“雙碳”背景下面向新能源傳熱學(xué)的啟發(fā)式教學(xué)模式探究

謝果 徐永 陳云良 陳建野

摘? 要：在碳達(dá)峰、碳中和背景下，未來新能源產(chǎn)業(yè)迫切需要掌握專業(yè)知識且更具廣闊視野的人才，這給高校能源專業(yè)課堂教學(xué)帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。傳熱學(xué)作為能源專業(yè)的必修課程之一，結(jié)合新能源知識對其教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，有助于拓展學(xué)生視野和未來競爭力。本傳熱學(xué)課程采用課前、課中和課后三個環(huán)節(jié)的漸進(jìn)啟發(fā)式教學(xué)模式，首先激勵學(xué)生構(gòu)想新能源未來發(fā)展和前沿技術(shù)，逐步引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用傳熱學(xué)知識剖析新能源行業(yè)的經(jīng)典案例，再通過課程設(shè)計等進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對新能源產(chǎn)業(yè)實(shí)際問題的分析和解決能力。基于此教學(xué)模式，一方面可以鞏固學(xué)生所學(xué)傳熱學(xué)知識，并增強(qiáng)其學(xué)習(xí)興趣，另一方面可拓寬學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，同時提高分析問題及動手實(shí)踐能力，為其未來從事相關(guān)產(chǎn)業(yè)打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué);新能源;教學(xué)探究;啟發(fā)式教學(xué)

中圖分類號：C961? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）20-0140-04

Abstract： Under the background of carbon peak and carbon neutral， graduates need professional knowledge and wide vision to meet the requirements of the new energy industry in the future， which poses new challenge and opportunity for teaching in energy discipline of colleges and universities. Heat Transfer is one of the required courses for students in energy discipline. Improving the course by integration with new energy will help students to widen their vision and strengthen their competitiveness. With this aim， a progressive inspiring teaching composed of before-class， in-class and after-class period is adopted. Students will be firstly inspired by the new energy development and relevant frontier technology， then guided to analyze the typical cases in new energy via knowledge of heat transfer， and further consolidated their analytical and problem-solving skills in practice of new energy industry. Benefits of the proposed inspiring teaching include two parts. On one hand， heat transfer knowledge could be consolidated and learning interests of students could be enhanced. On the other hand， wide academic vision， analytical and problem-solving skills of the students could be achieved， paving their way for engaging relevant industry in the future.

Keywords： Heat Transfer; new energy; teaching exploration; inspiring teaching

在碳達(dá)峰、碳中和背景下，開展新能源學(xué)科建設(shè)及培養(yǎng)新能源方面人才是能源專業(yè)的重要發(fā)展方向。相較于傳統(tǒng)能源專業(yè)的工科人才，未來新能源產(chǎn)業(yè)需要實(shí)踐能力、適應(yīng)性及創(chuàng)新性均更強(qiáng)的復(fù)合型人才[1]。在瞄準(zhǔn)國際及產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的基礎(chǔ)上，人才培養(yǎng)應(yīng)從過去“先培養(yǎng)后就業(yè)”的模式，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐允袌鲂枨鬄閷?dǎo)向的針對性培養(yǎng)模式。為深化該類工程教育改革，教育部在2017發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》（教高司函[2017]6號），該文件指明了工科教育新的改革方向。未來新能源方向的人才培養(yǎng)理念將更以市場為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)未來人才在行業(yè)發(fā)展中的引領(lǐng)作用[2]。據(jù)此，能源專業(yè)應(yīng)在保持完整專業(yè)知識體系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生面對實(shí)際問題時的自主創(chuàng)新能力，使學(xué)生畢業(yè)后同時具備專業(yè)理論知識和動手能力[3]。這種培養(yǎng)模式的改進(jìn)，不僅是能源專業(yè)自身發(fā)展的需求，更是高等教育引領(lǐng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)所需承擔(dān)的社會責(zé)任和義務(wù)。

