體現(xiàn)航空特色的“傳熱學(xué)”教學(xué)改革探討
——以飛行器動力工程專業(yè)為例

姚 玉，吳逸飛

（南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

“傳熱學(xué)”是能源動力、機械工程、航空航天等相關(guān)專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，是研究熱量傳遞規(guī)律及其應(yīng)用的工程技術(shù)學(xué)科。本課程可使學(xué)生獲得比較寬廣和扎實的有關(guān)熱量傳遞的基本理論知識，以及相應(yīng)的分析計算能力和一定的實驗技能訓(xùn)練。通過對本課程的學(xué)習(xí)，不僅可以為學(xué)習(xí)專業(yè)知識提供扎實的理論基礎(chǔ)，為有關(guān)的工程技術(shù)課程提供基本的理論知識，還可以為培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力提供重要環(huán)節(jié)，為學(xué)生以后從事熱能的合理利用、熱工設(shè)備效能的提高、換熱器的設(shè)計與開發(fā)研究、航空發(fā)動機熱端部件的研究等方面的工作打下必要的基礎(chǔ)，因此受到廣大師生的高度重視。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀

“傳熱學(xué)”課程是飛行器工程學(xué)院飛行器動力工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)必修課，涉及的知識面廣、實踐性強，在飛行器工程學(xué)院的課程中居于重要地位。該課程教學(xué)內(nèi)容包括穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法、對流傳熱的理論基礎(chǔ)、單項對流傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式、相變對流傳熱、熱輻射基本定律和輻射特性、輻射傳熱的計算、傳熱過程分析與換熱器的熱計算等。由于傳熱實驗設(shè)備的欠缺，學(xué)生沒有實際動手操作，缺乏理論與實踐的結(jié)合。從教學(xué)的知識結(jié)構(gòu)來看，該課是在“工程熱力學(xué)”和“流體力學(xué)”課程基礎(chǔ)上關(guān)于熱的理論，課程內(nèi)容過于偏重?zé)崃康睦碚撚嬎悖]有體現(xiàn)出航空類專業(yè)的特色。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動機高溫部件的設(shè)計也發(fā)生了巨大的變化，近十幾年來，在該領(lǐng)域不斷以創(chuàng)新的科技和先進的熱傳遞技術(shù)引領(lǐng)發(fā)展。為使飛行器動力工程專業(yè)學(xué)生更好地、有針對性地掌握本專業(yè)傳熱領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，課程教學(xué)內(nèi)容的改革勢在必行。為此，本文結(jié)合南航飛行器動力工程專業(yè)現(xiàn)狀，對“傳熱學(xué)”提出相關(guān)的課程改革思路和心得。期望通過課程改革之后的學(xué)習(xí)，學(xué)生能熟練掌握導(dǎo)熱、對流和熱輻射三種熱量傳遞方式的物理概念、特點和基本規(guī)律，能綜合應(yīng)用這些基礎(chǔ)知識正確分析工程實際中的傳熱問題；能掌握計算各類熱量傳遞過程的基本方法，能對典型的工程傳熱問題進行計算；了解強化或削弱熱量傳遞過程的方法，能提出工程實際中切實可行的強化或削弱傳熱的措施；也能更加熟悉了解航空發(fā)動機熱端部件的典型冷卻措施，以及多種方法相結(jié)合的復(fù)合冷卻方法等，能根據(jù)不同零部件采用不同的強化或削弱的換熱措施。

通過課程改革之后，“傳熱學(xué)”更能體現(xiàn)專業(yè)特色，學(xué)生能夠具備更扎實的熱量傳遞規(guī)律的知識基礎(chǔ)，具備分析航空工程傳熱問題的基本能力，掌握計算航空工程傳熱問題的基本方法，并具有相應(yīng)的計算能力，為后續(xù)的科研工作打下堅實的專業(yè)理論基礎(chǔ)。

