傳熱學反問題課程體系本研貫通式一體化建設

摘"要：本研貫通式一體化建設對于增強本研課程的有效銜接，促進學生的系統與長程培養具有重要作用。該文以哈爾濱工業大學能源動力類專業傳熱學反問題課程體系為研究對象，介紹其本研貫通式一體化建設的主要成果。從課程內容、實驗平臺、教材體系和教學團隊建設等多個方面分析傳熱學反問題課程體系的建設成效。分析發現，傳熱學反問題課程體系的本研貫通式一體化建設有利于授課教師厘清本科生與研究生課程之間的側重點，進一步增強本研課程的有效銜接，提高學生知識、能力、實踐和創新的系統訓練和長程培養成效。

關鍵詞：本研一體化；傳熱學反問題；傳熱學；虛擬仿真實驗；新工科

中圖分類號：G640"""文獻標志碼：A"""""文章編號：2096-000X（2025）02-0044-04

Abstract：Theintegrationofundergraduateandpostgraduateisbeneficialfortheeffectivearticulationofundergraduateandpostgraduatecourses.Besides，itplaysanimportantroleinpromotingstudents'systematicandlong-termtraining.InthispaperwefocusonthecoursesystemofInverseHeatTransferProblemsinenergyandpowermajorinHarbinInstituteofTechnology.Themainachievementoftheintegrationofundergraduateandpostgraduatesystemisintroducedfromtheaspectsofcoursecontent，experimentalplatform，teachingmaterialsystem，andteachingteam.Itwasfoundthattheintegrationconstructionofthe"coursesystemofInverseHeatTransferProblemsishelpfulforteacherstoclarifytheemphasisbetweenundergraduateandpostgraduatecourses.Inthemeantime，itishelpfultofurtherenhancetheeffectiveconnectionbetweentheundergraduateandpostgraduatecourses.Mostimportantly，itcouldimprovestudents'knowledge，ability，practice，innovationsystemtraining，andlong-termtrainingeffectiveness.

Keywords：integrationofundergraduateandpostgraduatecourses;InverseHeatTransferProblems;HeatTransfer;virtualsimulationexperiment;emergingengineeringeducation

為應對新一輪的科技革命與產業變革，2017年以來，教育部開始持續積極推進新工科建設相關的研究與實踐。新工科建設提高了高校在培養實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才方面的要求[1]。在此背景下，對現有課程體系的改革勢在必行。

傳熱學是研究熱量傳遞的科學，在包括航空航天、電工電子、建筑和生物醫學等多學科及領域內都有著廣泛的應用[2-3]。因此，傳熱學及其相關課程體系的進一步改革對于上述領域高素質人才的培養至關重要。哈爾濱工業大學傳熱學課程被評為國家精品課程（2008年）、國家級“精品資源共享課”（2013年）及哈爾濱工業大學SPOC在線課程（2015年）。然而，該課程教學內容大多只圍繞熱量傳遞的基本理論、基本定律及基本計算方法開展，忽略了傳熱問題中重要的一項與工程實際中常見的測量問題相關的基本內容：傳熱學反問題。

傳熱學反問題是指利用系統中可測量的部分熱信息（溫度、熱流等），對系統內部特征、物性或邊界條件等無法直接測量的信息進行反演的問題[4]。也就是說，與傳熱學正問題相對應，傳熱學反問題是通過測量易獲得的部分信息，推測系統不易或無法直接測量信息的一種方法。例如通過測量材料表面的溫度獲得材料的導熱系數、比熱容等物性[5]；通過測量穿過樣品表面的輻射信號獲得樣品內部顆粒系統的粒徑分布及光學性質[6]；通過測量材料表面的溫度變化判斷材料內部是否有缺陷[7]等問題。可以看出，傳熱學反問題存在于工程應用的方方面面。傳熱學反問題相關課程作為傳熱學的重要補充對于完善傳熱學教學體系具有重要意義。

傳熱學及相關課程在能源動力類專業學生的培養過程中占據著重要的地位。因此，為進一步提升其教學效果，近年來，各大專院校針對其開展了一系列相關的改革與創新。目前，相關嘗試主要從教材建設[8]、考核模式[9]、教學模式[10]及實驗教學[11]等方面展開。其中，西安交通大學充分利用其傳熱學課程在國內的領先地位，嘗試采用MOOC大規模開放在線課程的模式，擴大該課程的受眾面，使更多的學生受益于更優良的教學資源，并取得了良好的效果[10]。重慶大學采用關聯式教學方法對能源動力類的專業核心課程進行了改革[12]。主要在考慮各課程內容與知識點的基礎上，建立各課程之間的關聯教學模式。然而，傳熱學反問題課程體系的相關研究與嘗試尚未見報道。

