驅動式小組研討的傳熱學理論提升教學方法探討

白曉輝 劉存良 孟憲龍

西北工業大學動力與能源學院 陜西西安 710129

一、概述

傳熱學是能源動力類、建筑環境類本科生的專業必修課程，是一門研究熱力工程中熱量傳遞規律的學科。掌握傳熱學基本理論和熱分析的思維，對于學生在今后的工作中有效利用熱能、解決工程中的熱問題、培養創新思維都具有重要的作用[1]。因此，本科傳熱學課程需要學生深入學習和掌握傳熱學理論知識，同時，對于傳熱學課程的教學也提出了更高的要求。

目前，傳熱學課程的授課具有課程時間少、理論與實踐脫節的問題，而這會導致學生對傳熱學理論認識不深刻、應用不熟練，特別是看到傳熱學理論公式的推導復雜就會產生畏難情緒，從而對傳熱學課程逐漸失去興趣。為此，探索傳熱學有效的授課方式、教學模式、教學改革方法成為授課教師思考的問題。華北電力大學的劉彥豐等[2]提出了傳統的傳熱學教學中存在的問題，即：

(1)教學目標過于重知識的傳授，而忽視了學生能力的培養，即教學過程缺乏以學生為中心的思路；

(2)教學內容過于理論化，不利于學生對理論的掌握和與工程實際的結合；

(3)教學方法多以教師講授為主，而這種模式大多都是學生被動地接收知識，沒有發揮學生學習知識的主動性。

為此，他對課程的教學目標、教學內容和教學方法進行了調整和整合，以實際工程問題和項目為線索，提高學生的相關專業技能和綜合能力。高正陽等[3]認為傳熱學課程的教學有必要融入思政內容，引導學生的三觀、學習和生活態度、處世之道等，提供了課程思政內容案例，總結提出了課程思政模式。李文強等[4]針對線下課堂授課模式單一和理論與實驗脫節的問題，提出了通過新媒體技術將前沿科學實驗引入線下理論課堂的教學改革方式，取得了較好的效果。張賀磊等[5]提出了案例式教學在傳熱學課程教學中應用的教學方法，結合傳熱學課程內容及授課經驗，對傳熱學常用的教學案例進行了總結。以上教學方法和模式對于傳熱學課程的教學改革和教學新模式的探索都具有重要的借鑒意義。

隨著網絡平臺和數字傳媒的飛速發展，學生獲取知識的途徑多樣化，國內外名校公開課、慕課、網絡公開課等優質教育資源為授課方式的新型化和多元化提供了無限可能。翻轉課堂、線上線下結合課堂、KAPI課程體現等新型教學模式和方法也應運而生，這對學生知識的獲取和能力的提高提供了極大的便利。然而，針對傳熱學這種理論豐富、實踐經驗的課程來說，需要對理論知識進行深入的理解和掌握。因此，本文提出了“知識點驅動式”“問題驅動式”和“調研驅動式”小組研討的傳熱學教學方法，以學生為中心的教學理念，并討論了課程思政內容的設計和思政元素的融入。

二、教學案例介紹

(一)知識點驅動式的小組研討教學方法

在講述傳熱學的第一章“緒論”時，不可避免要提到傳熱學的發展和研究目標。傳熱學是研究由溫差引起的熱量傳遞規律的學科。熱量傳遞規律具體指以下方面：

(1)熱量傳遞速率方程。傳熱學研究的熱量是單位時間的熱量傳遞，而熱量傳遞的快慢就必須要用熱量傳遞速率方程來描述；

(2)溫度分布。想要獲得溫度分布，首先就要建立傳熱的微分方程，再結合熱邊界條件進行求解，便可以獲得某一區域或截面的溫度分布。

以上知識點的講述還要通過結合生活中的實際問題，比如，一個人可以定性地分析在所處的環境中感覺的冷暖，而且也可以本能地采取措施進行保暖或者散熱。但定量的分析在不同的環境下以及采取不同的保溫或散熱措施會如何改變熱量傳遞速率和大小？在這樣的環境下熱量究竟是怎么傳遞的呢？溫度分布的不同與熱量傳遞速率有何關系？如此以拓寬知識點而引起學生求知興趣的教學方法會激發學生去分析解決問題的欲望。這種情況下可以通過分組討論，探討熱量傳遞速率方程、傳熱微分方程以及溫度分布都是什么、如何獲得，而此時再講解導熱、對流、輻射的熱量傳遞速率方程、推導傳熱微分方程便會起到事半功倍的效果，并加深學生對基本方程的理解。

(二)問題驅動式的小組研討式教學方法

在講到傳熱學第二章“穩態熱傳導”時，首先要介紹傅里葉導熱定律，推導導熱微分方程，隨后就要介紹三類熱邊界條件。傳統的教學中一般都會解釋這三類熱邊界條件的定義和區別，而學生一般也會知道在不同的算例中給出的是第幾類邊界條件，第三類邊界條件給的是壁面側的流體溫度和對流換熱系數。但針對不同的對流換熱系數下，壁面側流體與壁面的換熱過程及其換熱強弱的問題思考得不夠深入。這是因為缺乏相應的案例和問題的引導。本文提出問題驅動式的教學方法，即先提出看似簡單但有深度并能激發學生興趣的問題，通過小組研討的形式引導學生進行深入思考并嘗試尋找答案，而在對答案有了一知半解但不確定的時候，再進行理論的講解。例如，大家都知道第三類邊界條件給出的是壁面側流體的溫度和對流換熱系數，那么對于具有相同厚度的銅墻和磚墻，在流體溫度和對流換熱系數相同時，兩個墻壁的表面溫度是否相同？大家都能想到在寒冷的冬天用手觸摸金屬表面會感覺到更冷，那么這是因為兩種材料的壁面溫度不同，還是我們的感官出現了偏差？當然，學生也會根據之前學過的傅里葉導熱系數、導熱機理、導熱系數定義等方面的內容，定性地判斷由于材料的不同，即使在相同的環境條件下其表面溫度也會不同。在此問題的驅動下，學生會嘗試從導熱微分方程和熱邊界條件的角度出發去尋找答案。同時，課程的內容也可以按照此進度開展，即給學生講解導熱微分方程的推導和定解條件的含義。經過探討，學生有可能會發現第三類邊界條件中其實還包含另外一個邊界條件，就是固體壁面的導熱系數和溫度梯度，或者最后由教師揭開謎底，強調學習理論一定要注意它的完整性。最后，進一步講解固體壁面導熱系數和溫度梯度對壁面換熱效果的影響。