二、保留傳統(tǒng)，增加航空特色

在最新一版的教學(xué)大綱中，飛行器動力工程專業(yè)的“傳熱學(xué)”課程新增加了4個理論課學(xué)時和4個實驗課學(xué)時。因此，在課程教學(xué)過程中，可適當(dāng)對教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整，保留原有的基本傳熱學(xué)理論知識，在一些章節(jié)部分加入有關(guān)航空發(fā)動機熱量傳遞方法的教學(xué)內(nèi)容，以求讓學(xué)生相對全面地了解航空發(fā)動機的傳熱問題，使學(xué)生具備基本的航空發(fā)動機熱端部件傳熱的基礎(chǔ)知識，啟迪學(xué)生創(chuàng)新性思維，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛力。

例如，在緒論部分，逐步引出傳熱學(xué)在航空宇航科學(xué)技術(shù)中的典型應(yīng)用問題。課堂教學(xué)的引出思路為：首先說明在航空技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)動機推重比和燃油消耗率是衡量航空發(fā)動機技術(shù)水平的綜合性指標(biāo)，航空發(fā)動機的技術(shù)進步主要體現(xiàn)在推重比的提高和燃油消耗率的降低上。接著給出航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的工作原理，采用的是布萊頓循環(huán)熱力循環(huán)，再根據(jù)“工程熱力學(xué)”課程學(xué)習(xí)過的發(fā)動機理想的熱力循環(huán)，指出提高循環(huán)的最高溫度是改善各種熱能動力機械性能最基本的技術(shù)途徑。對航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機而言，這個最高溫度對應(yīng)的即是渦輪進口溫度，也就是提高渦輪前進口溫度可以有效提升功率和熱效率，是改善航空發(fā)動機特性的關(guān)鍵技術(shù)，從而引出在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的發(fā)展過程中渦輪前溫度的變化趨勢。渦輪前溫度近年來在逐步提升，而且越來越高，目前這個溫度已導(dǎo)致高溫部件的工作環(huán)境溫度遠(yuǎn)超材料的耐熱極限，而且高溫合金材料的發(fā)展趨勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上渦輪進口溫度的發(fā)展速度。因此，為保證各部件的正常運轉(zhuǎn)，與溫度提升相對應(yīng)的各種強化冷卻技術(shù)也在不斷更新。在此背景下，引出傳熱學(xué)面臨的挑戰(zhàn)是精確的傳熱分析模型和高效的強化傳熱技術(shù)。在討論精確的傳熱分析模型部分，指出受熱狀態(tài)是影響燃?xì)鉁u輪動力裝置高溫零部件可靠性和壽命的決定因素之一，并且在渦輪葉片設(shè)計中，溫度估計的100 K溫差將帶來葉片壽命一個數(shù)量級的誤差，因而為保證這些高溫部件可靠的工作，不得不采用“過冷卻”的辦法來彌補對溫度估計的誤差，但這樣就不能充分有效地利用現(xiàn)有的冷卻技術(shù)。因此，如果能得到更為精確的傳熱分析模型，把溫度估計得更為精確，就可以既保證這些高溫部件的壽命，又充分利用現(xiàn)有的冷卻技術(shù)，從而盡可能地提高渦輪前溫度。在討論高效的強化傳熱技術(shù)部分，指出為了適應(yīng)渦輪葉片進口溫度不斷提高的高性能燃?xì)廨啓C的發(fā)展趨勢，國內(nèi)外普遍應(yīng)對的技術(shù)途徑集中在兩個方面：高溫耐熱材料的研究和高效傳熱冷卻技術(shù)的研究。很顯然，在材料受限的情況下，如能有更加高效的傳熱冷卻技術(shù)，航空發(fā)動機的渦輪前進口溫度又可進一步提高。新增加的航空特色內(nèi)容，明顯吸引了學(xué)生的注意力，同時教師適時提出問題，加強了與學(xué)生的互動，使他們對工程問題更加感興趣，對傳熱學(xué)更加有興趣，提高了學(xué)習(xí)的主動性。

在熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值解法中，除保留單純的理論講解之外，還引入了CFD的計算樣例，讓學(xué)生在動手中主動學(xué)習(xí)，增加了學(xué)習(xí)的自主性。例如針對某型渦輪葉片，課堂教學(xué)之前引導(dǎo)學(xué)生采用Ansys軟件對其溫度場進行數(shù)值模擬，可以讓學(xué)生查詢資料，自主設(shè)定不同的設(shè)計狀態(tài)，得到對應(yīng)的溫度場。課堂上就可以根據(jù)數(shù)值計算得到的溫度場，引導(dǎo)學(xué)生分析渦輪葉片為何不同區(qū)域的溫度場分布不同，而溫度場又能反映哪些有關(guān)傳熱學(xué)的問題，各個區(qū)域處分別采用哪些換熱方法可以對渦輪葉片形成更好的保護，以及各個設(shè)計狀態(tài)的變化又會對溫度場帶來哪些影響等。這些內(nèi)容可以通過采用布置大作業(yè)的形式，要求學(xué)生使用學(xué)習(xí)過的計算軟件，對葉片進行建模、網(wǎng)格劃分、設(shè)定邊界條件及計算分析。在這個過程中鍛煉了學(xué)生對計算軟件的實際操作能力，對航空發(fā)動機高溫部件的冷卻換熱措施有了更為直觀的了解，對傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)有了更加明確的目標(biāo)。

在仔細(xì)學(xué)習(xí)了熱量傳遞的三種基本方式之后，增加了傳熱學(xué)專題，對典型的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機高溫部件的換熱方法進行了較為詳細(xì)的介紹。航空發(fā)動機熱端部件的換熱所涉及的方法非常廣泛，包括氣膜冷卻、發(fā)散冷卻、沖擊冷卻、擾流柱增強換熱、肋增強換熱，以及多種傳熱方法相結(jié)合的復(fù)合冷卻方法等。對每種典型的換熱方法，分別針對它們的換熱原理，與學(xué)生討論可采用的強化和削弱換熱的方式，同時有針對性地根據(jù)國內(nèi)外發(fā)表的研究內(nèi)容分別進行詳細(xì)的討論，引導(dǎo)學(xué)生提前進入有關(guān)科研的探索。通過傳熱專題的引入，讓學(xué)生對傳熱學(xué)在科研中的應(yīng)用更為熟悉，對傳熱學(xué)的興趣更為濃厚。

在“傳熱學(xué)”的實驗課中，適時引導(dǎo)學(xué)生加深對航空發(fā)動機熱端部件換熱方法的理解。例如，氣—汽對流傳熱系數(shù)測定實驗中，通過對比普通和增強型對流換熱系數(shù)的數(shù)據(jù)，與學(xué)生探討應(yīng)用于渦輪葉片增強換熱方法的可行性，讓傳熱學(xué)在航空方向的應(yīng)用更加直觀，從而加深理論學(xué)習(xí)的印象，更容易對傳熱學(xué)產(chǎn)生興趣。

三、提高自主學(xué)習(xí)積極性

教學(xué)過程中突出以學(xué)生為主體。例如，探討某熱端部件的換熱方法時，在教學(xué)前要求學(xué)生提出各自的看法，以問題為載體，通過啟發(fā)與引導(dǎo)，加強與學(xué)生的互動。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)、書籍收集相關(guān)的文獻，分析現(xiàn)有的典型換熱方法，也可以提出自己的創(chuàng)新想法，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考，使其具有批判性和創(chuàng)造性思維。

教學(xué)過程中注重學(xué)以致用的目標(biāo)。例如，在學(xué)習(xí)渦輪葉片的換熱方式時，先使學(xué)生充分理解導(dǎo)熱、對流、輻射三種基本傳熱方式的特點，再結(jié)合工程實際，運用所學(xué)知識和理論，對具體高溫部件熱交換的要求進行分析，選取合理的冷卻技術(shù)，從而培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)造力。