除此之外，本研貫通培養模式近年來受到了越來越多的關注，其優勢在于綜合考慮了本碩博三個階段的教育，有利于人才的持續、深入培養。因此，近年來逐漸成為高校培養拔尖創新型人才改革的重要方向與途徑[13]。對于教學體系來說，本研貫通意味著將本科生與研究生的相關課程有機結合，整合課程資源，形成本科階段與研究生階段課程內容的有效銜接的貫通式一體化培養模式[14]。推進本研貫通培養模式有利于授課教師厘清本科生與研究生課程之間的側重點，進一步增強本研課程的有效銜接，促進學生知識、能力、實踐和創新的系統訓練和長程培養，具有重要的教學意義[15]。

基于以上背景，本文介紹了哈爾濱工業大學能源科學與工程學院傳熱學反問題課程體系的本研貫通式一體化建設情況。主要從課程基本信息、實驗教學平臺、教材體系、教學方法和教學團隊建設等方面具體展開。

一"傳熱學反問題課程體系

（一）"課程基本信息

傳統傳熱學教學體系中，通常只開設面向本科生的傳熱學與面向研究生的高等傳熱學與數值傳熱學。然而，作為傳熱領域的重要基礎理論與工程應用方向，傳熱反問題相關的課程卻較少開設。因此，為進一步完善傳熱學的本研課程體系，經過多年的發展，逐漸開設了以傳熱學為基礎的，包括熱傳導反問題及其工程應用（本科生課程）以及傳熱與輻射換熱反演基礎（研究生課程）的傳熱反問題課程群，見表1。其中，考慮到熱傳導反問題相對簡單、直觀，因此在本科生階段開設。而輻射反問題難度相對較大，因此在研究生階段開設，從而實現傳熱學反問題由簡到難的本研教學體系。除此之外，有效區分了本研階段的教學內容與教學要點。

表1中三門課程的主要內容及相互之間的相關性如圖1所示。傳熱學作為能源動力類學生的專業基礎課程，主要要求學生掌握熱能傳遞的基本理論，并能對簡單的工程問題進行計算。主要采用課堂講解與實驗相結合的方式。值得一提的是，除了常規的實驗室實驗，本課程也建立了虛擬仿真實驗平臺，使學生對于傳熱學理論的應用有更形象、清晰的認識。在學習傳熱學課程的基礎上，學生在大三或大四可選修熱傳導反問題及其工程應用。該課程以工程中常見的與熱相關的測量問題為背景，并考慮本科生的理論基礎，從較為簡單的熱傳導反問題出發，向學生介紹物性、邊界條件、幾何結構以及接觸熱阻等因素的測量與優化問題。除此之外，該課程將介紹梯度算法與智能優化算法兩類反問題中必須用到的算法。這部分內容將貫穿本科生的熱傳導反問題及其工程應用課程，以及研究生的傳熱與輻射換熱反演基礎課程，為本課程體系本研一體化的實施提供支持。研究生課程將在此部分內容的基礎上，進一步展開，增加廣度與深度。與此同時，在反問題方面，增加難度相對較大的輻射反問題以及輻射導熱耦合反問題。通過本科生與研究生階段的學習，使學生對各類傳熱反問題有一個更加清晰與全面的認識，并可以通過自己編程序的方式解決簡單的工程中的傳熱學反問題。

（二）"課程基本信息

傳熱學反問題相關課程大多是基礎課程，因此公式、算法及推導過程較多，導致課程相對抽象、復雜，難以理解。因此，為幫助學生更加深入地理解相關知識點，并對其有一個更為直觀的認識，合理的實驗教學必不可少。

哈爾濱工業大學能源動力實驗教學中心經過多年的發展，已建立了能源動力大類專業的實驗教學體系。側重學生科研能力、創新實踐能力的培養，引入專業和學科的最新發展成果和學術前沿問題。多層次實驗教學環節有效協同，強化學生實驗技能和創新實踐能力的培養，為本研貫通式課程體系的建設提供了強有力的支撐[16]。對于傳熱學課程，目前針對傳熱學課程開設三個實驗，分別對應熱傳導、熱對流及熱輻射三種傳熱方式。分別是準穩態法測不良導體的導熱系數和比熱、氣體橫掠單管表面對流換熱實驗以及材料表面光譜發射率測量。除此之外，實驗教學中心還可完成傳熱學虛擬仿真實驗相關教學內容。目前，虛擬仿真實驗平臺目前可開展空心磚穩態導熱問題及電子芯片散熱問題的相關實驗。可直觀地向學生展示空心磚物性與結構尺寸以及電子芯片有無肋片與肋片尺寸對溫度分布的影響情況。虛擬仿真實驗一方面可以更加直觀地向學生展示傳熱現象的物理過程，另一方面也有助于學生進一步理解物理現象背后的深層機理。

