科研促教學—傳熱學課程教學優化探究

賈明正　孫悅　馬雪芹

摘 要：傳熱學主要研究熱量傳遞的規律，所涉及到的知識在能源、汽車、化工等領域有著廣泛的應用。為了更好的優化教學效果，本文主要從科研融入教學、學生參與科研兩個方面來優化教學，為傳熱學課程教學改革提供參考。

關鍵詞：傳熱學 教學 科研 優化

高校教師的主要工作是教學和科研，雖然對于高校教師來說，教學和科研工作都有自己的規律和側重點。但實際上，教學與科研必須緊密結合，形成互動，才能更好的促進其共同發展。一方面，教學為科研明確方向，成為科研成果交流討論的平臺；另一方面，科學研究可以促進教學。如果沒有扎實的科研基礎和深厚的科研背景，沒有長期科研工作積累的經驗和成果，教學質量就無法保證。因此，教學與科研相輔相成，相互影響，密不可分，相互促進。

傳熱學是能源與動力工程專業的一門專業基礎課，所涉及到的知識在許多工程技術領域有著廣泛的應用。主要研究內容是由溫差引起的熱量傳遞的規律[1]，在教學過程中需要對經典理論、公式推導和例題進行講解。本文結合傳熱學的教學經驗，探索科研促教學的具體途徑，通過對課程的進一步優化，提高傳熱學課程的教學效果。

1 科研對于傳熱學教學的重要性

知識的更新可以促進能源與動力工程專業的發展，傳熱學作為能源與動力工程專業的一門專業基礎課程，學生是否能掌握該門課程的知識點，是后續專業課程的能否學好，畢業設計能否做好的關鍵，同時也為畢業后進入發動機、換熱器、制冷等行業打下一定的理論基礎，這就要求授課教師既要認真研究課本中的內容，又要持續通過科研創新追蹤課程前沿，持續更新自己的專業知識，將科研創新與課程結合起來，將科研成果融入教學，這樣做可以對教學效果起到良好的促進作用。

2 將科研成果融入課堂教學，增強學生學習積極性

傳熱學所學內容是換熱器、發動機、動力電池冷卻系統、保溫隔熱等研究的基礎知識。因此，在傳熱學授課過程中，可以通過增加所講知識對應的最新研究內容，來對教學內容進行優化，下面通過幾個實例來闡述。

熱輻射是傳熱學的重要內容，所講內容主要包括熱輻射定律、熱輻射特性及計算等。基爾霍夫定律、蘭貝特定律等都是黑體熱輻射的重要定律，蔣曉熙[2]等通過應用基爾霍夫定律、蘭貝特定律等定律探究了房屋結構、材料發射率對地暖的影響，那么在對黑體輻射相關定律進行講解過程中，就可以把上述研究融入進去，讓學生知道所學內容在科學研究中的應用。遮熱板是用于削弱輻射傳熱的薄板，為了更好的講解其原理和應用，在教學過程中可以把最新的科研成果融入其中。例如，王其良[3]等提出一種內置遮熱板的新型高溫集熱管，并且對比分析了有無遮熱板的兩種真空集熱管的性能，發現在給定工況條件下，有遮熱板的集熱管在集熱溫度高于285℃時輻射熱損小。把王其良的研究內容融入到教學過程中，這樣可以使學生更好的理解遮熱板在輻射傳熱中的作用。

在對傳熱過程進行分析的教學過程中，可以把墻體保溫研究成果融入其中，比如，劉超杰[4]等采用數值模擬方法分析了導熱、對流傳熱和輻射傳熱對空心磚溫度分布和熱流量的形象。分析表明導熱和輻射傳熱對空心磚總傳熱量影響較大，而對流傳熱影響較小。張勇[5]等通過實驗研究對比分析了生產型建筑腔體表皮系統（PASS）和幾種常用建筑材料的保溫性能，實驗平臺如圖1所示。實驗研究表明，PASS的整體保溫性能要好于中空玻璃雙層窗和未鋪設保溫材料的其他幾種建筑材料。生產型單元在冬季正常使用工況下，保溫性能更加穩定，和保溫空心砌磚的保溫性能比較接近，內墻面界面的穩定熱通量為18.03W/m2。通過把上述研究內容融入傳熱過程的教學中，可以讓學生更好復習三種基本傳熱方式，更好的理解傳熱系數、熱通量等概念和這些概念在實際科研、工程領域的作用，此外通過實驗研究過程的講解可以讓學生了解應該如何進行實驗研究。

換熱器是能源、汽車、制冷等行業的重要換熱設備[6]，也是傳熱學學習中學生要掌握的重要知識，為了更好的讓學生掌握換熱器的原理、計算、發展情況，把換熱器的最新研究成果融入教學過程中就顯得非常必要。比如，甘劉意[7]等提出了一種新型高效縮放板螺旋板式換熱器，其流道結構如圖2所示，利用Fluent軟件分析了雷諾數對該換熱器傳熱影響因子、阻力影響因子等參數的影響，并且發現該換熱器相比于普通的螺旋板式換熱器綜合性能更優。莫遜[8]等研究分析了三維隱形翅片管的傳熱性能和流動性能，發現換熱器的總傳熱系數和阻力都是評價換熱器性能的重要指標。與其它強化管式換熱器進行對比分析中發現前者管側和殼側的綜合性能因子更優。為了更好的讓學生理解雷諾數、傳熱因子、阻力因子、總傳熱系數等參數的意義以及知道這些參數在解決實際問題中的作用，并且了解換熱器的優化方法及優化方向，就可以把上述研究內容融入換熱器的教學，增加學生的理解能力。