由于“傳熱學(xué)”的理論與實踐性均較強，為方便學(xué)生直觀地接收課堂知識，在教學(xué)過程中，充分利用信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建設(shè)數(shù)字化教學(xué)資源庫，探索基于網(wǎng)絡(luò)的探究性教學(xué)新模式，以便于學(xué)生與教師交流互動，營造學(xué)生自主學(xué)習(xí)的氛圍。讓學(xué)生真正參與到教學(xué)中，增強信心，增加興趣，提高自主學(xué)習(xí)的積極性。

四、加入課程思政環(huán)節(jié)

2016年，習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)，高校思想政治工作關(guān)系高校培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人這個根本問題。要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面。

2020年教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出，全面推進課程思政建設(shè)，就是要寓價值觀引導(dǎo)于知識傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，這是人才培養(yǎng)的應(yīng)有之義，更是必備內(nèi)容。要緊緊抓住教師隊伍“主力軍”、課程建設(shè)“主戰(zhàn)場”、課堂教學(xué)“主渠道”，讓所有高校、所有教師、所有課程都承擔(dān)好育人責(zé)任，守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思政課程同向同行，將顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，形成協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)建全員全程全方位育人大格局。專業(yè)課程是課程思政建設(shè)的基本載體。要深入梳理專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合不同課程特點、思維方法和價值理念，深入挖掘課程思政元素，有機融入課程教學(xué)，達到潤物無聲的育人效果。

對專業(yè)課而言，以專業(yè)技能知識為載體加強大學(xué)生思想政治教育，具有強大的說服力和感染力，有助于將課堂主渠道功能發(fā)揮最大化，扭轉(zhuǎn)專業(yè)課程教學(xué)重智輕德現(xiàn)象，具有其他教育方式不可替代的優(yōu)勢。因此，在“傳熱學(xué)”課堂教學(xué)中，要適時融入思政元素。

例如，緒論中分析了傳熱學(xué)在航空宇航科學(xué)技術(shù)中的典型應(yīng)用問題之后，可以與學(xué)生探討我國航空發(fā)動機的發(fā)展歷程，介紹從中華人民共和國成立以來不斷奉獻的一代代航空人，培養(yǎng)學(xué)生的愛國精神、奉獻精神等。在傳熱學(xué)專題中，讓學(xué)生主動去尋找資料，提出見解與看法，將學(xué)生主體性、自主能動性與教師主導(dǎo)性融為一體，發(fā)揮學(xué)習(xí)產(chǎn)出型教學(xué)和即時型教學(xué)評價的優(yōu)勢，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)動力。在傳熱學(xué)實驗中，嚴(yán)格要求學(xué)生實驗操作的規(guī)范性，告訴他們應(yīng)當(dāng)用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待學(xué)術(shù)科研之路；通過整理記錄實驗數(shù)據(jù)，向?qū)W生強調(diào)學(xué)術(shù)誠信的重要性。

對傳熱學(xué)課程思政，要結(jié)合課程特點，通過言傳和身教切實實現(xiàn)隱性育人，為立德樹人貢獻力量。

五、改革課程考核方式

以往傳熱學(xué)的課程考核方式為：30%的平時成績與70%的期末筆試成績相結(jié)合。改革后的考核標(biāo)準(zhǔn)保持不變，但考核的具體內(nèi)容發(fā)生變化。改革前的平時成績主要包括課本作業(yè)+出勤，而改革后除繼續(xù)保留這兩項外，還增加了課堂討論成績和以航空傳熱學(xué)為主題的大作業(yè)成績，并且占平時成績的比重較大，從而使平時成績能更好地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和積極性，更加公平合理。改革前的期末試卷僅以課本的理論知識為考核范圍，改革之后加入了一些有關(guān)航空類的簡答分析題，更能檢測學(xué)生對有關(guān)知識學(xué)習(xí)理解的效果。

結(jié)語

作為高校授課教師，要充分利用好課堂教學(xué)，結(jié)合課程和專業(yè)特點，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及對本專業(yè)的熱情，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)新性，立足專業(yè)課堂培養(yǎng)多方位綜合性人才。