn)的一些問題，對課堂教學(xué)方法進(jìn)行了探討，主要包括聯(lián)系實(shí)際生活和工程實(shí)際的案例講解、增加課堂互動(dòng)環(huán)節(jié)方法、采用有限元軟件輔助教學(xué)等，為了鞏固所學(xué)知識(shí)并培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力，對課后作業(yè)、大作業(yè)和考試題目的設(shè)置進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：機(jī)械類專業(yè);傳熱學(xué);教學(xué)方法

傳熱學(xué)是研究溫差作用下熱量傳遞過程和傳熱速率的科學(xué)[1]，熱能的傳遞在自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中是一種非常普遍的物理現(xiàn)象。如能源動(dòng)力、制冷、化工、建筑環(huán)境、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)、納米技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)等領(lǐng)域中大量存在傳熱傳質(zhì)過程與熱控技術(shù)問題。傳熱學(xué)是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最重要的技術(shù)基礎(chǔ)之一。[2]

學(xué)習(xí)機(jī)械類專業(yè)時(shí)會(huì)碰到大量與傳熱有關(guān)的工程實(shí)際問題，如金屬切削過程的冷卻、機(jī)械制造裝備的熱變形、機(jī)械零部件（如軸承、齒輪）工作時(shí)摩擦生熱的影響等等，要解決好這些問題除了掌握專業(yè)知識(shí)外，還需具備扎實(shí)的傳熱學(xué)知識(shí)。因此，很多高校的機(jī)械類專業(yè)都會(huì)開設(shè)傳熱學(xué)課程，但課時(shí)數(shù)比較少。為了在有限的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生掌握傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)并能夠運(yùn)用傳熱學(xué)的規(guī)律分析解決工程實(shí)際問題，必須通過各種高效的教學(xué)方法來保證課堂效率。下面結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)歷介紹一些課堂教學(xué)方法。

1 課程介紹

傳熱學(xué)課程主要講解導(dǎo)熱傳熱、對流傳熱以及輻射傳熱三種基本傳熱方式，主要內(nèi)容是研究熱量宏觀傳遞規(guī)律和現(xiàn)象[1]。由于它們的傳熱機(jī)理不一樣，所以三種傳熱方式相互獨(dú)立，各自構(gòu)成一個(gè)知識(shí)體系，到目前還沒有統(tǒng)一的理論將此三種傳熱方式整合，所以對傳熱現(xiàn)象研究的方式一般采用單個(gè)研究，而后進(jìn)行綜合[3]。

華東交通大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)把傳熱學(xué)課程設(shè)為一門必修的基礎(chǔ)課程，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供傳熱學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備。傳熱學(xué)課程設(shè)置在大三上學(xué)期，總共為32學(xué)時(shí)的理論課，教材使用的是楊世銘和陶文銓主編高等教育出版社出版的《傳熱學(xué)》第四版，該教材是普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材，下面就傳熱學(xué)課堂教學(xué)做一些探討。

2 課堂教學(xué)方法

課程中很多章節(jié)都有復(fù)雜的理論公式的和抽象難懂的概念，如果教學(xué)方法不得當(dāng)，容易使學(xué)生覺得很枯燥上課分神、聽不進(jìn)去，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不夠的同學(xué)就會(huì)低頭玩手機(jī);針對出現(xiàn)的這些問題，下面提出以下方法來改善教學(xué)效果。

2.1 少些公式推導(dǎo)，多些實(shí)例講解

如講解熱傳導(dǎo)在直角坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo)，學(xué)生們理解起來還可以接受，但由于它是偏微分方程，其求解方法在本科階段的高等數(shù)學(xué)里面基本不涉及，后面章節(jié)的數(shù)值解法也是針對簡單幾何形狀問題的熱傳導(dǎo)進(jìn)行講解，由于課時(shí)較少，數(shù)值解法這部分也主要是學(xué)生自學(xué)為主，這一下就讓學(xué)生失去很多興趣。此時(shí)，通過生活和工程案例講解清楚如何將三維傳熱問題簡化成容易求解的一維導(dǎo)熱問題顯得非常重要，這可以通過相對簡單的平壁導(dǎo)熱問題進(jìn)行講解來吸引學(xué)生并啟發(fā)他們思考，如平底鍋、雙層玻璃窗戶、多層墻壁等的導(dǎo)熱分析計(jì)算，將工程中的導(dǎo)熱問題進(jìn)行合理簡化而得到解的過程，可以把學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情帶回來。