通過上述實例可以發現，傳熱學教學過程中結合保溫隔熱[9]、強化傳熱[10-12]、輻射換熱[13]等科學研究中的實際問題，既可以加深學生對傳熱學理論知識的理解，又可以增強學生利用傳熱學知識解決實際問題的能力。

在教學過程中，將換熱器、保溫、太陽能熱利用等最新的研究方法和成果融入傳熱學教學過程中，使學生在學習傳熱學基礎知識的同時也能了解到前沿知識，可以更好的激發學生的求知欲。但是根據不同知識點，選擇合適的科研內容及成果融入教學過程中，無疑是一項全新的挑戰，這就要求授課教師投入更多的時間和精力。備課時既要緊密結合教學大綱，又要查閱大量資料，做到講課內容緊跟前沿。通過補充傳熱學最新的科研知識，既保持教學內容的先進性，又增加了知識的實用性，讓學生知道所學內容具有現實意義，從而促進學生積極思考，主動參與教學過程，更好的體現學生的主題作用。

3 學生參與科研，培養學生科研能力

高校學生參與科研是課堂教學的延續，也是實踐教學的重要組成。為了提高能源與動力工程專業學生的綜合素養，在傳熱學教學過程中，授課教師可以根據自己所研究的內容，結合傳熱學相關知識點，設置一些適合學生研究的創新型課題，并通過設立獎勵制度，鼓勵學生積極參與其中，通過學生參與創新型科研來鞏固課堂教學，提高傳熱學整體教學效果。

無論是在工程還是在科研上，CFD仿真軟件對能源與動力工程專業人員來說都是非常重要的，通過CFD仿真軟件可以精確描述流體流動規律和熱量傳遞現象。因此，在傳熱學教學過程中可以把CFD仿真軟件融入其中，讓學生參與到與運用CFD仿真軟件進行仿真的科研實踐活動中。例如，在電動汽車開發中，動力電池性能的好壞直接影響著電動汽車整車的綜合性能和安全性。在影響動力電池性能的因素中，溫度起到至關重要的作用。為了保證動力電池在一定的溫度范圍內工作，并使各單體電池間溫度分布更加均勻，需要設計一套高效的熱管理系統。因此，新能源汽車動力電池的熱管理系統[14，15]就成為科研人員現在的研究熱點，熱管理系統的類型主要有風冷、液冷、制冷劑直接冷卻系統等，熱管理系統的優化可以通過CFD仿真軟件來實現。在傳熱學實踐教學過程中，可以以液冷熱管理系統中的一種液冷板[16]的優化為課題，結構如圖3所示。此液冷板的優化方向有流道數量的優化、流道結構的優化等，讓學生以小組的形式參與到運用CFD仿真軟件優化液冷板的課題中。

汽車空調冷凝器是汽車空調制冷系統重要部件之一，其作用為把從汽車空調壓縮機排出的高溫高壓的氣態制冷劑轉變為液態制冷劑，在這個過程中制冷劑通過冷凝器向環境散熱。現在使用比較多的是平行流式冷凝器，該冷凝器主要由鋁制扁管和百葉窗波紋翅片所構成，扁管與波紋翅片之間采用釬焊連接方式降低熱阻。結構示意圖如圖4所示。扁管、百葉窗、流道等都是平行流冷凝器的優化方向[17，18]，因此在實踐教學中可以以汽車平行流冷凝器扁管、百葉窗、流道結構等的優化為課題，讓學生以小組的形式運用CFD仿真軟件對平行流冷凝器的一個優化點進行優化。

在學生參與上述科研課題過程中，學生不僅可以掌握運用CFD仿真軟件進行換熱設備優化的方法，而且可以強化對所涉及到的傳熱知識的理解。使用CFD仿真軟件對動力電池液冷系統液冷板和換熱器等進行建模、仿真、分析，可以使學生更直觀的看到液冷板、換熱器等設備中工質溫度、速度等參數的變化，有助于學生更好的理解研究對象的傳熱過程，掌握傳熱原理，激發學生的學習興趣，促進其綜合能力提高。

綜上所述，通過鼓勵學生參加與傳熱學有關的科研課題，不但有助于學生復習鞏固所學知識和掌握相關科研方法，還有助于調動學生的科研創新興趣，提高理論知識和實際結合運用的能力，從而增強學生的整體素質，促進傳熱學教學效果。

4 總結

科研促教學，將科研融入傳熱學課程教學，鼓勵、支持學生積極參與科研，是培養能源與動力工程專業學生創新能力、實踐能力和科研能力最直接、最重要、最有效的舉措，也是科研促進教學的重要途徑。科研內容與傳熱學課程教學有機結合，更好的體現學生的主體地位，發揮教師的主導作用，對傳熱學教學起到良好的促進作用。

基金資助：黃河交通學院2022年度教科研項目（Hhjt-2022073）；傳熱學一流課程項目（HHJTXY-2021ylkc24）。

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