探究式教學模式在《熱交換原理與技術》課程教學中的應用*

胡 冰，陳佰滿

(東莞理工學院，廣東 東莞 523808)

熱交換原理與技術是能源、化學、化工、食品等專業的一門重要專業基礎課。本課程介紹的熱交換原理與技術是解決生活、能源、化學、環境及相關領域許多科研問題的一種實驗方法[1]，也是一門具有較強理論和實踐意義的工具課程[2]。

熱交換實驗是熱交換原理與技術課程的重要實踐環節，與理論課程內容相輔相成。它不僅是熱交換原理理論知識的應用，而且是理論課內容[3]的延續和完善。熱交換實驗一般包括熱交換器的傳熱試驗，傳熱強化，優化及設計性能評價等。無論采用何種實驗進行熱交換測試，要求學生在完成實驗課程后至少要達到兩個認知目標，即掌握傳熱系數的測定和強化換熱的方法。

由于熱交換實驗通常受到實驗場地大小、換熱器數量、儀器價格、實驗課程學時限制等因素的影響[4]，傳統的熱交換實驗教學模式是由實驗教師先講解實驗內容，演示儀器的操作方法，再由學生按照現有的實驗方案進行實驗。這種教學方法的缺點是師生之間缺乏互動。同時，學生對實驗內容和方法缺乏獨立思考。他們只需遵循程序，掌握測試方法，并按照標準實驗步驟驗證實驗結果[5-6]。大部分學生在完成熱交換實驗后，只知道測定換熱系統的操作規則，對實驗原理、實驗內容、強化換熱等沒有深刻的記憶。實驗認知目標沒有很好地實現，實驗課程與理論課程的教學內容不能相互補充和促進，也不能提高學生的實踐能力和探索能力。

本文要討論的就是在熱交換實驗教學中，如何改變傳統的教學模式，引入更有效的實驗教學模式；以及在實驗場地、儀器數量、實驗課時有限的情況下，如何開展高質量的熱交換實驗教學，提高學生的實踐能力、創新能力和科學素養，培養新時期高素質人才。

探究式教學模式是指學生在教師的指導下，通過自主、探究、合作的學習模式，對當前教學內容中的主要知識點進行自主學習、深入探究、分組交流的一種教學方式，找到并掌握相應的原理和結論。探究式教學模式已經在許多學科的理論教學中得到了嘗試和應用[7]，但很少有人將其應用于實驗教學中。我們的熱交換原理與技術實驗教研組根據熱交換實驗項目的內容，明確了熱交換實驗中每個實驗項目學生要探索的內容和方法，將探究式教學模式應用于熱交換實驗課程，建立了一套科學的、可操作的實驗教學模式。

1 根據實驗項目的認知目標確定探究內容

在熱交換實驗過程中，學生探索的實驗內容是什么，直接決定了探究式教學模式能否成功地應用于熱交換實驗，因此應避免探究內容的隨意性。這就需要確定每個實驗項目的認知目標，從而確定學生探究的內容。要求每個實驗項目的認知目標具有探索性，難度適中，不能簡單等同于傳統實驗講義中的實驗目的。應根據實驗項目的內容和實驗課程的目標提出。同時，應與熱交換原理與技術理論課程的內容相結合，并盡可能地補充理論課程的內容。

例如，熱交換實驗中的一個實驗項目是測量熱交換器中的對流換熱系數。本實驗項目通常采用威爾遜(E. E. Wilson)圖解法進行確定對流換熱系數。威爾遜(E. E. Wilson)圖解法是熱交換實驗中對流換熱系數測定的常用方法。因此，實驗項目的首要認知目標是掌握威爾遜(E. E. Wilson)圖解法間接確定對流換熱系數的方法。另外，從熱交換理論的過程來看，在換熱管內加某些插入物以及添加一些新的工質會使換熱效果得到明顯改善。因此，改變換熱管的結構以及使用新的工質可以提高換熱性能，如果這一知識點僅僅由教師在理論課上講解，對學生來說無疑是抽象的，難以深刻理解，不能靈活運用。因此，可以將這一知識點引入到實驗探究內容中，使學生從實驗中得出自己的結論，加深對這一知識點的理解，并通過實驗使理論教學內容具體化，因此確定了第二個認知目標：掌握通過改變換熱器結構和使用新的工質以提高換熱效果的方法。