傳熱學(xué)作為能源專業(yè)的必修課程之一，對學(xué)生認(rèn)知新能源方面知識有著十分重要的影響。一方面，該課程涉及能源行業(yè)的許多基本概念、原理和分析方法，是后續(xù)如新能源技術(shù)等其他專業(yè)課程的基礎(chǔ)。另一方面，該課程內(nèi)容包括許多實(shí)際工程問題的案例分析，這些內(nèi)容對培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際分析問題和解決問題的能力十分重要[4-5]。然而，傳統(tǒng)的傳熱學(xué)教學(xué)內(nèi)容和模式存在內(nèi)容過于理論化且局限于課堂授課等問題，因此很難讓學(xué)生在有限的課程學(xué)習(xí)中建立起相關(guān)知識與新能源產(chǎn)業(yè)之間的聯(lián)系，無法很好地培養(yǎng)學(xué)生對新能源產(chǎn)業(yè)的興趣和熱情。面臨類似問題的專業(yè)課程嘗試了許多改進(jìn)方法和思路，包括采用多元化的成績評價體系[6-9]、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、豐富教學(xué)實(shí)驗內(nèi)容、結(jié)合各類網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺[10-14]等。

據(jù)此，通過借鑒和參考上述課程的教學(xué)改革經(jīng)驗，將新能源相關(guān)知識逐步引入到傳熱學(xué)課堂，使課程內(nèi)容更好地適應(yīng)未來新能源產(chǎn)業(yè)對畢業(yè)生的要求。同時，將傳統(tǒng)傳熱學(xué)教學(xué)改進(jìn)為漸進(jìn)啟發(fā)式教學(xué)。具體為，在整個教學(xué)環(huán)節(jié)中，將課前、課中和課后三個環(huán)節(jié)有機(jī)整合起來，讓學(xué)生從了解新能源背景和前沿技術(shù)展望，逐步掌握運(yùn)用傳熱學(xué)知識剖析新能源行業(yè)案例的方法，以此實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的漸進(jìn)啟發(fā)式教學(xué)過程。該教學(xué)改革不但可以增強(qiáng)學(xué)生對傳熱學(xué)知識的理解和學(xué)習(xí)動力，還能夠提高學(xué)生對新能源產(chǎn)業(yè)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生未來涉足新能源產(chǎn)業(yè)的自信心和解決相關(guān)實(shí)際問題的能力，為其從事相關(guān)產(chǎn)業(yè)打下基礎(chǔ)。

一、創(chuàng)新教學(xué)模式

面向新能源的傳熱學(xué)教學(xué)采用啟發(fā)式教學(xué)模式，具體內(nèi)容如圖1所示。在整個教學(xué)過程中，分別于課前、課中和課后對學(xué)生展開新能源及傳熱學(xué)有關(guān)的教學(xué)工作。課前環(huán)節(jié)內(nèi)容為在傳熱學(xué)授課的前期階段，開展新能源概論、新能源講座和大創(chuàng)項目，通過背景知識引導(dǎo)學(xué)生積極思考，啟發(fā)學(xué)生關(guān)注新能源產(chǎn)業(yè)和前沿技術(shù)。課中環(huán)節(jié)內(nèi)容為在傳熱學(xué)授課期間，除對學(xué)生講解理論知識以外，另輔以新能源相關(guān)的案例解析和課程實(shí)驗內(nèi)容，啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生對具體問題的分析能力。課后環(huán)節(jié)內(nèi)容為在授課環(huán)節(jié)之后，通過后續(xù)課程設(shè)計、學(xué)科競賽和論文專利寫作等，鍛煉學(xué)生面對新能源科研問題時的思考能力。借助于啟發(fā)式傳熱學(xué)教學(xué)，對學(xué)生思維模式、信息整理、課堂知識應(yīng)用及實(shí)際解決問題等多方面能力進(jìn)行培養(yǎng)，為學(xué)生未來從事新能源產(chǎn)業(yè)打下基礎(chǔ)。本文傳熱學(xué)教學(xué)內(nèi)容將依托于太陽能熱利用科研項目展開，后續(xù)內(nèi)容將對課前、課中和課后環(huán)節(jié)的具體內(nèi)容進(jìn)行描述。

