換熱器原理與設計教學改革探討

摘" 要：為了應對現代工程教育中理論與實踐脫節的問題，以換熱器原理與設計中熱管換熱器這一內容為例，探討有效的教學改革模式，改革方案通過實施個性化教學、結合社會熱點問題、應用多媒體教學資源、融入課程思政和引入前瞻性知識等，全面提升學生的學習興趣、主動性和創新能力。教學改革的實施可以有效提升學生的學習動力和滿意度，增強學生解決實際工程問題的能力。

關鍵詞：換熱器原理與設計；熱管換熱器；教學改革；個性化教學；課程思政

文章編號：1671-489X（2025）02-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.02.0

0" 引言

換熱器作為能源動力領域的重要設備，被廣泛地應用于多種工業過程，如動力、石油、化工、制冷空調等[1-3]。因此，在工程教育領域，換熱器原理與設計課程的教學尤為重要，旨在向學生介紹熱交換的基本理論和實際應用[4]。然而，隨著工業技術的迅速發展，傳統的教學方法逐漸顯示出其局限性，主要體現在理論教學與實際應用之間的脫節以及缺乏有效的實踐和互動環節[5-7]。在現代工程教育中，隨著新工科教育改革的推進[8-9]，課程內容與教學方式需要全面更新。新工科倡導跨學科融合和創新能力培養，強調與工業界的緊密合作，從而更好地適應未來技術發展的需求。在這一框架下，換熱器原理與設計課程教學改革應當充分響應新工科教育理念，整合最新的工業技術進展和市場需求，使學生能夠在實踐中掌握先進的熱交換技術和設計方法。

本文以熱管換熱器為例，探討換熱器原理與設計課程的教學改革模式。熱管換熱器因其高效的熱傳遞性能在眾多工業領域得到應用，如航空航天、電子制冷和化工過程等[10-11]。然而，傳統的教學模式常忽略將實際應用案例融入教學，導致學生將理論知識應用于解決實際工程問題的能力不足。為了解決這一問題，本文探討如何通過引入項目導向和問題導向的教學方法，將理論知識與實際工程案例結合，激發學生的探索精神，增強學生解決實際工程問題的能力。結合新工科教育理念，提出換熱器原理與設計教學改革方案，旨在通過理論與實踐的深度融合以及與工業界的緊密合作，全面提升教學質量，增強學生解決實際工程問題的能力，符合當前工程教育的發展趨勢。

1" 教學目標

換熱器原理與設計課程中針對熱管換熱器部分的教學目標為提高學生的理論知識掌握水平、應用能力和創新思維能力。

1.1" 深入理解熱管的工作原理和超導機理

學生需要學習并掌握熱管內部的熱傳導和對流機制，包括相變過程及其對熱管性能的影響。這一部分還包括對熱管的超導性質的探討，特別是在極端環境下的工作效率和性能表現以及熱管的熱傳遞特性分析（如熱阻、熱流密度和溫度分布）。

1.2" 掌握不同類型熱管換熱器的設計和運行原理

換熱器原理與設計課程涵蓋各種類型的熱管換熱器，如兩相閉式熱虹吸管、重力熱管和毛細泵回路，學生需要了解這些熱管換熱器的結構設計、運作原理、優勢和局限性以及不同材料和結構設計對其性能的影響。

1.3" 熟悉熱管的循環動力學和控制方法

學生需要理解熱管的循環動力學原理，特別是熱驅動循環和流體循環機制。課程涉及控制熱管工作狀態的多種方法，如溫度調節和壓力控制，以及在不同工作條件下的動力學表現和穩定性分析。

1.4" 能夠分析應用熱管換熱器的實際案例

通過分析熱管換熱器在電子冷卻、航天器熱管理和化工過程等領域的實際應用案例，學生能夠理解熱管設計的實際考慮因素和面臨的挑戰。案例分析可以幫助學生將理論知識應用于解決實際工程問題。