2 探究式教學模式在熱交換實驗課中的應用

在確定實驗項目的認知目標后，如何將探究式教學模式應用到熱交換實驗中，應包括以下幾個步驟。

(1)實驗課開始前，實驗教師根據每個實驗項目的認知目標提出要探究的問題。學生被分成兩組，每組2～4人。根據教師提出的探究內容，查閱文獻，設計實驗方案，提交給教師復習。老師指出實驗計劃的可行性以及是否需要修改。學生根據老師的建議修改實驗計劃，直到實驗計劃可行為止。

(2)在實驗課上，老師首先演示熱交換系數的測量方法。在學生掌握了操作方法后，每組學生在課前按照設計的實驗方案完成實驗并記錄實驗數據。

(3)實驗結束后，每組學生對數據進行處理，根據自己的實驗結果總結結論，并向老師提交實驗報告或論文。老師評價實驗結果。

為了鑒定一臺新設計的熱交換器能否達到預定的傳熱性能，或檢驗一臺已運行一段時期 的熱交換器的實際性能有何變化，或確定在改變遠行條件下(如改變參數與熱交換器的介質)的傳熱性能，或為了比較不同型式和種類的熱交換器的傳熱性能的好壞，常常需要測定熱交換器的傳熱系數。

根據傳熱計算的基本方程式，可以得出傳熱系數K為：

K=Q/FΔtm

對于一臺已有的熱交換器，傳熱面積F是已知值。傳熱量Q在不計熱損失的條件下可以 通過熱平衡方程式來計算。在非順流或逆流的情況下，Δtm可以按逆流時對數平均溫差Δtm，c再乘以修正系數ψ來求得。因而，只要在試驗中測得冷、熱流體的流量和進、出口溫度， 并利用流體的熱物性數據表查得它們的比熱數值，即可求得在相應的運行條件下的傳熱系數 K值。

今以某一試驗裝置為例，說明試驗測定K值的方法和步驟。圖1為水一水套管式熱交換 器的試驗系統。電熱水箱1中的水在被加熱到一定溫度后，經水泵2送入套管熱交換器的內 管，與套管的夾層空間6中流過的冷卻水換熱后返回熱水箱。冷水從冷卻水池(或其他來源) 進入冷水箱8，被水泵9抽出后，通過閥12和溫度測點18(構成逆流工況)，或通過閥11和溫 度測點17(構成順流工況)，進入夾層空間6，再由測點17、閥13(逆流時)，或測點18、閥14(順 流時)，排入冷卻水池。冷、熱水溫度可用玻璃溫度計或熱電偶等方法測量，分別在測量點17、 18及15、16處讀取。冷、熱水流量可用孔板流量計，轉子流量計或渦輪流量計(配頻率計數儀)。

圖1 水一水管套式熱交換器實驗系統

試驗可按以下步驟進行：

(1)了解試驗系統、操作方法及測量儀表使用方法。

(2)接通熱水箱電加熱器的電源，將水加熱到預定溫度。

(3)啟動冷、熱水泵。

(4)根據預定的試驗要求，分別調節冷、熱水流量達到預定值，然后維持在此工況下運 行。

(5)當冷、熱水的進、出口溫度均達穩定時，測量并記錄冷、熱水流量及各項溫度值。

(6)改變冷水(或熱水)流量若干次，即改變運行工況，再進行5的測量。

(7)如需要，調節加熱功率，將水加熱到另一預定溫度，重復4～6步驟。

(8)試驗中如有必要，可以改變任一側流體的流向，重復5、6兩步驟。

(9)試驗完畢依次關閉電加熱器、熱水泵及冷水泵等。

為使實驗正確而又順利地進行，試驗中應注意以下幾點：

(1)試驗前必須校驗所使用的儀器儀表在系統中的安裝位置與校驗方法是否適當，以保證測量數據的準確。

(2)試驗中，如流體進出口溫差不大，應特別注意測溫 的準確。方法有：采用高一級精度的溫度計，如用1/10 ℃刻度的玻璃溫度計；在測點處接入一個混合器(如圖2所示)使流體充分地混合，同時在管徑較小時仍能保證玻璃溫度計有相當大的插入深度；測點加以保溫。

