新工科背景下“傳熱學”實驗教學改革探索與實踐

摘"要：“傳熱學”是國內外能源動力、機械、化工、航空航天等多個工程類專業的核心技術基礎課之一，課程具有典型的“難教、難學、難考”特點。傳統的傳熱學實驗單一授課方式已不能有效滿足新工科人才能力培養，為提高實驗教學效果，在“傳熱學”實驗教學方法上做了三方面的嘗試：一是轉變教學方式；二是引入數值模擬實驗；三是豐富實驗教學課件內容。新的教學方法提高了學生自主學習性、拓寬了學生的學習途徑、激發了學生的學習興趣，教學效果顯著。

關鍵詞：傳熱學；實驗教學；教學方法

中圖分類號：G642.0""文獻標識碼：A

傳熱學是研究由溫差引起的熱能傳遞規律的科學。凡是有溫差的地方，熱量就能自發地從高溫物體傳向低溫物體，或從物體的高溫部分傳向低溫部分［1］。由于自然界和工業生產中幾乎到處存在著溫差，所以熱量傳遞不僅存在于自然界中常見的風、霜、雪、雨等自然現象中，而且廣泛存在于工程技術領域，如在能源動力、機械、化工、冶金、航空航天等技術領域。

本專業傳熱學教材采用陶文銓院士所編《傳熱學》第五版。內容包括熱傳導、對流傳熱、輻射傳熱、傳熱過程分析與換熱器的熱計算四大部分的內容，具體包括熱傳導、熱對流和熱輻射三種基本熱量傳遞方式的物理概念、特點和基本規律；綜合應用這些基礎知識正確分析工程實際傳熱問題的方法；計算各類熱量傳遞過程的基本方法；典型的工程傳熱問題計算方法；強化或削弱熱量傳遞過程的方法及切實可行地強化或削弱傳熱的措施等。課程具有典型的“難教、難學、難考”三難特點。

針對課程內容多、概念抽象、難點多及理論與工程實踐緊密結合等教學難點，能源與動力工程專業同時開設了傳熱學的系列實驗，包括強迫對流單管外放熱系數的測定、大容器內水沸騰換熱實驗、中溫輻射時物體黑度的測試以及綜合傳熱性能實驗等。通過實驗的方式把一些晦澀難懂的知識點更加形象、直觀地表現出來，學生更易于接受。由于每個實驗會同時涉及幾個知識點，可以使學生把所學理論知識串聯起來，最后內化、吸收，變成自己的知識。理論與實踐相結合，可使學生能夠對理論知識有更加深入的理解與掌握。同時，通過實驗，能夠增強學生的動手能力，使學生掌握一定的實驗操作技能，掌握數據采集、整理、分析的能力，培養學生的邏輯思維，培養團隊協作能力。傳熱學實驗教學的重要性不言而喻。傳統的傳熱學實驗單一授課方式已不能有效地滿足新工科人才能力培養的要求［2］，除完善實驗項目外，輔以行之有效的教學方法，對教學質量的提高將起到事半功倍的作用［3］。為更好地與理論課相結合，加深學生對相應知識的理解，在傳熱學實驗教學中做了以下嘗試。

1"轉變教學方式

在以往的實驗教學中，教師是實驗課的主體，學生被動接受知識，這種“填鴨式”的實驗教學方式不利于學生學習、思考［4］，學生只是為了做實驗而做實驗，或者說只是為了修夠學分而做實驗，沒有經過很好的思考，自然也就達不到實驗教學更深層次的效果。為此，在實驗教學方式上做了以下嘗試：以課前—課中—課后的模式開展教學。