1.5" 培養學生的實踐技能和創新思維能力

通過實驗室實踐和項目式教學，學生有機會設計、搭建和測試熱管換熱器原型，不僅可以增強實踐操作能力，還可以激發對傳統熱管換熱器進行改進的創新思維。

1.6" 強化跨學科知識的融合與應用

課程整合物理、化學、材料科學和機械工程等學科知識，使學生能夠全面理解熱管換熱器的工作原理和應用。跨學科知識的融合旨在培養學生解決復雜工程問題的能力。

2" 學情分析

在推進換熱器原理與設計課程教學改革前，充分了解學生的學習狀態和需求至關重要。本次課程教授對象為能源與動力工程專業大三學生，總人數為101人。通過與相關前序課程的教師進行溝通和對學習環境的細致觀察，對該課程學生群體的學情進行總結：學生已完成傳熱學、工程熱力學和流體力學等專業基礎課程的學習，為理解換熱器的原理奠定一定的理論基礎；大部分學生對專業有一定的認知，掛科率較低，但學習主動性較差，對相對枯燥的專業課學習熱情較差。換熱器原理與設計課程涉及較多專業綜合知識，傳統的講授式教學容易使學生處于被動接受的狀態，在課堂上缺乏積極性，這與新工科要求的培養具有廣闊視野、創新能力和實踐能力的復合型人才之間存在差距。盡管多數學生對專業基礎掌握良好，但仍有少數學生基礎薄弱，主動學習意愿不足。

針對上述分析，為激發學生的學習動力并增強其學習效果，提出以下教學改革措施。

1）理論與實踐相結合。引入實際工程案例，使理論知識與實際應用緊密結合，以提升學生的興趣和理解能力。

2）使用圖文并茂的教學材料。使用包含豐富圖表和實例的課件，使抽象的理論知識更加直觀、易懂。

3）開展混合式教學。采用線上線下結合的混合式教學模式，提高學生的參與度，增強互動性。

4）開展個性化教學。根據學生的不同學習態度實施個性化教學，對學習意愿較低的學生提供額外的輔導和激勵。

5）增強實驗和實踐環節。通過實驗室實踐、項目制作等方式，增強學生的實踐能力和創新思維能力。

這些改革措施可以有效增強學生的學習動力，加深學生對換熱器原理與設計的理解，提高學生將理論知識應用于解決實際工程問題的能力。

3" 教學改革方案的實施

本次教學改革方案旨在通過實施個性化教學、結合社會熱點問題、應用多媒體教學資源、融入課程思政和引入前瞻性知識等，全面提升學生的學習興趣、主動性和創新能力，為學生立足未來的工程領域打下堅實的理論和實踐基礎。

3.1" 調查學生實際需求，實施個性化教學

在課程正式開始前，讓學生通過閱讀教材和觀看線上視頻，對熱管換熱器的基本概念進行初步了解。通過線上問卷調查的方式收集學生對熱管教學內容的具體需求，如感興趣的知識點、對熱管技術前沿的好奇等。這一步驟不僅有助于教師了解學生的興趣和需求，而且能增強學生的參與感和對課程的期待感。教師根據問卷結果對教學內容和方法進行個性化調整，因材施教，如對于對實驗感興趣的學生，可以增加更多的實驗演示和實踐機會。

3.2" 結合社會熱點問題，引發學生興趣

以青藏鐵路中的熱棒作為教學的切入點，將學科知識與實際應用相結合，同時通過此案例提出問題：為什么熱棒能解決凍土問題？這一舉措旨在引起學生對熱管技術學習的興趣。再從案例過渡到理論，教師逐步深入到熱管換熱器的運行原理、主要特征和運行極限的講解，讓學生通過對熱管理論系統性的學習后，最終解答為什么熱棒能解決凍土問題。這種與實際應用相結合的問題導向教學方法能更好地幫助學生理解和吸收復雜的理論知識。

3.3" 應用多媒體教學資源

通過實驗視頻和動畫的形式，直觀展示熱管的工作狀態和特點，這種圖文并茂的多媒體教學資源的運用能幫助學生更好地理解理論知識并激發他們的學習興趣。比如展示熱管在不同溫度條件下的工作狀態的實驗視頻，幫助學生理解熱管的等溫特性和高導熱性，部分課件如圖1所示。

另外，本課程詳細介紹熱管換熱器的各種類型，如兩相閉式熱虹吸管、旋轉熱管等，以及它們在不同領域的應用，如高性能芯片散熱、衛星均溫、手術刀、太陽能發電等。通過這些內容的介紹，學生不僅能夠理解熱管的多樣性，還能夠了解熱管在實際工程中的廣泛應用。

3.4" 融入課程思政

3.4.1" 弘揚大國工匠精神

在課程中穿插介紹中國熱管技術的發展歷程，強調工程技術人員在國家發展中的重要作用，培養學生的國家認同感和職業自豪感，激發他們的愛國心和報國志。

3.4.2" 培養創新精神，樹立正確“三觀”

通過展示國內外熱管技術的發展和應用，激發學生的創新思維和對工程技術的熱愛，引導學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。例如，介紹熱管在航天器中的應用，讓學生了解工程技術對于國家科技進步的重要性，從而堅定學生為國家科技進步作貢獻的決心。