(3)當熱交換器的散熱面較大，或熱交換器的外殼溫度與室溫相差較大時，應將熱交換器的外殼保溫，以減少熱平衡誤差。

(4)為了提高流量測量的精度，對于液體流量的測量，在有條件的測量系統中，可考慮采用直接稱重法測定(特別是在流量較小時)。

(5)每一個試驗工況應在穩定條件下測定。但絕對的穩定是不可能的，只能要求被測量值在允許范圍內波動。所以，每改變一個試驗工況，應有相當的時間間隔(如20 min左右)，并視各點溫度值基本不變時才測取。測定中，對于同一個試驗工況，應連續同時測取各點數值三次，以便在數據整理時淘汰不符合要求的值。

(6)在利用蒸汽加熱的熱交換器中，在試驗過程中應特別注意在適當部位排放非凝結性氣體(如空氣)，否則將嚴重影響數據的準確性。

圖2 測溫混合器

對于試驗數據的整理，應注意以下幾點：

(1)關于傳熱量Q，由于種種原因，通過測試求得的冷流體吸熱量不會完全等于熱流體 的放熱量，所以應以它們的算術平均值，即Q=(Q1+Q2)/2作為實際的傳熱量。在某些情況 下，如果可以確認其中某一側的熱量計算可靠，而另一側的熱量難于準確計算時，則也可以該 側的熱量為依據。例如，對一般的油一水熱交換，水的比熱可以相當準確地得出，但油的比熱如未經專門的試驗測定，僅憑一般手冊上的數據，那是不可靠的，此時就可以水側的換熱量作為傳熱量。

(2)關于數據點的選取，試驗過程中，誤差總是避免不了的。為了保證結果的正確性， 在數據整理時應舍取一些不合理的點。通常，工程上以熱平衡的相對誤差

ζ=(Q1-Q2)/[(Q1+Q2)/2]≤5%

為標準。凡ζ>5%的點，應予舍棄。在試驗中進行的測定，屬于非工程性試驗，此相對誤差還可以取得稍為小一些。

(3)關于傳熱面積，對于大多數熱交換器，計算傳熱系數時，有一個以哪一種表面積為基準的問題，在整理試驗數據時同樣應注意這一問題。

(4)為了較直觀地表示熱交換器的傳熱性能，通常要用曲線或圖表示傳熱系數K與流體流速w之間的關系，如圖3所示。并且，常常選取流速w=lm/s時的K值作為比較不同型式熱交換器的傳熱性能的標準(與此同時還應比較它們的阻力降ΔP。)

(5)為使試驗結果清晰明了和便于分析，最后可將測得的數據和整理結果列成表格。

上面提到的實驗項目——對流換熱系數的測定——有兩個認知目標。實驗課開始前，根據這兩個認知目標，學生被分成幾個小組。根據教師提出的探究內容，查閱文獻，設計實驗方案，并提交教師審核，確定方案的可行性。在實驗課上，老師首先演示熱交換系數的測量方法。在學生掌握了操作方法后，每組學生在課前按照設計的實驗方案完成實驗并記錄實驗數據。實驗結束后，每組學生對數據進行處理，根據自己的實驗結果總結結論，然后將實驗報告或論文提交給老師，老師將對實驗結果進行評估。

圖3 K=f(w)曲線

實驗教師在評價實驗結果時，應注意在探究式教學模式下，實驗結果的評價不能只依據實驗報告或論文提供的信息，而應是所有實驗項目得分的加權平均值。而對每個實驗項目的成績評價應是實驗方案設計、實驗操作、實驗報告或論文的綜合體現。否則，學生只會關注結果，而不會關注實驗過程[8]。

在對實驗結果進行評價后，計算每個實驗項目認知目標的實現程度，找出實現認知目標的薄弱環節和薄弱環節的原因，進一步改進和完善教學模式。

3 結 論

改變了傳統的熱交換原理與技術實驗教學模式，將探究式教學模式應用于熱交換原理與技術實驗教學中。根據每個實驗項目的認知目標，確定學生討論的內容，克服討論內容的隨機性。建立了一套科學的、可操作的實驗教學模式，并進一步提高了認知目標的實現程度。探究式教學模式在熱交換原理與技術實驗中的應用，使學生成為學習的主體，變被動的接受為主動的探究，使學生自主探索，從實驗數據中總結得出結論，有助于學生對熱交換原理與技術方法建立最直觀、最深刻的認識，培養實踐能力和科研能力。