（一）課前

課前環(huán)節(jié)內(nèi)容包括新能源概論、新能源講座和大創(chuàng)項目。新能源概論課程中，學(xué)生將學(xué)習(xí)風(fēng)電、核電、海洋能、地?zé)帷⒐夥凸鉄岚l(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)背景知識和基本運(yùn)行原理。其中，光熱發(fā)電系統(tǒng)涉及大量傳熱學(xué)知識的實(shí)際運(yùn)用，與后續(xù)傳熱學(xué)教學(xué)的關(guān)系尤為密切。光熱發(fā)電系統(tǒng)，即利用鏡面反射實(shí)現(xiàn)太陽能高倍聚光集熱，然后加熱給水形成高溫高壓蒸汽后，所產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。上述過程中，高倍聚光集熱涉及到集熱器均勻吸熱和高效導(dǎo)熱技術(shù)，日間儲熱和夜間放熱過程涉及到非穩(wěn)態(tài)對流換熱和具有相變過程的熱傳導(dǎo)，乏汽在冷凝器內(nèi)冷凝過程同樣涉及到其與冷卻介質(zhì)之間的熱交換過程，這些知識的講解有助于啟發(fā)學(xué)生思考新能源系統(tǒng)與傳熱學(xué)之間密不可分的關(guān)系，并激發(fā)學(xué)生對傳熱相關(guān)知識的學(xué)習(xí)興趣。新能源講座則圍繞地?zé)崂弥v解，內(nèi)容涉及地?zé)豳Y源在我國分布、我國地?zé)崮荛_發(fā)利用政策、地?zé)衢_采技術(shù)和最新地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。在講座過程中，重點(diǎn)講解與傳熱相關(guān)的地?zé)嵫芯抗ぷ鳎缥鼰峤橘|(zhì)在熱井中的相變過程規(guī)律、熱井高溫巖土隨地?zé)衢_發(fā)的溫度變化和熱補(bǔ)償特性、熱介質(zhì)滲透過程對介質(zhì)吸熱特性的影響等。通過講座內(nèi)容，啟發(fā)學(xué)生意識到傳熱學(xué)知識在新能源產(chǎn)業(yè)中的意義。大創(chuàng)項目則依托于光熱利用研究項目展開，針對部分對太陽能熱利用有興趣的大一大二新生，指導(dǎo)其參與具體工作。由于此階段的學(xué)生尚不具備相關(guān)專業(yè)知識，因此大創(chuàng)期間以調(diào)研文獻(xiàn)和動手測試為主，理論分析為輔。借助于大創(chuàng)項目，鋪設(shè)本科新生進(jìn)實(shí)驗室了解新能源科研的渠道，鼓勵低年級本科生與高年級學(xué)生互動交流，共同參與相關(guān)實(shí)驗現(xiàn)象觀測和數(shù)據(jù)分析的工作，以此提高低年級本科生對新能源技術(shù)的興趣。

（二）課中

傳熱學(xué)是能源專業(yè)的必修課程之一，課堂內(nèi)容涉及能源行業(yè)基本概念、原理和分析方法，對學(xué)生認(rèn)知新能源方面知識有著十分重要的影響。在課堂傳授理論知識期間，將具體問題引入到課堂，從而更直觀地講解其內(nèi)容。例如，在講解穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時，可引入太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)儲熱過程，分析由于日照全天變化，導(dǎo)致的儲熱罐熱交換壁面非穩(wěn)態(tài)溫度邊界，以此進(jìn)一步講解罐內(nèi)儲熱介質(zhì)內(nèi)外熱阻、導(dǎo)熱系數(shù)、內(nèi)熱源、Bi數(shù)和Fo數(shù)等基本概念及其計算過程。此后，結(jié)合實(shí)際工程案例對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行解析，并設(shè)置針對性的課堂練習(xí)環(huán)節(jié)，一方面加深學(xué)生對基本概念的認(rèn)知，另一方面讓學(xué)生掌握具體問題的分析方法。例如，在講解自然對流章節(jié)時，結(jié)合太陽能加熱蒸餾過程中蒸汽自然對流換熱過程進(jìn)行講解，如圖2所示。在講解完案例分析計算思路后，給出該蒸餾空腔內(nèi)蒸汽的物性和溫度參數(shù)，讓學(xué)生計算該蒸餾空腔內(nèi)的Gr數(shù)和對流換熱系數(shù)hc，以此作為課堂練習(xí)。在隨后的課程實(shí)驗中，則結(jié)合已有科研設(shè)備開展太陽能加熱相關(guān)的傳熱測試，具體為指導(dǎo)學(xué)生使用模擬光源照射具有光熱轉(zhuǎn)化涂層的平板，然后通過紅外攝像儀拍攝不同光照強(qiáng)度及散熱條件下平板的表面溫度分布。在實(shí)驗測試結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生利用傳熱學(xué)知識分析計算吸光平板的吸熱功率及其向周圍環(huán)境散熱時的表面對流傳熱系數(shù)。通過上述從理論知識講解到案例剖析，再到課堂實(shí)驗的授課方式，啟發(fā)學(xué)生思考所學(xué)知識與實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐之間的聯(lián)系，拓展學(xué)生的思維和眼界，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

