“傳熱學”課程教學大綱的編制思路

余德洋 楊明濤

摘?要：“傳熱學”課程是各級院校開設建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)所必設的一門專業(yè)基礎理論課。如何編制“傳熱學”課程教學大綱，促進建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)建設是本專業(yè)教師面臨的重要問題。本文以應用型本科院校為例，從課程性質、課程目標、課程內容、課程安排和課程實施建議五個方面詳細論述針對目前應用型本科院校的傳熱課程學習情況，如何制定“傳熱學”課程大綱。

關鍵詞：傳熱學;導熱;對流換熱;輻射換熱

“傳熱學”是研究熱量傳遞規(guī)律的工程技術科學，其不僅為建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的學生學習有關專業(yè)課提供基本的和必備的理論知識，而且也為該專業(yè)學生今后在工程中能夠合理有效利用熱能和提高熱力設備效率等工作，打下必要的基礎[1]。因此，做好“傳熱學”課程的教學，是一件極為重要的工作。編制合理的課程教學大綱不僅可保證教學計劃的順利實施，而且對學生學習該門課程具有指導性作用[2-3]。筆者根據當前應用型普通本科院校實際情況和傳熱技術發(fā)展水平，對如何編制“傳熱學”這門課程的教學大綱進行了討論。并且在文中提出了幾點合理化建議，以便更有效地組織實施“傳熱學”課程的教學。

1 課程性質

“傳熱學”是建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課[4]，在本專業(yè)課程體系里發(fā)揮著承先啟后的重要作用，通過該課程的學習，使學生掌握傳熱學的基本理論知識和基本原理，樹立培養(yǎng)學生的工程意識和工程實踐能力，運用傳熱學知識分析實際工程問題中起作用的熱量傳遞方式，選擇合理的方法計算工程問題中的換熱量以及溫度分布，并能夠針對實際工程問題中的傳熱過程進行削弱或強化。“傳熱學”課程教學大綱的編制應該結合不同學校、不同專業(yè)教學實際情況和學生專業(yè)基礎水平。

2 課程目標

學校層次的不同，傳熱學的課程目標的側重點也會有所不同。應用型本科院校“傳熱學”課程的授課目標首先要使學生熟知傳熱學的基本概念，能夠區(qū)分和運用專業(yè)術語進行簡單有效的學術交流。基本概念是傳熱學入門所必須要理解和掌握的，這對于學生進一步學習和掌握傳熱學的知識非常關鍵。其次，要使學生理解傳熱學中的所有基本原理和主要公式，能夠將所學理論和工程實踐相結合，應用不同的定律、原理和公式，對實際工程中的具體傳熱問題進行定性以及定量的分析。再次，要使學生熟悉不同類型的間壁式換熱器結構和設計計算原理，并且能夠運用所學的傳熱知識針對簡單的換熱器進行設計以及校核計算。上述傳熱學的課程目標比較符合應用型本科院校的就業(yè)定位。

3 課程內容

“傳熱學”課程內容主要分為十二個部分，分別是：（1）緒論;（2）導熱理論基礎;（3）穩(wěn)態(tài)導熱;（4）非穩(wěn)態(tài)導熱;（5）導熱數值解法基礎;（6）對流傳熱分析;（7）單相流體對流傳熱;（8）凝結與沸騰傳熱;（9）熱輻射的基本定律;（10）輻射傳熱計算;（11）傳熱和換熱器;（12）課程思政。

3.1 緒論

緒論設置的目的主要是讓學生能夠對簡單傳熱問題進行計算，能分析工程實際的傳熱問題有哪些熱量傳遞方式和環(huán)節(jié)。緒論對全書的內容只是作了初步的概括，但沒有作深入討論。

3.2 導熱理論基礎

這部分內容設置的目的主要是讓學生掌握傅里葉導熱定律、建立導熱問題所對應的數學微分方程及對應的求解方法、邊界條件的處理，從而為后續(xù)的導熱計算以及建立導熱數學模型打下基礎。而溫度場，溫度梯度，熱流量與熱流密度，導熱系數與導溫系數等概念的講解對于理解導熱過程及其計算是必不可少的。

3.3 穩(wěn)態(tài)導熱

通過穩(wěn)態(tài)導熱內容的講解，使學生具有解決以下問題的能力。能夠對平壁、圓筒壁以及肋壁等幾種典型形狀物體的穩(wěn)態(tài)導熱問題用數學方法計算，確定這些物體內部的溫度場和通過的傳熱量;掌握利用熱阻分析的方法分析工程實踐中的穩(wěn)態(tài)導熱問題，能夠處理導熱系數變化所帶來的影響，以及利用肋片導熱的特點來強化工程實踐中的傳熱過程。

