基于培養目標的傳熱學課程建設探索

劉金枝

（中國民航大學安全科學與工程學院 天津 300300）

人才是第一資源，為發展注入創新動力，是推動時代發展和進步的引擎，人才培養的終極目標應是為國家所用。面對當前復雜的國際形勢，國與國之間的競爭越來越激烈，綜合國力的競爭就是經濟發展的競爭，教育要為經濟社會的發展貢獻新鮮的血液和力量。高等教育的發展方向要與國家戰略、區域經濟社會發展需求充分對接，突出學校特色、提升教育質量[1]。由此，高校人才培養要以國情為本，與各行業發展所需緊密相連，為突破各種卡脖子問題積蓄人才力量。因此，在學科課程建設中，課程內容應緊隨行業發展的趨勢甚至超越行業發展現狀，且培養發現問題解決問題的能力重于知識點的淺層次掌握。本文以中國民航大學飛行器適航專業為例，研究更貼合專業人才培養目標的傳熱學課程建設內容。

1 專業特色

中國民航大學是行業類院校，不同于綜合類院校培養人才向社會各行業輸送，中國民航大學輸送人才具有明確的方向性和鮮明的行業性，要符合民航業發展需求，為解決民航業發展中遇到的問題和挑戰提供力量。飛行器適航一直是我國民航業亟須解決的一大難題，學校由此設置了飛行器適航專業，基于民航業發展趨勢，飛行器適航專業人才培養目標可總結為以下幾點：思想品德方面要求學生堅定政治立場不動搖，熱愛祖國航天事業，這需要在培養過程中將飛行器的發展歷程、困難問題和發展方向揉進日常課程的點滴學習中；業務能力方面要求學生具備運用所學知識審查飛行器是否適航的能力，這需要全面理解飛行器設計及使用中涉及的動力、控制、結構與材料等專業知識，在此基礎上應用力學、熱學、電學等知識對飛行器的設計過程和性能提出驗證方法，進行適航審查；職業發展方面要求培養學生的工程意識和工程實踐能力，這需要其能夠將所學理論聯系實際，研究飛行器中產生的熱量傳遞、受力情況和電氣連接等，選擇合理的方法計算飛行器適航中涉及的各等級安全問題；能力培養方面要求學生具有學習能力、信息獲取能力、創新意識和繼續深造發展的能力，不僅通過知識傳授為學生后續學習提供必需的知識儲備和扎實的理論基礎，還要通過課程學習使學生養成主動自學的習慣，使學生進一步拓展知識和能力，增強學生繼續深入研究的可能。

2 傳熱學課程教學現狀

傳熱學是本專業學生掌握熱學知識的專業必修課程之一，不同于工程熱力學重點研究能量之間的相互轉換，傳熱學是探索由溫度差異引起的熱量傳遞過程的科學[2]，從四季溫度變化到樓宇建筑中的暖通空調，從風霜雨雪的形成到自然界太陽能的利用，從飛行器發動機的冷卻到電子器件的冷卻，傳熱學的內容包羅萬象，被廣泛應用于各行各業。目前傳熱學課程教學中存在以下幾個問題：內容上知識點多，理論性強，需要較多運用微積分和流體力學方面的知識，一定程度上影響了學生的學習興趣和熱情[3]，且內容具有普遍性而缺乏專業方向的針對性，造成學生學以致用困難重重；教學模式上授課教師通過多媒體進行課件展示，主要為講授式教學，課堂教學中教師為主導，與學生互動少，課堂氣氛不活躍[4]；教學安排上學時較少，眾多知識點要全面覆蓋到就無法進行深入講解，學生吸收效果不好。