（三）課后

課后環(huán)節(jié)包括課程設(shè)計、學(xué)科競賽及論文寫作。該環(huán)節(jié)意義在于啟發(fā)學(xué)生用所學(xué)知識分析實(shí)際問題，從而使學(xué)生更好地理解新能源產(chǎn)業(yè)與所學(xué)傳熱學(xué)知識之間的聯(lián)系。其中，課程設(shè)計環(huán)節(jié)為針對塔式光熱電站鍋爐進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并提交設(shè)計計算報告。報告內(nèi)容包括物性及運(yùn)行參數(shù)調(diào)研、換熱管尺寸選型、吸熱工質(zhì)流速流量、流動阻力、換熱量、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、傳熱溫差、所需換熱面積及鍋爐整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過該課程設(shè)計，讓學(xué)生了解實(shí)際生產(chǎn)中新能源設(shè)備的研發(fā)設(shè)計過程。學(xué)科競賽則在前期大創(chuàng)項目的基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開，此階段參與過大創(chuàng)的學(xué)生已經(jīng)儲備了相關(guān)知識，并具備了一定的動手能力，能夠自主調(diào)研文獻(xiàn)、分析問題并提出新方案，因此可在指導(dǎo)老師帶領(lǐng)下申報相關(guān)學(xué)科競賽。例如某學(xué)科競賽中，結(jié)合個人科研課題指導(dǎo)學(xué)生對一種仿生漂浮式太陽能凈水器進(jìn)行了方案設(shè)計、樣機(jī)試制和測試工作，該裝置設(shè)計思路如圖3所示。論文專利寫作環(huán)節(jié)中，根據(jù)學(xué)生在大創(chuàng)競賽期間積累的數(shù)據(jù)和思路，指導(dǎo)學(xué)生繪制相關(guān)原理圖和數(shù)據(jù)圖表，并傳授文字內(nèi)容書寫技巧。通過該論文專利寫作環(huán)節(jié)鍛煉學(xué)生的邏輯思維和表達(dá)能力，為學(xué)生后續(xù)工作和深造打下基礎(chǔ)。

二、教學(xué)改革效果

通過啟發(fā)式教學(xué)改革，推進(jìn)面向新能源傳熱學(xué)的教學(xué)工作，使所授知識能夠契合碳達(dá)峰、碳中和背景下社會行業(yè)快速發(fā)展的需求。基于本教學(xué)改革，一方面加深學(xué)生對傳熱學(xué)知識的印象，提高學(xué)生對所學(xué)知識靈活運(yùn)用程度;另一方面激發(fā)學(xué)生對新能源產(chǎn)業(yè)的興趣，為其未來投身于相關(guān)產(chǎn)業(yè)打下基礎(chǔ)。其中，各個環(huán)節(jié)的教學(xué)改革效果如下：（1）課前環(huán)節(jié)，學(xué)生對新能源產(chǎn)業(yè)的興趣明顯提高，更踴躍地討論新能源行業(yè)動態(tài)發(fā)展問題，并積極聯(lián)想家鄉(xiāng)新能源產(chǎn)業(yè)，比如光伏或風(fēng)力發(fā)電站等，更積極地申報新能源有關(guān)的大創(chuàng)項目，就新能源前沿技術(shù)與老師展開討論;（2）課中環(huán)節(jié)，學(xué)生對傳熱學(xué)知識掌握更加扎實(shí)，在課堂練習(xí)和提問環(huán)節(jié)表現(xiàn)更加積極，思路更具有邏輯性，對具體問題分析更加準(zhǔn)確，能更好地運(yùn)行傳熱知識分析實(shí)際工程問題，并對傳熱學(xué)和新能源知識表現(xiàn)出更大興趣;（3）課后環(huán)節(jié)，在課程設(shè)計環(huán)節(jié)聯(lián)想所學(xué)知識，主動熱情地參與新能源方面科研工作，并積極申報各類競賽和撰寫相關(guān)論文專利;近五年，指導(dǎo)的本科學(xué)生獲全國大學(xué)生水利創(chuàng)新設(shè)計大賽國家級特等獎一項、全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽國家級二等獎一項及“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽校級獎勵兩項，指導(dǎo)的本科生畢業(yè)設(shè)計獲校級獎勵四次，指導(dǎo)的本科生完成科技論文兩篇并申請專利兩項。此外，許多學(xué)生在后續(xù)深造及就業(yè)中，選擇從事新能源相關(guān)工作。