課前預習：利用某學習軟件發布課前預習材料，完成實驗報告的撰寫（數據采集與處理部分除外），提出問題與反饋。課中線下教學：檢查預習效果、講解實驗原理等重點知識、指導學生動手做實驗、引導學生提出該實驗所涉及的理論知識點。課后復習：學生通過處理實驗數據檢查自己的預習、課上學習效果，重溫知識點，加深對理論知識的理解；學生參與教學效果討論，對教師的教學方式、教學效果提出合理性建議。教師反思教學效果、查漏補缺授課內容，如圖1所示。

在課中部分，以二維導熱物體溫度場的電模擬實驗為例，教師可以提出以下問題，讓學生帶著問題去思考。比如，實驗設備為電阻網絡式電模型，通過數據記錄可知，實驗測量結果為電壓值，為什么可以換算成溫度值描述溫度場，從而引出實驗裝置是建立在導熱和導電現象有類似的數學描寫的基礎上；類似的數學描寫包括微分方程類似、定解條件類似，那么微分方程和定解條件類似是如何實現的；如何通過離散的點計算墻體的散熱量；為什么測量結果與理論計算存在差異，產生誤差的環節有哪些，減小誤差的措施有哪些；等等。面對這些問題時，學生就會迫切需要找尋相應知識點來解決這些問題，產生對知識的渴求心理，從而激發學生的自主學習行為。

通過課前—課中—課后的教學方式，學生帶著問題去思考，能夠用理論知識更好地指導實驗。反之，也能夠用實驗現象去驗證理論知識，從而把實驗現象與理論知識串聯起來，達到更深層次的實驗教學效果。理論與實踐有機融合，收獲了1+1＞2的效果，而不僅僅是上了理論課、完成了實驗課；同時教師通過學生的合理性建議，也會不斷進步，達到教學相長的目的。

2"引入數值模擬實驗

數值模擬可以簡單地理解為用計算機做實驗。在計算機飛速發展的今天，作為新興的科學技術，數值模擬已經廣泛應用于各工程領域，如冶金、化工、航天、生物醫學等。傳統實驗依附于實驗設備的種類、先進性，亦受到實驗場地的限制，當我們所研究的對象因實驗條件苛刻而不易操作或不易實現時，會耗費很多人力、物力，而且不能保證實驗順利進行或實驗結果可靠。數值模擬在某種意義上講比做實驗對問題的認識更清晰、深刻，也更細致。通過數值模擬，不僅可以了解問題的結果，而且可隨時、連續、動態、重復地顯示事物發展的整體與局部的細致過程；可以通過計算機比較直觀地顯示出目前還不易觀察到的一些實驗現象，更容易被同學們理解和接受；可以觀察到發生在試件內部結構中的一些物理現象，而這些現象并不能通過實驗觀察到。同時，數值模擬可以替代一些危險、昂貴的甚至是難于實施的實驗。

傳熱學實驗設備普遍存在前期投入較大、更新費用高、場地空間受限、實驗內容難以拓展等特點［5］。為合理改變這種現狀，傳熱學實驗教學中引入數值模擬實驗，通過數值計算和圖像顯示的方法，達到實驗教學的目的。數值模擬實驗，不僅可以自主設計與搭建（與模型相符），而且能夠滿足不同層次、不同個性的學生的需求，有利于提高學生的工程實踐能力。同時，在高度逼真的環境下，可以增進對抽象概念、原理的理解，增加學生的學習興趣。例如，我們在學習非穩態導熱時，可以開展數值模擬實驗，用Fluent模擬一塊鐵塊的加熱過程。

非穩態導熱數值模擬實驗，不但避免了傳統實驗教學對設備的要求（實驗設備很難測量鐵塊內部溫度隨時間的變化）、實驗過程存在的安全隱患，而且能夠更加形象地觀察整個加熱過程中鐵塊溫度場隨時間變化而變化的動態過程，使學生更加深入了解“非穩態導熱”。同時，通過計算機模擬實驗，學生會對數值模擬有一定的了解，如建立模型、劃分網格等，也為學生以后從事與之相關的科研工作打下基礎。