3.4 非穩(wěn)態(tài)導熱

通過本章的學習，學生能夠針對無限大平壁、半無限大物體、無限長圓柱體及球體等物體的瞬態(tài)導熱問題進行分析，得出其微分控制方程和單值條件（數學描述）;利用上述典型形狀非穩(wěn)態(tài)導熱問題解的結果對工程實踐中的問題進行數學分析計算;掌握利用集中參數法計算分析特殊的瞬態(tài)導熱問題;利用時間常數的概念求解非穩(wěn)態(tài)導熱問題;能夠對一維非穩(wěn)態(tài)導熱的分析解進行討論;會運用諾謨圖（海斯勒圖）解決瞬態(tài)導熱問題;學會運用乘積解法來求解二維以及多維非穩(wěn)態(tài)導熱問題。

3.5 導熱數值解法基礎

導熱數值解法基礎部分的內容主要包括數值求解導熱問題的技術路線、并以二維穩(wěn)態(tài)導熱以及一維非穩(wěn)態(tài)導熱兩種類型物理問題作為例子，講解了運用有限差分法對導熱問題進行數值求解的基本過程。通過對導熱數值解法基礎內容的學習，要求學生掌握從熱力學第一定律出發(fā)建立代數離散方程的方法，并能夠對已離散的代數方程組進行迭代求解。

3.6 對流傳熱分析

通過本章內容的學習，應使學生了解影響對流換熱的因素，并理解每種影響因素的作用機理，掌握確定對流換熱系數的幾種方法，理解邊界層概念的物理機制。

3.7 單相流體對流傳熱

通過本章內容的學習，不僅使學生能夠正確選擇實驗準則方程求解不同類型單相對流傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂导捌鋫鳠岬臒崃髁浚覒箤W生能夠通過實驗得到不同類型單相對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂档姆椒ā?/p>

3.8 凝結與沸騰傳熱

完成這章內容的學習，學生應能夠定性地理解凝結和沸騰兩種存在相變對流換熱的特點、影響凝結和沸騰傳熱的因素及強化措施，尤其是膜狀凝結的影響因素和大容器飽和沸騰曲線。應掌握豎壁、單管和管束的膜狀凝結傳熱的定量計算，以及大容器泡態(tài)沸騰及沸騰臨界點時的熱流密度計算。

3.9 熱輻射的基本定律

通過本章學習，學生應熟悉熱輻射的一些特點，掌握熱輻射領域重要概念，理解并會運用黑體輻射的幾個重要定律解決實際問題。掌握基爾霍夫定律的內容以及它的應用，了解黑體、白體、灰體、透明體以及實際物體之間的差異。

3.10 輻射傳熱計算

通過本章內容的學習，要求學生掌握角系數的概念和性質，重點是掌握角系數的計算方法。還要求學生能夠熟練利用輻射網絡圖對由漫灰表面組成的封閉系統(tǒng)進行輻射傳熱計算。理解遮熱板等強化和削弱輻射傳熱方法的原理及其應用。

3.11 傳熱和換熱器

通過本章內容的學習，要求學生能夠針對復合換熱問題熟練的進行計算分析、理解傳熱過程的概念及對其進行計算分析、理解臨界熱絕緣直徑的物理含義及計算方法、掌握計算對數平均溫差的方法、能夠掌握設計和校核間壁式換熱器的計算方法。

3.12 課程思政

為了全方位育人，專業(yè)課不僅要傳授知識，而且要對學生的人生價值觀進行引領，需將以下思政元素融合進傳熱學的教學內容。

（1）科技報國的家國情懷。在第一節(jié)課介紹傳熱學應用時，延伸到建筑節(jié)能、能源動力以及航空航天等領域存在大量的傳熱問題，使同學們看到傳熱領域科技人員在國家發(fā)展過程中所起的積極作用，進而更好地激發(fā)學生的愛國思想，努力學好專業(yè)知識，以便實現科技報國的家國情懷，為祖國的發(fā)展貢獻自己的一份力量。