三、結(jié)束語

在碳達(dá)峰、碳中和背景下，新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，這對能源與動力工程學(xué)科教學(xué)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。傳熱學(xué)作為能動專業(yè)基礎(chǔ)專業(yè)課程，對學(xué)生認(rèn)知新技術(shù)和未來從事于新產(chǎn)業(yè)十分重要。該課程教學(xué)內(nèi)容和模式也應(yīng)從全局性、長遠(yuǎn)性和導(dǎo)向性出發(fā)，結(jié)合新能源推進(jìn)相關(guān)教學(xué)改進(jìn)工作，使學(xué)生在了解相關(guān)產(chǎn)業(yè)的同時具備多面能力，為學(xué)生未來從事相關(guān)產(chǎn)業(yè)打下基礎(chǔ)。結(jié)合這一需求，將傳熱學(xué)教學(xué)模式改進(jìn)為漸進(jìn)啟發(fā)式教學(xué)，從背景知識到理論分析再到教學(xué)實(shí)踐，讓學(xué)生在不斷鞏固課堂所學(xué)知識的同時，對新能源產(chǎn)業(yè)有深刻認(rèn)知。實(shí)踐表明，這些措施很好地激勵了學(xué)生參與后續(xù)課程設(shè)計、學(xué)科競賽和論文專利寫作，對啟發(fā)學(xué)生主動思考和涉足未來新產(chǎn)業(yè)起到了積極的引導(dǎo)作用，對培養(yǎng)學(xué)生多面能力也取得了較好的效果。本教學(xué)改革工作，對相關(guān)專業(yè)課程的改革具有參考和借鑒意義，將傳統(tǒng)教學(xué)模式改進(jìn)為漸進(jìn)啟發(fā)式教學(xué)模式，有利于構(gòu)建更鞏固和與時俱進(jìn)的知識體系，使畢業(yè)生更具有競爭力，更好地適應(yīng)社會快速發(fā)展的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]史廣泰.新工科背景下能源與動力工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式探究[J].高教學(xué)刊，2021（16）：148-151.

[2]穆林，東明，賀纓，等.新工科背景下能源與動力類本科實(shí)踐教學(xué)改革探索[J].高等工程教育研究，2019（S1）：17-19.

[3]杜曉超，袁顯寶，張彬航，等.能源動力類專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)模式的改革與實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2021（15）：117-120.

[4]楚化強(qiáng)，周勇，陳光，等.新工科背景下傳熱學(xué)課程改革探索與實(shí)踐——MATLAB在傳熱學(xué)例題中的應(yīng)用[J].高等工程教育研究，2019（S1）：28-29.

[5]豆瑞鋒，馮妍卉，溫治，等.計算機(jī)仿真技術(shù)在傳熱傳質(zhì)學(xué)可視化及實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等工程教育研究，2019（S1）：187-191.

[6]張彩利，宋倜，孫吉書，等.新工科背景下道路橋梁與渡河工程專業(yè)經(jīng)管類課程OBE教育模式設(shè)計[J].高教學(xué)刊，2020（22）：80-83.

[7]張鵬，王傳杰，朱強(qiáng)，等.新工科背景下彈塑性力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用化設(shè)計探索[J].教育現(xiàn)代化，2020（52）：115-118.

[8]凌意瀚，馬振凱，歐雪梅.新工科理念下材料熱力學(xué)課堂案例教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2020（32）：246-247.

[9]李志新，徐開東，王繼娜，等.“新工科”背景下《建筑材料實(shí)驗》教學(xué)模式的改革與探索[J].教育現(xiàn)代化，2020（19）：40-42.

[10]李海軍，劉宇.新工科與專業(yè)認(rèn)證背景下電氣控制技術(shù)課程思政研究與實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2020（27）：183-185.

[11]祝澤兵，單莉莉，胡鋒平.新工科建設(shè)下“水工程施工”課程教學(xué)實(shí)踐初探[J].教育教學(xué)論壇，2020（28）：238-239.

[12]李銀然，張學(xué)民，李德順，等.新能源專業(yè)風(fēng)電方向一年制畢業(yè)設(shè)計改革及實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2020（7）：133-135.

[13]高雅純，張修明，吳喆.CUPT競賽在《大學(xué)物理》新工科課程教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化，2020（7）：24-27.

[14]郭磊磊，李琰琰，鄭安平，等.面向新工科的“電力電子技術(shù)”教學(xué)方法探索[J].教育教學(xué)論壇，2020（38）：303-304.