3 傳熱學課程建設探索

面對當前傳熱學課程教學中亟須跨越的幾座大山，基于航空業發展趨勢和飛行器適航專業人才培養目標，課程組開始探索“學以致用、自主學習”的傳熱學課程教學內容和教學形式。

3.1 案例項目的教學內容

考慮到飛行器適航專業學生繁重的專業課安排，傳熱學課時不易多做修改，結合學生的接受能力和課程作用，在課程建設時不追求構建“大而重”的全面知識體系，而是進行分級教學，保留核心知識脈絡和知識點，側重基礎概念的講解，讓學生吃透實質，扎根基礎核心部分，進而鍛煉學生逢山開路遇水搭橋的能力和魄力。

為使課程內容更貼近行業，增強學生對行業的認識和對未來從業的向往，課程組將關乎飛行器安全的熱學部分以案例項目的方式引入傳熱學課堂教學，案例項目選擇要符合前沿性，確保學生學有所得，得有所用。所選案例項目應包括飛行器適航驗證和審查中的必要分析對象，例如，案例項目中的航空發動機傳熱分析，航空發動機為傳統飛行器提供動力，是其不可或缺的必要組成部分，在工作時燃燒室處于高溫高壓狀態，整個航空發動機上非均勻分布的熱流，產生巨大的熱應力，成為發動機材料和結構的負擔，由此帶來一系列航空發動機發熱傳熱和冷卻問題。因此溫度不僅會影響航空發動機的能量效率，同時對發動機材料和設計提出了熱防護的要求，設計航空發動機冷卻系統以其熱學分析為基礎。不到位的熱防護會帶來輕則飛行器發生故障重則機毀人亡的嚴重后果。對航空發動機進行傳熱學知識點的關聯和深入探討，包括航空發動機中燃燒室的傳熱、冷卻技術在航空發動機中的應用和民航發動機空氣系統等知識，同時航空發動機是飛行器適航專業的專業必修課之一，其結構組成、工作原理和性能計算學生通過專業課的學習已經掌握，熟悉的對象環境減少了學生的接收難度。

所選案例項目還應包括飛行器適航驗證和審查中的未來發展對象，例如案例項目中電動飛機的動力電池組傳熱分析案例，面對全球石油能源危機，目前已有部分通航類機型采用動力電池組提供動力，飛行器全電化、動力電池組加電動機的組合方式取代傳統航空發動機必然會成為今后飛行器發展的方向。為飛行器提供動力的電池組是能量型動力電池組，高能量密度下的電池性能較活躍，每個電池單體在充放電的過程中都要產生大量的熱，而為獲得高電壓需要多個電池單體進行串聯，為獲得大容量又需要將串聯后的電池組進行并聯，這使得熱問題尤其突出，溫度過高或者過低都會影響電池組的能量效率和使用壽命，當電池組發生過充、撞擊、穿刺時伴隨而來的電池熱失控現象，會造成燃燒爆炸等危險發生，最終導致用電設備的燒毀，由此產生巨大的安全隱患和經濟損失。動力電池組是電動飛行器適航需要重點分析的對象，熱失控也是限制動力電池組普及替代傳統能源的重要因素之一。通過對電動飛行器動力電池組進行傳熱學知識點的關聯和深入探討，包括動力電池組中單體電池和模組間的傳熱方式、如何對動力電池進行熱管理和電動飛行器滅火系統等知識，為飛行器的未來發展提供技術支撐。

案例項目圍繞飛行器的多個重要組成部分選取而出，采用真實案例，其中大部分來源于教師的科研成果和工程經歷，這一學習過程使學生將傳熱學中的眾多理論知識融入真實的工程實例，掌握系統且全面的熱學分析方法，理解實際問題存在的非線性特點，一方面加深對傳熱學知識的深入理解和應用，另一方面案例即為學生學成后相關的從業內容，帶領學生認識到所學知識的前沿應用，樹立解決實際問題的意識。具體對于飛行器適航學生來說，通過航空發動機和電動飛行器動力電池組等多個熱學案例項目，使學生能夠系統性地運用傳熱學基礎理論、方法和專業知識支撐飛行器總體設計、系統安全性、適航管理相關問題的解決，為飛行器系統安全性設計和創建適航符合性驗證新途徑提供技術基礎和知識儲備，從而解決飛行器適航領域的實際問題。