對流換熱章節(jié)涉及的連續(xù)性方程、動(dòng)量微分方程、能量微分方程等，這些方程也都是偏微分方程，且它們是耦合在一起的，后面的比擬理論、相似理論也比較抽象，有關(guān)對流傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式非常復(fù)雜也不易理解和掌握，因此，學(xué)生覺得對流傳熱部分理論性太強(qiáng)實(shí)用性低，此時(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣可能降到了最低。因此這部分內(nèi)容要以實(shí)際應(yīng)用講解為主，對公式的推導(dǎo)簡略講解，應(yīng)通過工程實(shí)例幫學(xué)生們理清書中各公式的應(yīng)用場合及涉及到的特征數(shù)的意義，以使得學(xué)生覺得通過學(xué)習(xí)確實(shí)可以解決一些工程傳熱問題，這樣他們的學(xué)習(xí)興趣自然會(huì)提高。

關(guān)于輻射傳熱部分，發(fā)現(xiàn)部分同學(xué)對斯忒藩-玻爾茲曼定律、普朗克定律、蘭貝特定律之間的關(guān)系都很難搞清楚，這時(shí)可以通過課本上例子的講解來掌握這些公式之間的內(nèi)在聯(lián)系，接著要通過例子把輻射力、光譜輻射力、定向輻射力、發(fā)射率、光譜發(fā)射率和定向發(fā)射率等基本概念和關(guān)系理順，而這些基本概念的理解和掌握是后面計(jì)算輻射傳熱的基礎(chǔ)。

教學(xué)過程中的案例需要多與實(shí)際相聯(lián)系，以實(shí)際生活現(xiàn)象作為范例，讓學(xué)生時(shí)刻感到傳熱學(xué)知識(shí)就在生活中，能夠?qū)W以致用，從而對傳熱學(xué)課程產(chǎn)生很大的興趣[3]。此外，為了銜接后面的專業(yè)課，講解中也要注重機(jī)械制造專業(yè)有關(guān)傳熱問題的滲透，教學(xué)過程中理論聯(lián)系實(shí)際的案例講解是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣行之有效的重要方法。

2.2 課堂互動(dòng)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性

課堂上如果老師一直通過PPT課件灌輸知識(shí)而和學(xué)生沒有很好的互動(dòng)，下面的學(xué)生就會(huì)感覺疲勞從而失去學(xué)習(xí)興趣，因此每當(dāng)講完一個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，需要通過一定的方式和學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)以了解他們的掌握程度，為了提高學(xué)生的主動(dòng)性和教學(xué)效果，可以從以下幾方面考慮。

首先，課堂提問是吸引學(xué)生注意力的基本方法，比如講完物理現(xiàn)象相似的概念后，馬上舉幾個(gè)例子提問學(xué)生讓其判斷這些現(xiàn)象是否相似，這樣可以吸引學(xué)生集中注意力進(jìn)行深入思考，提高上課效率。其次，課堂上做些小實(shí)驗(yàn)或放映一些小片段關(guān)于傳熱知識(shí)點(diǎn)的影像資料也是調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的好方法，比如，講到萊登佛羅斯特現(xiàn)象時(shí)，有條件的可以帶一個(gè)溫度可調(diào)的電熱板和滴管做實(shí)驗(yàn)，或放映一段相關(guān)的小視頻，這樣很容易就把枯燥的理論講解課堂氣氛給活躍起來，通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)會(huì)掌握的更牢固。此外，增加學(xué)生上講臺(tái)展示的機(jī)會(huì)，這提供了學(xué)生自我學(xué)習(xí)和相互學(xué)習(xí)的平臺(tái)，這不但可以拉近老師和學(xué)生之間的距離，而且還有利于培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力;如在習(xí)題講解時(shí)，要鼓勵(lì)學(xué)生們上講臺(tái)到黑板上書寫答案并進(jìn)行講解，課后大作業(yè)完成后，要求每個(gè)小組上臺(tái)展示結(jié)果等。

2.3 將有限元軟件用于傳熱學(xué)課程教學(xué)

由于人體的局限性，只能通過眼睛來觀察物體表面顏色及發(fā)生的一些現(xiàn)象或通過身體的觸碰來感知外界的溫度變化，不能準(zhǔn)確監(jiān)測物體表面及其內(nèi)部溫度變化，生活和工程中涉及的傳熱過程一般都需要借助專用儀器進(jìn)行測量。另外，傳熱學(xué)知識(shí)點(diǎn)多，概念也比較抽象，為了保證教學(xué)質(zhì)量，最好能生動(dòng)形象地將傳熱過程呈現(xiàn)給學(xué)生以增強(qiáng)對傳熱過程的感性認(rèn)識(shí)。傳熱學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)際很強(qiáng)的課程，目前由于剛開設(shè)此課程不久，本學(xué)院還缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置。