(三)調研驅動式的小組研討式教學方法

除了課堂理論講解之外，組織學生開展文獻調研也是加強掌握理論知識的重要手段。在作者講授的另一門課“多孔介質傳熱傳質”中，在講到不同材料的導熱特性及其多孔介質的應用時，提前讓各小組的學生做了文獻調研。從每個組提交的調研報告中可以體現出學生感興趣的領域和方向不同，而正是這種差異拓展了學生的知識面，促進了學生之間的交流。有學生在上臺講述調研的收獲和問題時，講解了空調的制冷原理和沸騰換熱，提出多孔介質可以通過提高汽化核心的數量和氣泡脫離的頻率來提高空調中的沸騰換熱。接下來由坐在下面的學生進行提問，而好幾名學生感興趣的是這里面的氣泡是如何產生的。有人又聯想到了燒開水的過程中會產生氣泡，這時便出現了幾個傳熱學問題：

(1)水壺中的氣泡是如何產生的？

(2)水壺中的水是如何被燒開的？

(3)水壺中的水的熱量傳遞過程如何？

這就可以引入自然對流的知識，即由溫度差產生了密度差，不同溫度的水分子在浮力作用下不斷循環，自然對流的換熱系數的定義等。調研驅動式的小組研討式教學方法可以更有效地帶動學生的興趣，發散學生的思維，而對教師靈活應變能力的要求也較高。因此，采用此方法時需要做大量的準備工作，基于課堂的教學目標，提前了解學生的調研情況，穩步實施教學計劃。

三、課程思政內容與設計

“立德樹人”是教育的根本任務，而傳熱學作為本科生必須學習的課程，最容易做到思政元素的有效融入。本課程在授課過程中圍繞家國情懷、三觀、學習生活態度等方面進行了課程思政元素的融入和思政教育。在緒論部分，通過講述燃煤電站、核電站、航空航天等領域中的傳熱問題，讓學生了解到我國科技發展、國家安全、能源危機等方面的發展現狀，培養學生的遠大理想和人生目標。在講到傳熱學一般定律時，如傅里葉導熱定律、牛頓冷卻定律，會講述這些定律的發展過程以及做出貢獻的科學家，讓學生知道在某一個領域有成就是需要長時間的積累并持之以恒付出努力的。對于不同材料的兩個墻體，即使外部環境中流體的溫度和對流換熱系數是相同的，墻體壁面溫度也不同。主要是因為不同的材質，導致溫度梯度不同。與此類似，每個人的性格不同，內在條件不同，人生目標也不同，因此，即使在相同的外部環境下也會有不同的人生軌跡，取得不同的成就。以此激勵學生培養自己的內在修養，設定自己的人生目標，實現自我人生價值。

四、課堂知識外延、科研反哺

本課程基于傳熱學理論探討多孔介質在航空航天、電動汽車、陶瓷霧化芯等多領域的應用，以及在新材料、新能源等多學科的前沿科技，很容易將本課程的內容拓展延伸。學院經常會邀請行業內的專家學者做報告，介紹目前航空發動機的研究進展、我國商用飛機和大推力渦扇發動機的自主研發歷程。例如，學生熟知的是我國國產大飛機的獨立研發和國產化取得了很大的成就，但是很少清楚CJ-2000大推力發動機的研發過程中經歷了多少艱難，發動機中涉及了多少個零部件，每一種零部件從設計到制造都經歷了一段怎樣艱辛的過程，其中包括材料、加工工藝和精度、熱力計算等方面的要求。這樣很容易將其中遇到的一些關鍵科學問題和面臨的難題作為部分內容放入教學課件，既可以作為課堂知識的外延，讓學生對本學科和本課程有更深入的認識，又可以作為課程思政元素激勵學生設定遠大的目標。同時，隨著世界科技的發展，目前我國對專利成果的保護越來越重視，在自主研發國產航空發動機、商用發動機時也特別注重專利成果的申請和保護。這些內容對于提升學生的知識產權保護意識是非常有必要的。另外，本課程與筆者的研究方向聯系密切。通過在課堂上介紹課題組的研究方向和最新進展，包括多孔介質流動換熱、渦輪葉片氣膜冷卻、發動機燃燒室隔熱屏冷卻等，啟發學生了解科學研究的意義和基本方法，有利于學生對科學研究、科研進展有初步的了解，也便于學生盡早做好人生規劃。

結語

本文提出了“知識點驅動式”“問題驅動式”和“調研驅動式”小組研討的傳熱學教學方法，詳細介紹了三種教學方法的問題和實施方法。通過引起學生的興趣，從而讓學生提起主動了解背后理論的興趣，加入解決問題、發現答案的過程中。這種方法對于學生深入理解和掌握傳熱學理論、激發學生的課堂熱情和創新思維起到了非常好的效果。同時，本文還介紹了本課程中的課程思政設計和思政元素融入方法，為本課程的教學改革和質量提升提供了思路。