3.2 學生參與的教學模式

常規的多媒體教學方式呈現給學生一個被動的知識接收方式，使學生產生審美疲勞難有新鮮感，遇到傳熱學這樣內容偏抽象的課程，造成學生無法以全神貫注的狀態完成課堂學習，大學課堂低頭族已成為普遍現象。想要改變這一現狀，需要創造學生主動參與的教學模式，提供給學生更全面的自主學習平臺，激發學生的學習熱情。在常規線下教學的基礎上，充分利用信息化和網絡優勢，開展智慧教學[5-6]，引入雨課堂和翻轉課堂。

雨課堂有能夠下載到手機的客戶端，實現了師生的智能連接，將黑板、課件和手機聯系起來帶來顛覆傳統的課程體驗，使學生擁有更專業豐富的自主學習環境，同時也提升了教師的教學效率，調動教學雙方的積極性，鍛煉了學生的自學能力、工程師思維和創新意識。具體可分為課前、課上、課后三個階段。課前，授課教師先在雨課堂創建課程，將學生名單導入系統，利用雨課堂發布課前預習資料，學生登錄雨課堂接收資料進行課前預習，匯總問題上傳，授課教師了解學生預習情況和問題所在，安排課堂授課重點；在課上，課堂教學中費時間的點名考勤環節、一問全低頭的提問環節可通過雨課堂設置簽到、隨機提問、當堂練習等各種有趣的互動手段替代，并在后臺實時記錄、分析課堂教學數據以便授課教師課后進行教學分析；課后，授課教師可發布當堂教學中疑難重點解析、視頻、習題測試等各種跟課堂教學進度緊密相關的資料，便于提升教學完成質量，學生自行登錄學習，并提交練習結果，授課教師可以準確掌握學生的學習進度和知識掌握程度從而完善下次課程的內容安排。

采用角色互換的翻轉課堂來重新定義課堂形式，授課教師走下講臺隱藏傳統教師角色，學生走上講臺進行課堂知識的講授，具體可分為課上和課后兩個階段，課上由學生分享講授課程知識點，由于學生提前做足了功課已經掌握了知識點，因此課堂時間更多的是通過案例項目將知識進行深層次的應用，增強了課堂時間的利用效率，在每堂課程結束前，授課教師布置下堂課需要學生分享講授的新知識點；在課后，學生要實現新知識點的順利分享講授，需要迫使自己進行自主學習，利用一切可以學習的手段進行高效的知識獲取，去學習網站觀看學習視頻、去圖書館查閱相關書籍，還能在網絡上與相關學者從業者進行討論，在這一過程中學生秉持明確的學習目標，梳理有用的信息為己用，在獲得知識的同時還培養了自身的自學能力、獲取有用信息的能力、嚴謹和高效的學習方法。授課教師則更多的從旁協助學生進行知識的獲取和應用。

雨課堂進一步加強了教師對學生的管理，而翻轉課堂深度挖掘學生的學習潛力，同時和案例項目的教學內容相吻合，實現教學內容和教學模式的相輔相成。通過本門課程的建設探索，使學生在知識層面理解傳熱學基本理論和飛行器傳熱表達方式，掌握飛行器傳熱的機理實質，理解諸如航空發動機空氣系統的功能和分析計算方法、飛行器動力電池組的熱失效，理解系統的完整性和適航性要求；在能力層面培養了學生的自主學習能力，為學生畢業后從事飛行器適航驗證工作、技術管理工作和設計研究工作奠定專業基礎。

4 后續改進計劃和方案

實踐出真知，以上課程探索圍繞專業人才培養目標展開，在執行過程中總會出現各種問題，學生和授課教師的差異性會導致相同的方案不同的結果，因此本門傳熱學的課程建設還有很多需要改進完善的地方，后續需要收集學生和授課教師的反饋、學生最終的課程知識掌握程度、授課教師教學過程中的課程完成進度等多維度因素進行對比分析，進一步完善傳熱學課程建設。