3"豐富的實驗教學課件內容

到目前為止，課件仍是應用較為廣泛的教學資源之一。從教學內容上來說，課件不應該僅僅是課本內容的復制品，教師應該在課件中增加新的內容，從而增加學生的學習興趣。筆者認為可以從以下三個方面豐富實驗教學課件內容。

第一，傳熱學實驗教學不但要完成規定的實驗教學內容，還要培養學生的實驗安全意識。實驗在高等教育中具有不可替代的育人價值，更是開展科學研究的重要手段，而實驗室在人才培養的過程當中起著至關重要的作用，無論是科研、教學，還是學科競賽，特別是在理工科院校。作為工科學生，走進實驗室做實驗安全意識是必不可少的。如果學生和教師安全意識淡薄或防范措施做得不夠，做實驗的過程中發生安全事故，比如著火、高溫燙傷等，可能會造成不可挽回的后果。因此，實驗室有哪些安全注意事項？如何避免實驗事故的發生？如果發生安全事故，選擇什么樣的處理方法可以將損失降到最低？課件中可以增加相應的內容或通過網絡資源（如MOOC等）向學生普及相關實驗室安全知識，提高學生的實驗安全意識。

第二，良好的開端是成功的一半，按部就班的“講解員”式的講解方式已不足夠吸引學生的注意力。為引起學生對實驗課的學習興趣，除了課件要形象、生動、條理清楚、圖文并茂外，還要結合板書以及對照實驗設備的詳細描述，講解設備的操作方法、原理以及注意事項等，這樣既能提高學生對課堂的專注度、活躍課堂的氣氛，又能使學生更好地掌握實驗原理、實驗設備的操作過程等，在做實驗的過程中也會更加得心應手。

第三，結合本專業特色以及已有的相關科研平臺，把本學科的重大科研成果引入相關實驗項目講授之中。如在對流換熱的相關實驗中，適當引入“冶金節能減排”團隊在強化換熱方面所做的研究工作以及相應的研究成果，如精準均勻強化加熱、直接接觸式強化傳熱、旋流混沌強化混合及利用納米流體強化傳熱等，這樣既能開闊學生的視野，又能提高學生對本課程的學習興趣或科研興趣。

結語

實驗教學的重要性不言而喻，為使學生能夠對理論知識有更加深入的理解與掌握，也能夠讓學生更加全面地發現問題及提高工程實踐能力，本文在傳熱學實驗教學中做了三個方面的嘗試：一是轉變教學方式；二是引入數值模擬實驗；三是豐富實驗教學課件內容。新的教學方法提高了學生自主學習性、拓寬了學習途徑、激發了學生的學習興趣，教學效果顯著。

參考文獻：

［1］陶文銓.傳熱學［M］.5版.北京：高等教育出版社，2019.

［2］王珺，王嫣，王永強，等.新農科背景下水生生物學實驗教學改革與實踐［J］.中國現代教育裝備，2023（15）：98100.

［3］趙斌，鐘曉暉，張磊.高等傳熱學研究型實驗教學探析［J］.中國冶金教育，2013（6）：4849+53.

［4］翟玉玲，祝星，李舟航，等.熱量傳遞與人生啟示：傳熱學課程思政設計［J］.中國現代教育裝備，2023（01）：121123.

［5］王霜，李法社，翟玉玲，等.工程熱力學虛擬仿真平臺的創立與實踐［J］.高等工程教育研究，2023（S1）：176178.

基金項目：2023年云南省本科教育教學改革研究項目“新工科”背景下基于“數智賦能”的高校精準課程思政建設研究（No.JG2023106）

作者簡介：黃曉艷（1985—"），女，漢族，內蒙古赤峰人，碩士，實驗師，主要從事中低溫余熱高效利用研究。

*通訊作者：翟玉玲（1986—"），女，漢族，廣西欽州人，博士，教授，主要從事中低溫余熱高效利用研究。