（三）"教材體系

完善教材體系的建設對于課程的教學效果至關重要。傳熱學課程作為航空航天、能源動力、材料冶金和建筑工程等傳統工程學科的重要基礎課程，在教材建設方面已相對完善。其中，由楊世銘與陶文銓編著，高等教育出版社出版的《傳熱學》（目前出版至第五版，由陶文銓編著[17]）被包括哈爾濱工業大學在內的多所高校選定為傳熱學課程的教材。該教材第五版為“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材，是在第四版基礎上修訂而來的。該教材第四版是面向21世紀課程教材、普通高等教育“十一五”國家級規劃教材及首屆國家級精品課程主講教材。然而，由于目前國內高校傳熱學反問題相關課程開設較少，因此沒有對應的較為權威的教材。因此，本傳熱學反問題教學團隊根據多年相關的教學與科研經驗，針對本科生熱傳導反問題及其工程應用課程，采用密歇根州立大學J.V.Beck等編寫的《InverseHeatConduction》[18]作為課程教材，該書于2023年已出版第二版[19]。針對研究生課程傳熱與輻射換熱反演基礎，本教學團隊以多年的研究成果作為部分課程內容，采用團隊成員編著的《輻射傳輸逆問題的智能優化理論與應用》[20]作為主要參考教材。該教材已進入“十二五”國家重點圖書出版規劃項目以及黑龍江省精品圖書出版工程。

（四）"教學方法

在教學方法方面，教學團隊改變傳統的教師單向灌輸，以啟發式、探究式、討論式和參與式教學方法引領學生思辨與學術表達，培養學生的科學研究興趣。總體上，基于框架式教學策略，通過課堂講授為學生提供必要的知識框架。在此基礎上，將翻轉課堂教學模式也引入了傳熱學反問題課程體系的教學中。翻轉課堂通過將教師與學生的角色互換，將學生從知識的被動接受者轉變為自主學習者，需要主動構建知識體系[21]，從而大大提高學生學習的興趣，而教師則在此過程中提供指導以提高學生自主學習的能力。相關嘗試近年來也取得了良好的效果。本課程體系通過設置專題研究，引導學生根據知識指引開展自主學習、協作學習和探究學習。在此基礎上，通過翻轉課堂的形式，引發學生自主探索與自主學習，增加學生的學習興趣，同時為學生研究生期間的科研工作奠定一定的基礎。

（五）"教學團隊建設

教學團隊的組建要與課程體系的教學內容相契合，與此同時也要注意梯隊的培養。本教學團隊包含從事傳熱學教學與科研多年、經驗豐富的“老教師”，也包含經驗相對欠缺的青年教師。在組建教學團隊時，將二者結合，一方面有利于青年教師從老教師處學習教學經驗，從而快速成長，有利于團隊的可持續發展；另一方面青年教師由于活躍在科研一線，有利于其將相關領域最新的研究動態和研究成果與課程內容有機結合，從而提高學生對相關課程應用背景和前景的深入理解，增加學生對相關課程的興趣。

二"結束語

本文針對哈爾濱工業大學能源科學與工程學院本研貫通式一體化傳熱學反問題課程體系建設進行了介紹。通過對傳熱學反問題課程體系的多個層面進行深入分析，涵蓋了課程設計、實驗平臺的搭建、教材內容的編排以及教學團隊的建設等方面，全面評估了該體系的實施效果。研究表明，該一體化課程體系在幫助教師調整課程重點、提升學生知識深度、能力和創新思維等方面發揮了積極作用。學生在更短時間內打下堅實的學術基礎，具備較強的實踐能力和創新問題解決能力，為未來科研或工程實踐做好準備。今后的工作將主要圍繞進一步完善各個教學環節，并根據相關研究領域的進展適當調整授課內容。在此基礎上，開設其他相關課程，如生物傳熱學等，進一步豐富課程體系的內容。除此之外，完善教材體系建設，在現有教材基礎上自主編寫與本課程體系教學內容更適合的教材。

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基金項目：黑龍江省高等教育教學改革項目“雙碳背景下新能源科學與工程專業培養模式探索與實踐”（SJGY20210268）

第一作者簡介：任亞濤（1990-），男，漢族，河北任丘人，博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為微納尺度傳熱及光與顆粒相互作用。

*通信作者：齊宏（1980-），男，漢族，黑龍江鐵力人，博士，教授，能源科學與工程學院副院長，博士研究生導師。研究方向為光熱輻射傳輸與轉換及其應用。