解決上述問題最簡單的途徑就是借助有限元商業(yè)軟件，如ANSYS workbench仿真平臺(tái)，它集成了結(jié)構(gòu)、傳熱、流體分析等眾多模塊，利用其中的Fluent軟件可以模擬流體-結(jié)構(gòu)之間的換熱，計(jì)算完成后通過后處理模塊可以得到流場、溫度場，還可以將流體流動(dòng)以及傳熱過程做成動(dòng)畫。課堂上可以用事先準(zhǔn)備好的相對簡單的例子作為示范，演示整個(gè)操作過程，如管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱、流體橫掠單管對流傳熱等，這不但可以提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，還可以引導(dǎo)學(xué)生們自己動(dòng)手模擬一些簡單的傳熱問題，鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力，并培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

3 課后作業(yè)及任務(wù)安排

課堂上講的理論知識(shí)和概念，必須通過課后作業(yè)加以鞏固和理解，要不然下課后很容易就會(huì)忘掉。傳熱學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，課后作業(yè)要注重滲透日常生活、工程應(yīng)用為背景的實(shí)際運(yùn)用的練習(xí)。課后任務(wù)主要包括兩部分。

（1）課后作業(yè)。以課本章節(jié)后面的習(xí)題為主，這樣可以增加學(xué)生翻閱課本的時(shí)間，引導(dǎo)他們對課堂知識(shí)的復(fù)習(xí)和應(yīng)用;同時(shí)還可以在課程QQ群里上傳一些精心準(zhǔn)備的題目，題目要和生活與機(jī)械專業(yè)背景關(guān)聯(lián)性更密切，以鞏固和加強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)在工程上的應(yīng)用的訓(xùn)練，作業(yè)要及時(shí)交，不能集中到課程快結(jié)束時(shí)交，這會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生拖延、跟不上教學(xué)進(jìn)度。

（2）大作業(yè)。大作業(yè)以3-4人一組，要求學(xué)生們以生活或工程實(shí)際中存在的傳熱現(xiàn)象、機(jī)電產(chǎn)品中的組件或元件為例，介紹其中的傳熱規(guī)律、工作原理和作用等，利用所學(xué)知識(shí)對其傳熱過程進(jìn)行分析、合理簡化建模、計(jì)算和結(jié)果討論，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和查閱文獻(xiàn)資料探討它的發(fā)展方向等等。這個(gè)過程有利于培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)靈活應(yīng)用于工程實(shí)際中的能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，并鍛煉它們的溝通和協(xié)作能力。

4 期末考試題目注重機(jī)械專業(yè)的滲透

由于傳熱學(xué)知識(shí)點(diǎn)和公式眾多，期末考試可以采取開卷形式，題目類型可以是填空題、選擇題、簡答題和計(jì)算題等，題目不能太容易就讓學(xué)生看出答案，難易程度要適中。由于授課對象是機(jī)械專業(yè)的學(xué)生，因此考試題目要加入一定的專業(yè)背景知識(shí)，特別是簡答題和計(jì)算題，最好以機(jī)械專業(yè)碰到的傳熱問題為背景來出題，這樣既考察了知識(shí)點(diǎn)，又能引導(dǎo)學(xué)生用傳熱學(xué)知識(shí)解決自己專業(yè)所碰到的問題，這為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做好了鋪墊，為深入研究專業(yè)相關(guān)問題打下良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

傳熱學(xué)作為我校機(jī)械類專業(yè)的一門重要學(xué)科基礎(chǔ)課程，教學(xué)效果直接影響后續(xù)專業(yè)課中涉及傳熱問題的理解，因此，必須重視課堂教學(xué)方法、持續(xù)改進(jìn)課堂教學(xué)模式，并著力提升教師自身的專業(yè)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)（第四版）.高等教育出版社.

[2]趙宇含，蔡穎玲，陳帥.傳熱學(xué)教學(xué)中的體會(huì)[J].科教導(dǎo)刊，2014.

[3]齊曉霓，魏麗霞.機(jī)械大類專業(yè)“傳熱學(xué)”教學(xué)改革探討[J].2014.