3.5" 引入前瞻性知識

為了增強課程的前瞻性，介紹最新的熱管技術發展和潛在應用，如在可持續能源、空間技術等領域的應用前景，不僅能激發學生的好奇心和探索欲，而且有助于提高他們對行業發展趨勢的認識。在介紹新技術的同時，鼓勵學生思考如何利用這些技術解決現實世界的問題，讓學生了解熱管技術的前沿動態，激發學生的學習興趣和主動性。

4" 教學反饋與評價

為了確保課程的教學效果，采用多元化的教學評價方法，包括在線測試、課后作業和期末考試等，全面評估學生對學習目標的掌握程度。

4.1" 在線測試

利用學習通軟件對學生進行在線測試，主要針對熱管換熱器的特點、不同種類的熱管在各應用領域的使用等。這種測試不僅能即時檢驗學生對課堂內容的掌握情況，而且能增強學生的參與度和互動性。通過學習通軟件的自動分析系統，快速獲得測試結果，并據此進行點評和分析。這一環節對于實時分析學習目標的達成情況至關重要，教師可以根據測試結果及時調整教學內容和教學方法。

4.2" 課后作業

設計開放性課后作業，旨在充分調動學生的學習積極性，鼓勵他們進行深入思考和探索。例如：選擇一種類型的熱管，要求學生論述該類熱管的發展現狀，包括其背景、結構、原理、發展史等，幫助學生加深對特定熱管類型的理解，培養學生的研究和分析能力；選擇一個特定領域，讓學生從需求、解決方案和發展現狀的角度論述熱管的應用情況，理解熱管技術在實際工程中的應用，激發創新思維。最后，教師針對作業的內容進行評價，關注學生對問題的理解深度、分析能力和創新思考，以便更全面地評估學生對課程內容的理解和應用能力。

4.3" 期末考試

期末考試可以綜合評估學生對整個課程包括熱管換熱器部分的理解和掌握情況。以試卷為載體，設置客觀題和主觀題，測試學生對理論知識的掌握和應用能力。熱管換熱器章節內容的測試以論述題為主，如分析重力熱管的運行原理，舉例說明重力熱管的應用領域。期末考試結果將與課堂測試、課后作業等其他評價方式結合，形成對學生學習效果的綜合評價。這種多元化的評價方法可以更全面地反映學生的學習情況，幫助教師和學生了解學習目標的達成程度。

通過上述綜合性的教學評價方法，可以有效地監控和評估學生對熱管換熱器這一章節的理解和掌握情況，不僅有助于教師及時調整教學方法，以更好地滿足學生的學習需求，而且能夠幫助學生清晰地認識到自己的進步和不足，從而不斷增強學習效果。通過這種方式，確保教學目標的有效實現。

5" 教學改革成效

本文以熱管換熱器為例，探討換熱器原理與設計教學改革方案，通過實施個性化教學、結合社會熱點案例、應用多媒體教學資源、融入課程思政和引入前瞻性知識的方法，激發學生的學習興趣，增強他們的主動性和創新能力。此外，通過在線測試、課后作業和期末考試等多元化的教學評價方式，全面評估學生對學習目標的掌握程度，確保取得理想的教學效果。對所教授的學生（共101位學生）進行滿意度問卷調查和單元測試結果分析，調查結果和單元測試分數分布情況分別如圖2和圖3所示。

圖2表明，針對本次教學改革后的課堂，約75%的學生表示非常滿意，基本滿意度達到100%。圖3表明，學生對這一章節知識的掌握情況良好，85分以上的人數超過75%，全部學生都能得到65分以上。總體而言，教學改革效果良好，學生對熱管換熱器這一章節的知識掌握情況達到預期目標。

6" 結束語

本教學改革方案不僅為換熱器原理與設計課程提供了一種新的教學思路，也為工程類課程的教學改革提供了可借鑒的范例。本次教學改革后續還可以進一步優化，比如：利用增強現實（AR）和虛擬現實（VR）技術為學生提供更為直觀的學習體驗，通過虛擬實驗室，學生可以模擬熱交換過程，進行實驗設計和結果分析；增設與工業界合作的環節，通過實習、講座和項目合作，學生有機會直接參與換熱器的研發和應用過程，從而深入理解課堂上學到的知識如何在實際工作中被應用。通過持續的教學實踐和評估，期望能夠進一步優化和發展這種教學模式，為工程教育的發展作出貢獻。

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