（2）節(jié)能減排。在學習間壁式換熱器時，詳細闡述換熱器傳熱過程的強化與節(jié)能減排的關系。間壁式換熱器內的傳熱過程由管壁導熱、管內對流換熱以及管外對流換熱三個環(huán)節(jié)組成。根據換熱器的實際工況，可在管內壁及外壁分別設置內肋和外肋以提高管壁兩側的對流換熱，選用導熱系數高的管材以降低管壁的導熱熱阻。諸如上述強化措施可大大優(yōu)化換熱器的傳熱過程，從而節(jié)約換熱器的運行能耗，降低因消耗能源引起的環(huán)保問題。通過這部分的講解，可使學生們理解傳熱學對于實現節(jié)能減排的重大作用。

4 課時安排

“傳熱學”課程具體的學時建議安排可見下表。

5 教學實施建議

（1）傳熱學授課內容結合日常現象。當前許多學生將自己不愛學習傳熱學的原因歸結為不明白傳熱學有什么作用，因而，在傳熱學學習過程中總是缺乏學習的熱情，在課堂上一直處于消極聽課，懶于主動學習思考，最后學習效果總是不理想。針對這一現象，建議在今后的教學中注重將傳熱學知識點與日常現象和工程實踐結合起來。例如，在講授有相變的對流換熱和單相無相變的對流換熱時，如只按照課本內容給出上述兩個概念的敘述，則會使學生感覺枯燥乏味，因此，為了使學生對相變傳熱和單相無相變傳熱這兩種物理現象有比較深刻的理解，在給出概念后，應緊接著提出日常生活中人在做劇烈運動后的散熱現象。如人在做劇烈運動后，體內產生大量的熱，此時人體如不能出汗，人體皮膚和大氣間的對流換熱處于無相變對流換熱時，傳熱速率小，人體內的熱量來不及向環(huán)境釋放，則人體會越來越難受。但正常情況下，劇烈運動會引起人體出汗，汗液在皮膚表面蒸發(fā)，汗液蒸發(fā)所需的氣化潛熱來自人體，隨著汗液蒸發(fā)，從而加快人體的散熱速率。通過上述例子可使學生比較直觀理解相變傳熱與無相變傳熱在傳熱速率上的區(qū)別。

（2）弱化傳熱公式的推導，強化對公式的應用。眾所周知，傳熱學難度大，涉及許多的公式推導，推導公式需用微積分和微分方程組等數學知識，因而增加了學生學習的難度。針對這一問題，建議在教學過程中弱化公式的推導，重點培養(yǎng)學生利用傳熱公式解決問題的能力。

（3）設置合理的問題，引導學生主動探索學習。在學習新內容前，可通過設置一些問題，使學生們有目的地學習新知識。如在學習臨界絕緣直徑部分內容時可事先提示學生以下內容：隨著包裹在管外壁（管道置于空氣中）的保溫層厚度增加，管外側表面和空氣之間換熱面積增大，因而導熱熱阻會減小，所以管外壁上的保溫層厚度越大越利于管內流體和管外空氣間的換熱;另一方面，隨著保溫層厚度的增加，其導熱熱阻也會相應地增長，這又降低管內流體和管外空氣間的換熱速率。在上述提示內容的基礎上，提問學生管外壁上的保溫層厚度取多少能最大程度地減弱管內外流體間的傳熱速率，并要求學生們掌握確定最佳保溫層厚度的數學方法。讓學生帶著目的學習，可起到事半功倍的效果。

6 結語

“傳熱學”課程對于深化建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)學生的理論基礎，更好地培養(yǎng)工科學生的創(chuàng)新思維具有重要的促進作用。通過本門課程的學習，可以為今后的專業(yè)課學習打下堅實的知識基礎，也為建能專業(yè)學生今后工作和研究指明了方向，例如通過采取合理的強化傳熱或抑制傳熱的方法，實現節(jié)能減排。該課程教學大綱正是基于以上教學目的進行撰寫的，可以規(guī)范任課教師更有效地指導學生學習“傳熱學”課程。

參考文獻：

[1]劉其鑫.建環(huán)專業(yè)傳熱學教學體會與探討[J].山西建筑，2011，37（26）：252-253.

[2]郭文革.高等教育質量控制的三個環(huán)節(jié)：教學大綱、教學活動和教學評價[J].中國高教研究，2016（11）：58-64.

[3]張光.高校課程大綱的功能和要件：兼論我國大學課程大綱制度之現狀[J].清華大學教育研究，2011（2）：40-46.

[4]李敏，凌長明，謝愛霞.三種教學法在“傳熱學”教學中的應用和實踐[J].中國電力教育，2011（4）：93-94.

作者簡介：余德洋（1973—?），男，江蘇興化人，碩士，研究方向：傳熱與熱質交換課程建設。